MONOLİTİK SICAKLIK SENSÖRÜ

3.7 MONOLİTİK SICAKLIK SENSÖRÜ

  Yarıiletken tümdevrelerin tasarımındaki yeni gelişmeler sonucu tümdevre sıcaklık sensörleri ve denetim aygıtları ortaya çıkmıştır.

3.7.1 Yarıiletken Sıcaklık Sensörü

  Son zamanlarda germanyum ve silisyum içine katıştırılan kristalden elde edilen malzemeler ısı sensörü olarak kullanılmaya başlandı. Germanyum kristal malzemenin sıcaklık-direnç grafiği NTC termistörün sıcaklık-direnç grafiğine benzer ve doğrusal değildir.

  Silisyum kristal de sıcaklık sensörü olarak kullanılır. Şekil olarak mercimek kondansatöre benzerler. -55  C ile +150  C arasındaki sıcaklıkların algılanmasında başarı ile kullanılırlar ve bu aralıkta sıcaklık-direnç ilişkisi termistör ve germanyum kristal sensörün tersine pozitif sıcaklık katsayılıdır. Bu sıcaklık alanının dışına çıkıldığında eğri negatif olur ve doğrusal değildir.

  Bilindiği gibi normal germanyum veya silisyum PN birleşmeli diyotlarda birleşme yüzeylerinde bir nötr bölge oluşur. Bu bölgeden bir akımın geçmesi için bu bölgenin aşılması gerekir. Bunun için ya harici gerilim uygulanır, ya ışık düşürülür ya da sıcaklık arttırılır. Normal olarak sıcaklık arttıkça bu noktadan geçen akım artar. İşte bu malzemelerin sıcaklık sensörü olarak kullanılmasının esası buna dayanır. Aşağıdaki şekilden de görüleceği gibi bu malzeme devreye ters bağlanır. Sıcaklık arttıkça birleşme noktasından geçen akım artar. Bu akım sıcaklığa bağlı olarak değişir. CDA (Current-Differencing Amplifier) adı verilen entegrelerle girişte değişen akım çıkışa yansıtılır.

  Şekil 2.25’teki devre aracılığıyla LM35 sıcaklık sensöründen alınan sıcaklık değişikliği mikroişlemciye girilir. Mikroişlemciye yazılmış olan program aracılığıyla kendisinde referans olarak bulunan sıcaklık ve sensörden gelen sıcaklık değeri karşılaştırılır. Eğer sensörden gelen sıcaklık referans sıcaklıktan daha yüksek olursa mikroişlemciden ısıtıcı kontrol devresine gönderilen bir sinyal aracılığıyla ısıtıcının enerjisi kesilir. Bu işleme otomatik olarak devam edilerek bir ortamın sıcaklığı işlemciye girilen sıcaklık değerinde sabit tutulur.

  Bölüm 3 Sıcaklık Ölçümü

  Yrd.Doç.Dr. Dilşad Engin

  Şekil 3.25 Sıcaklıktan Dijitale Dönüştürücü (  P ile uyumlu paralel üç-durumlu çıkışlar)

3.7.2 Yarıiletken Sıcaklık Sensörü (LMXXX)

  Bu malzemeler yukarıda anlatılan ilkeye göre çalışır, ancak bugün uygulamada 2 tip yarıiletken sıcaklık sensörü vardır.

  1- Sıcaklığa bağımlı gerilim üreten yarıiletken malzemeler

  3- Sıcaklığa bağımlı akım üreten yarıiletken malzemeler Sıcaklığa bağımlı gerilim üreten malzemelere örnek olarak National Semiconductor firmasının

  LM serisi malzemelerini gösterebiliriz. LM35, LM135, LM235, LM335 serisi piyasadaki monolitik sıcaklık sensörleridir. Bu ilginç aygıt devrede, kırılma gerilimi sıcaklıkla orantılı olan Zener diyot gibi görev yapmaktadır. LM135'in çıkış gerilimi 10mVK'dir ve ölçüm sıcaklığının tüm aralığında son derece doğrusaldır.

