設計目標

設計の説明

この温度スイッチ ソリューションは、特定の温度を超過したときに (GPIO ピンに) LOW を通知し、条件がデバイスにとってもはや最適または安全ではなくなったことを警告します。この回路には、NTC サーミスタと、非反転形式で構成されたコンパレータが組み込まれています。

デザイン ノート

1. NTC サーミスタの抵抗値は温度の上昇につれて低下します。
2. TLV7041 はオープン ドレイン出力なので、プルアップ抵抗が必要です。
3. サーミスタを分圧器のハイサイド近くに配置する構成も可能ですが、出力スイッチを LOW に保つためコンパレータを反転形式で使用する必要があります。
4. ベスト プラクティスは、正の帰還抵抗を配置して外部ヒステリシスを追加することです。この例では簡略化のため行っていません。

設計手順

1. NTC サーミスタとして、可能なら公称抵抗 R₀ (周囲温度 T_A が 25℃のときの抵抗値) が高いものを選択します。これは、TLV7041 の入力バイアス電流が非常に小さいためです。これにより消費電力が低下するため、サーミスタの発熱により温度読み取り値が少し上昇する可能性を減らすことができます。選択したサーミスタの R₀ および材料定数 β は次のとおりです。
   ${\mathrm{R}}_0=100\mathrm{k\Omega }$
   $\mathrm{\beta }=3977\mathrm{K}$
2. R₁ を選択します。高温のスイッチング ポイントに対応するため、R₁ はサーミスタの公称抵抗の 1/10 にする必要があります。これにより、温度スイッチング ポイントの周辺で、温度による電圧変化が大きくなり、目的の温度値で出力が確実に切り替わるようにできます。
   ${\mathrm{R}}_1=\frac{{\mathrm{R}}_0}{10}$
   ${\mathrm{R}}_1=\frac{100\mathrm{k\Omega }}{10}=10\mathrm{k\Omega } \text{(Standard Value)}$
3. R₂ を選択します。ここでも、高い抵抗値を使用できます。
   ${\mathrm{R}}_2=1\mathrm{M\Omega } \text{(Standard Value)}$
4. 目的の温度スイッチング ポイントで、サーミスタの抵抗値 R_thermistor を求めます。β の式を使用すると、-20℃〜120℃の温度範囲にわたって、サーミスタの抵抗値を効果的に近似できます。または、Steinhart-Hart 式も使用できますが、デバイス固有の定数のいくつかをサーミスタのベンダから入手する必要があります。温度はケルビン単位であることに注意してください。ここで、T₀ = 25℃ = 298.15K です。
   ${\mathrm{R}}_{\mathrm{thermistor}}\left({\mathrm{T}}_{\mathrm{sp}}\right)={\mathrm{R}}_0\times {\mathrm{e}}^{\mathrm{\beta }\times (\frac{1}{{\mathrm{T}}_{\mathrm{sp}}}-\frac{1}{{\mathrm{T}}_0})}$
   ${\mathrm{R}}_{\mathrm{thermistor}}(100°\mathrm{C})=100\mathrm{k\Omega }\times {\mathrm{e}}^{3977\mathrm{K}\times (\frac{1}{373.15\mathrm{K}}-\frac{1}{298.15\mathrm{K}})}$
   ${\mathrm{R}}_{\mathrm{thermistor}}(100°\mathrm{C})=6.85 \mathrm{k\Omega }$
5. T_sp での V_thermistor を求めます。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{thermistor}}\left({\mathrm{T}}_{\mathrm{sp}}\right)={\mathrm{V}}_{\mathrm{cc}}\times \frac{{\mathrm{R}}_{\mathrm{thermistor}}\left({\mathrm{T}}_{\mathrm{sp}}\right)}{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_{\mathrm{thermistor}}\left({\mathrm{T}}_{\mathrm{sp}}\right)}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{thermistor}}(100°\mathrm{C})=5\mathrm{V}\times \frac{6.85\mathrm{k\Omega }}{10\mathrm{k\Omega }+6.85\mathrm{k\Omega }}=2.03\mathrm{V}$
6. スレッショルド電圧 V_TH が V_thermistor と等しい条件で R₃ を求めます。これにより、温度スイッチング ポイントを超えるまで、V_thermistor が常に V_TH より大きいことが保証されます。
   ${\mathrm{R}}_3=\frac{{\mathrm{R}}_2\times {\mathrm{V}}_{\mathrm{TH}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{cc}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{TH}}}$
   ${\mathrm{R}}_3=\frac{1\mathrm{M\Omega }\times 2.03\mathrm{V}}{5\mathrm{V}-2.03\mathrm{V}}=685\mathrm{k\Omega }$
   ${\mathrm{R}}_3=680\mathrm{k\Omega } \text{(Standard Value)}$
7. プルアップ抵抗 R₄ の適切な値を選択します。ここで、V_pu = 3.3V (マイクロコントローラのデジタル HIGH) です。
   ${\mathrm{R}}_4=51\mathrm{k\Omega } \text{(Standard Value)}$

設計シミュレーション

DC 温度シミュレーション結果

設計の参照資料

テキサス・インスツルメンツ、SLVMCS1 シミュレーション、回路ファイル

設計で使用されているコンパレータ

設計の代替コンパレータ