深入剖析LM19溫度傳感器：特性、應(yīng)用與設(shè)計要點

在電子設(shè)備的設(shè)計中，溫度監(jiān)測是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，關(guān)乎設(shè)備的性能、穩(wěn)定性和壽命。今天，我們就來深入了解一款性能出色的溫度傳感器——德州儀器（TI）的LM19。

文件下載：lm19.pdf

一、LM19概述

LM19是一款精密的模擬輸出CMOS集成電路溫度傳感器，其工作溫度范圍為 -55°C 至 +130°C，電源工作范圍為 +2.4V 至 +5.5V。它采用TO - 92封裝，具有諸多令人矚目的特性，適用于多種應(yīng)用場景。

特性亮點

1. 寬溫度范圍：能夠在 -55°C 至 +130°C 的全溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，滿足各種惡劣環(huán)境下的溫度監(jiān)測需求。
2. 低功耗：靜態(tài)電流小于 10μA，自熱效應(yīng)小于 0.02°C（靜止空氣中），無需額外的散熱措施，降低了系統(tǒng)的功耗和設(shè)計復(fù)雜度。
3. 可預(yù)測的曲率誤差：其傳遞函數(shù)雖主要呈線性，但具有輕微的可預(yù)測拋物線曲率，在指定拋物線傳遞函數(shù)時，在 +30°C 環(huán)境溫度下精度可達(dá) ±2.5°C。
4. 適用于遠(yuǎn)程應(yīng)用：輸出阻抗低（最大 160Ω），能夠適應(yīng)遠(yuǎn)程信號傳輸，減少信號衰減。
5. UL 認(rèn)證組件：符合安全標(biāo)準(zhǔn)，可放心應(yīng)用于對安全性要求較高的場合。

應(yīng)用領(lǐng)域

LM19的應(yīng)用范圍十分廣泛，涵蓋了多個領(lǐng)域，如：

1. 消費電子：手機、電腦、打印機、傳真機等設(shè)備的溫度監(jiān)測，確保設(shè)備在合適的溫度下運行，提高性能和穩(wěn)定性。
2. 電源管理：電源模塊和電池管理系統(tǒng)中，實時監(jiān)測溫度，防止過熱損壞設(shè)備。
3. 工業(yè)控制：HVAC（供暖、通風(fēng)和空調(diào)）系統(tǒng)、磁盤驅(qū)動器、家電等工業(yè)設(shè)備的溫度控制，保障設(shè)備的正常運行。

二、關(guān)鍵規(guī)格

精度

在 +30°C 時，精度為 ±2.5°C（最大）；在 +130°C 和 -55°C 時，精度為 ±3.5 至 ±3.8°C（最大）。這表明在不同溫度條件下，LM19都能提供較為準(zhǔn)確的溫度測量結(jié)果。

電源與電流

電源電壓范圍為 +2.4V 至 +5.5V，電流消耗最大為 10μA，低功耗特性使得它在電池供電的設(shè)備中表現(xiàn)出色。

非線性度

典型非線性度為 ±0.4%，保證了輸出信號與溫度之間的線性關(guān)系，減少了測量誤差。

輸出阻抗

最大輸出阻抗為 160Ω，能夠有效驅(qū)動負(fù)載，確保信號的穩(wěn)定傳輸。

三、工作原理與特性曲線

傳遞函數(shù)

LM19的傳遞函數(shù)可以用不同的方式描述，以滿足不同精度和溫度范圍的需求。

1. 簡單線性傳遞函數(shù)：在 25°C 附近具有較好的精度，公式為 (V_{O}=-11.89 mV /^{circ} C × T+1.8663 V)。
2. 拋物線傳遞函數(shù)：在 -55°C 至 +130°C 的全工作溫度范圍內(nèi)，能提供最佳精度，公式為 (V{O}=left(-3.88 × 10^{-6} × T^{2}right)+left(-1.15 × 10^{-2} × Tright)+1.8639)。通過該公式，也可以求解溫度 (T=-1481.96+sqrt{2.1962 × 10^{6}+frac{left(1.8639-V{0}right)}{3.88 × 10^{-6}}})。
3. 有限溫度范圍的線性傳遞函數(shù)：可以通過計算斜率和偏移量，在特定溫度范圍內(nèi)獲得最佳結(jié)果。斜率計算公式為 (m=-7.76 × 10^{-6} × T-0.0115)，偏移量計算公式為 (b=left(V{OP}left(T{max }right)+V{OP}(T)-m timesleft(T{max }+Tright)right) / 2)。