  Kalibrasyon için devre elemanı üzerinde üçüncü bir uç bulunmaktadır. Bir sıcaklık değerini doğru okuyacak şekilde kalibre edildiğinde, bütün sıcaklık değerlerini doğru okuyacaktır.

  Şekil 2.26'da, LM135 serisi tümdevre üç farklı devrede görülmektedir. Şekil 2.26a'daki devre

  temel devredir. Devrede TD sıcaklık-duyarlı Zener diyot gibi davranmaktadır. R 1 direnci devredeki akım kaynağı görevini görecek şekilde yeterince büyük seçilmeli ve V CC değeri

  tümdevreden geçecek akımı 5mA'den daha aza sınırlayacak şekilde yeterince küçük tutulmalıdır. Çalışılan akım değeri 400 

  A kadar düşük olabilir. Isınmayı azaltmak için bu değer mümkün

  olduğu kadar düşük tutulmalıdır. Şekil 2.26b'deki devre kalibrasyon ayar ucunun nasıl kullanılacağını göstermektedir. Potansiyometre bilinen bir kalibrasyon sıcaklığında doğru çıkış gerilimini, örneğin V çıkış =2.982V 25 

  C, olacak şekilde ayarlandığında, sıcaklık ölçümü devre

  elemanının tüm çalışma aralığında doğru olacaktır. Şekil 2.26c LM135 ile sabit akım kaynağı kullanılarak uzaktan sıcaklık algılama tekniğini göstermektedir.

  Bölüm 3 Sıcaklık Ölçümü

  Yrd.Doç.Dr. Dilşad Engin

  V çıkış =10 mV K

  V çıkış =10 mV K

  (a) Temel LM135 devresi.

  (b) LM135 kalibre edilmiş bir sensör olarak.

  (c) Bir sabit akım kaynağı ile beslenen LM135 TD. Hattaki IR gerilim düşümü dikkate alınırsa uzaktan algılama için kullanılabilir.

  Şekil 3.26 Üç farklı devre düzenlemesinde LM135 serisi tümdevre.

  LM35 yarıiletken sıcaklık sensörüne ait bilgiler aşağıya çıkarılmıştır. Şekil 2.27a’da LM35a’nın blok şeması ve Şekil 2.27b’de ise tam ölçek sıcaklık sensörü olarak kullanılması gösterilmektedir.

  +Vs

  Vçıkış

  Şekil 3.27 LM35’in blok şeması ve tam ölçek sıcaklık sensörü olarak kullanımı

  LM35 ve LM35A sıcaklık sensörü -55 

  C ile +150  C'lik sıcaklık aralığında her bir derecelik

  sıcaklık artışında 10mV gerilim üretir. Elde edilen gerilim değişikliği çok küçük olduğundan bu değişikliğin bir enstrümantasyon yükselteci ya da yalıtım yükselteci ile yükseltilmesi gerekir.

  LM3911 tümdevresi ise, sıcaklık sensörü ve işlemsel yükselteci bir yongada birleştiren bir tümdevredir. LM135 gibi, sıcaklık sensörünün 10 mVK'lik çıkışı vardır. Bu çıkış bir işlemsel yükseltece bağlaştırılarak devre düzenlemesine göre ya bir ölçüm aygıtı ya da tam özellikli sıcaklık denetim aygıtı olarak kullanılabilir.

  Termistör gibi monolitik sıcaklık sensörleri de üst sınırlarının yakınında veya üzerinde devamlı olarak çalıştırıldığında bozulabilir. LM135, LM35 ve LM35A -55°C ve +150°C arasında kullanışlı bir aralığa sahiptir. Üretici firma 150°C'nin üzerinde devamlı kullanım sonucu devre

  Bölüm 3 Sıcaklık Ölçümü

  Yrd.Doç.Dr. Dilşad Engin

  elemanının beklenen ömrünün kısalacağını belirtmiştir. Monolitik sıcaklık sensörleri bu sıcaklık sınırları içindeki uygulamalar için en iyi seçim olarak görünmektedir. Bu uygulamalardan biri daha önce bahsedilen ısılçiftlerin kompanzasyonu için kullanılan elektronik-buz noktasıdır.