温度センサのファクタとアプリケーションニーズの整合

アプリケーションに最適な温度センサを選択することは、利用可能なセンサ技術の多様性と業界の要求の多様性を考慮すると、困難な場合があります。しかし、多くの用途では正確な測定が要求されるため、利用可能な幅広い選択肢を検討する必要があります。

温度センサの選択には、精度、応答時間、通信プロトコル、環境への堅牢性、電力使用量、コスト、システム統合などの設計要件を満たすために、複数の要素のバランスを取ることが必要です。センサは一般的に、次のような4つのアナログ電圧出力カテゴリと、デジタル信号出力を利用する5つ目のカテゴリに分類されます。

• 熱電対は、広い温度範囲と耐久性を持ち、極低温から+1,800°C以上まで測定可能です。頑丈で過酷な環境にも耐え、急激な温度変化にも素早く反応します。しかし、他のオプションに比べると精度と安定性に劣り、信号調整が必要です。鉄鋼やガラス製造などの重工業や、高熱を伴う家庭用、または業務用電化製品に適しています。
• 測温抵抗体（RTD）は高精度で安定しています。精度が重要な産業用オートメーションやプロセス制御に最適です。RTDは、醸造、殺菌、調理などの工程における厳密な温度制御のために、食品および製薬業界で一般的に使用されています。HVACシステム、インキュベータや分析機器などの実験室や医療機器において正確な温度測定が可能です。RTDは、熱電対のような代替品に比べ高価であり、壊れる頻度は細線や薄膜のセンシングエレメントに左右されます。複雑でコストがかかる精密測定回路とともに使用されることが多いです。
• サーミスタは、半導体で作られた温度依存性の抵抗器で、高い感度を示します。わずかな温度変化に対する抵抗値の変化が大きいため、微小な変動を検出でき、高い分解能が得られます。小型、高速、低コストのサーミスタは、小さなビーズから大きなプローブまで、さまざまなサイズがあります。通常-50°Cから150°Cまでの限られた温度範囲での用途に優れています。サーミスタは非常に汎用性が高く、周囲温度や体温が関係する医療機器や家電製品、さらに自動車用アプリケーション、バッテリ管理システム、家電製品、火災や煙の検知などに使用されています。しかし、その非線形抵抗曲線は、抵抗値を正確な温度に変換するための変換式やルックアップテーブルを必要とし、RTDと比較して経時的なドリフトが発生する可能性があります。
• ダイオードベースの温度センサは、応答時間が速く、他の3つのアナログタイプよりも小型です。マイクロコントローラ、A/Dコンバータ（ADC）、特定用途向け集積回路（ASIC）とのインターフェースが容易です。55°C～+150°Cの限られた温度範囲でコスト効率が高く、民生用電子機器、産業用オートメーション、データセンターストレージシステム、自動車など幅広い用途で利用されています。RTDよりも精度が低く、システムノイズの影響を受けやすく、異なるデバイス間で一貫した測定値を確保するために校正が必要になることがよくあります。
• デジタル温度センサは、温度を測定し、通常はSMBus、I²C、SPI、1-Wireなどの通信プロトコルで直接デジタル信号を出力する集積回路（IC）です。アナログ方式のような外部信号調整、増幅、A/D変換は必要ありません。

選択ガイドライン

適切な温度センサを選ぶには、精度、応答時間、耐久性、コストのバランスが重要です。業界特有の要件も、適切なコンポーネントの選択の指針となります。

アプリケーションの動作環境は重要な役割を果たします。過酷な条件下では、熱電対や被覆されたRTDのような堅牢なセンサが必要ですが、サーミスタや半導体センサは管理された環境に適しています。コストと拡張性も大量生産で考慮すべき要素です。サーミスタは経済的ですが、RTDやハイエンドの熱電対は長期安定性があります。

精度と実用性の間の設計者の許容範囲も、選択に影響を与える可能性があります。RTDは高精度ですが高価であり、熱電対は汎用性が高いですが精度は劣ります。応答時間と配置も重要です。熱電対やサーミスタのような小型で軽量のセンサは応答が速いですが、その配置は性能に影響します。