特性曲線

從輸出電壓與溫度的特性曲線可以直觀地看到 LM19在不同溫度下的輸出電壓變化情況。例如，在 +130°C 時，典型輸出電壓為 +303 mV；在 0°C 時，輸出電壓為 +1863.9 mV。

四、設(shè)計與安裝要點

安裝方式

LM19可以像其他集成電路溫度傳感器一樣輕松應(yīng)用。它可以粘貼或固定在表面，其感應(yīng)的溫度與連接引腳的表面溫度相差約 +0.02°C。需要注意的是，環(huán)境空氣溫度應(yīng)與表面溫度相近，否則實際測量溫度會介于表面溫度和空氣溫度之間。為確保良好的熱傳導(dǎo)，LM19芯片的背面直接連接到GND引腳。此外，也可以將其安裝在密封端金屬管內(nèi)，用于浸入液體或擰入罐體的螺紋孔中。

熱阻計算

熱阻 (θ{JA}) 是計算器件結(jié)溫因功耗而上升的參數(shù)。對于 LM19，結(jié)溫計算公式為 (T{J}=T{A}+theta{J A}left[left(V^{+} I{Q}right)+left(V^{+}-V{O}right) I{L}right])，其中 (I{Q}) 是靜態(tài)電流，(I_{L}) 是輸出負(fù)載電流。為了準(zhǔn)確測量溫度，應(yīng)盡量減小 LM19所需驅(qū)動的負(fù)載電流。

電容負(fù)載處理

LM19對電容負(fù)載的處理能力較好，在不采取任何措施的情況下，能夠驅(qū)動小于 300 pF 的電容負(fù)載。在噪聲較大的環(huán)境中，可能需要添加濾波措施。建議在 (V^{+}) 到 GND 之間添加 0.1 μF 的電容來旁路電源電壓，必要時還可以在輸出端與地之間添加電容和串聯(lián)電阻，形成低通濾波器，且不會顯著影響 LM19的整體響應(yīng)時間。

五、應(yīng)用電路示例

溫度控制器

通過與其他器件配合，LM19可以實現(xiàn)溫度控制功能。例如，在圖 5 所示的攝氏恒溫器電路中，根據(jù)設(shè)定的溫度閾值，當(dāng)溫度超過設(shè)定值時，輸出高電平報警信號。

節(jié)能設(shè)計

LM19具有低功耗特性，可通過邏輯器件輸出控制其關(guān)閉，以節(jié)省功耗，如圖 6 所示。

與 ADC 連接

在與采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入級連接時，由于大多數(shù) CMOS ADC 的輸入結(jié)構(gòu)可能會對模擬輸出設(shè)備造成影響，需要添加電容來滿足其瞬時充電要求。圖 7 給出了一種建議的連接方式。

六、總結(jié)

LM19溫度傳感器以其寬溫度范圍、低功耗、高精度等特性，成為眾多電子設(shè)備溫度監(jiān)測的理想選擇。在設(shè)計過程中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和要求，合理選擇傳遞函數(shù)、安裝方式和處理電容負(fù)載等，以充分發(fā)揮 LM19的性能優(yōu)勢。同時，要注意遵循相關(guān)的安全和可靠性標(biāo)準(zhǔn)，確保設(shè)備的穩(wěn)定運行。大家在實際應(yīng)用中是否遇到過類似溫度傳感器的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。