センサとその関連回路のコストは、特に消費者製品や大量生産において、選択に大きな影響を与えます。センサの種類によってコストにかなりの幅があります。アナログセンサは信号調整を必要としますが、デジタルセンサは統合が容易です。アナログ回路とキャリブレーションを削減することで、全体的なコストを最小限に抑え、多少高価なデジタルセンサを使用することが可能になります。

デジタルオプションと特徴

デジタルセンサはアナログ信号を内部で変換し、デジタルストリームとしてデータを送信します。多くの場合、ノイズ耐性が向上し、より複雑なデータ処理が可能になります。Analog Devices, Inc.（ADI）は、アナログおよびデジタル温度センサの幅広い製品ラインアップを提供しており、設計者は、アプリケーションのニーズに最も適した製品を慎重に評価する必要があります。以下は、いくつかのデジタルセンサについて簡単にまとめたものです。

正確な温度測定が必要な場合、精度が最も重要な選択要素となります。ADIのMAX31888デジタルセンサは、-20°C～+105°Cの範囲で±0.25°Cの精度を備え、1-Wireバスでマイクロコントローラと通信することにより、高精度温度監視回路を実現します（図1）。各MAX31888には固有の64ビット登録番号がプログラムされており、これはマルチドロップ1-Wireネットワークのノードアドレスとして機能します。

図1：MAX31888温度センサを使用した典型的なアプリケーション回路。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

MAX31888は、通信にデータラインを1本だけ使用し、そこから電源を直接取り出せるため、設計者は外部電源なしで動作させることができます。外部電源を使用する場合、電圧範囲は1.7V～3.6Vで、測定時の消費電流はわずか68μAです。

バッテリ駆動の小型デバイスを設計する場合、消費電力とサイズが最大の関心事となります。ウェアラブルなどのアプリケーション向けに、MAX31875R0TZS+T（図2）のようなADIのMAX31875デバイスは、0.84mm × 0.84mm × 0.35mmの超小型パッケージサイズで、低消費電力と±1°Cの温度測定精度を実現しています。

図2：MAX31875R0TZS+Tフォームファクタの図。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

MAX31875ファミリは、I²C/SMBus互換のシリアルインターフェースを使用しており、標準的なライトバイト、リードバイト、センドバイト、レシーブバイトコマンドを使用して、温度データを読み取り、一般的な回路でセンサの動作を設定します（図3）。平均電源電流は10μA未満で、-50°Cから+150°Cまでの温度測定が可能です。

図3：MAX31875デジタル温度センサを使用したアプリケーション回路。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

ADIはまた、サーマルダイオードの温度を正確に測定し、それをデジタルフォーマットに変換して、従来のサーミスタや熱電対に置き換えるように設計されたICも提供しています。これらのリモートダイオードセンサは、CPU、GPU、FPGA、ASICに内蔵されているサーマルダイオードのような外部のPN接合の温度を測定します。MAX6654MEE+Tは、1つのサーマルダイオードを測定します。その他、2、3、4、8チャンネルのアプリケーションに使用できるオプションも用意されています。

リモートダイオードセンサは、適切な内部および外部フィルタリングにより、電気的ノイズの多い環境でも広く使用することができます。MAX31732ATG+Tは4チャンネル温度センサで、自身の温度と最大4つの外部ダイオード接続トランジスタの温度を監視します（図4）。

図4：ADIのMAX31732は、このアプリケーション回路のように、最大4個の外部ダイオード接続トランジスタを監視できます。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

MAX31732センサは、特別なソフトウェアやファームウェアなしで、温度閾値の設定をプログラムできます。2線式シリアルインターフェースを使用して温度を監視し、温度閾値を変更することができます。

まとめ

最適な温度センサを見つけることで、アプリケーションの性能、信頼性、コスト効率を向上させることができます。選択には、業界特有の要件や規格、コストと性能のトレードオフなど、さまざまな要因が影響します。ADIのデジタル温度センサの製品ラインアップは、幅広いアプリケーションのニーズを満たすソリューションを提供します。