Перейти к содержанию

MCP9700 и MCP9701 — аналоговые датчики температуры с питанием от 2,3 В

MCP9700 — датчик температуры Microchip с аналоговым выходом: 500 мВ при 0 °C и 10 мВ на градус, питание от 2,3 до 5,5 В, ток 6 мкА. Он измеряет от −40 °C без отрицательного источника питания и подключается прямо ко входу АЦП. Разбираем по даташиту исполнения MCP9700, MCP9700A, MCP9700B и MCP9701 с их точностью, выводы трёх корпусов, пересчёт кода АЦП в градусы, самонагрев, питание от вывода микроконтроллера и чем MCP9700 отличается от LM35 и TMP235.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

MCP9700 — датчик температуры в корпусе транзистора: внутри диод, напряжение которого зависит от температуры, и усилитель, приводящий это напряжение к удобной шкале. Microchip называет семейство «Linear Active Thermistor» — линейный активный термистор: в отличие от термистора NTC ему не нужен делитель и пересчёт по таблице, выход сразу подают на вход АЦП. Шкала — 500 мВ при 0 °C и 10 мВ на градус, поэтому напряжение положительно и при отрицательных температурах — в отличие от LM35, у которого 0 мВ при 0 °C. По шкале MCP9700 совпадает с TI TMP235 и, по данным статьи о датчиках температуры, с TMP36. Обзор всех типов датчиков — в статье «Датчики температуры».

Коротко

  • Шкала — MCP9700/A/B: 500 мВ при 0 °C, 10,0 мВ/°C; MCP9701/A: 400 мВ при 0 °C, 19,5 мВ/°C.
  • Питание — 2,3–5,5 В (MCP9700), 3,1–5,5 В (MCP9701), предел 6,0 В; ток 6 мкА тип., 12 мкА макс.
  • Диапазон — −40…+125 °C; исполнения H MCP9700 и MCP9700B — до +150 °C; MCP9701 нормирован при −10…+125 °C.
  • Точность при 0…70 °C — ±4 °C (MCP9700), ±2 °C (MCP9700A, MCP9701A); MCP9700B — ±1 °C при +20…+70 °C.
  • Выход — до 100 мкА, ёмкость нагрузки до 1000 пФ, выходное сопротивление 20 Ом тип.
  • Корпуса — TO-92-3, SOT-23-3, SC70-5; отклик на 63 % скачка температуры — 1,3–1,65 с.

Выводы

MCP9700 в корпусе TO-92, плоская грань: 1 VDD, 2 VOUT, 3 GNDTO-92, плоская грань9700E1VDD2VOUT3GND
MCP9700 в корпусе TO-92, плоская грань к себе, выводы вниз: 1 — питание VDD, 2 — выход VOUT, 3 — общий GND (рисунок Package Types на с. 2 даташита)
ФункцияTO-92-3SOT-23-3SC70-5
VDD — питание114
VOUT — выход223
GND — общий332
NC — не подключён к кристаллу——1, 5

У SOT-23 вывод 3 (GND) — одиночный с одной стороны корпуса, выводы 1 (VDD) и 2 (VOUT) — с другой. Выводы NC корпуса SC70 с кристаллом не соединены; по разд. 3.4 их можно припаять к дорожке, идущей от источника тепла, чтобы улучшить тепловой контакт с тем, что измеряют. Чертежи корпусов — на страницах TO-92, SOT-23-3 и SC70-5.

Обозначение заказа: MCP9700AT-E/TT — исполнение (A), катушка (T), диапазон (E — −40…+125 °C, H — −40…+150 °C), корпус (LT — SC70-5, TO — TO-92, TT — SOT-23). Суффикс VAO — автомобильная квалификация. На маленьких корпусах печатают только код:

Код на SOT-23Код на SC70Микросхема
AEAUMCP9700, диапазон E
AFAXMCP9700A
AGBCMCP9700, диапазон H
KBKAMCP9700B, диапазон E
KCBOMCP9700B, диапазон H
AMAVMCP9701
APAYMCP9701A

За двумя буквами кода следуют две цифры — код прослеживаемости. На корпусе TO-92 полное имя печатается в несколько строк, например «MCP 9700E TO».

Исполнения и точность

Точность нормирована относительно линейной передаточной функции (уравнение 4-1) и проверяется при VDD = 3,3 В (MCP9700/A/B) и 5,0 В (MCP9701/A) с нагрузкой 1000 пФ.

Исполнение0…+70 °CВесь диапазонПитаниеШкала
MCP9700±4 °C−4…+6 °C при −40…+125 °C2,3–5,5 В500 мВ, 10,0 мВ/°C
MCP9700A±2 °C−2…+4 °C при −40…+125 °C2,3–5,5 В500 мВ, 10,0 мВ/°C
MCP9700B±1 °C при +20…+70 °C−2…+3 °C при 0…+125 °C; −2…+4 °C при −40…+125 °C2,3–5,5 В500 мВ, 10,0 мВ/°C
MCP9701±4 °C−4…+6 °C при −10…+125 °C3,1–5,5 В400 мВ, 19,5 мВ/°C
MCP9701A±2 °C−2…+4 °C при −10…+125 °C3,1–5,5 В400 мВ, 19,5 мВ/°C

В исполнении H (до +150 °C, только SOT-23 и SC70) погрешность MCP9700 — от −4 до +6 °C, MCP9700B — ±4 °C при −40…+150 °C, ток — до 15 мкА при 150 °C. Допуски несимметричны: вверх показания могут уйти дальше, чем вниз, — например, −4…+6 °C у MCP9700. Типичная нелинейность — ±0,5 °C при 0…70 °C, влияние питания — 0,1 °C/В.

MCP9701 выбирают ради большего наклона: 19,5 мВ/°C вдвое лучше используют диапазон АЦП с опорой 5 В. По Microchip, 10 мВ/°C дают 1 °C на шаг 8-битного АЦП с опорой 2,5 В, а 19,5 мВ/°C — с опорой 5 В; 12-битный АЦП с опорой 4,096 В даёт MCP9700 0,1 °C на шаг.

Пересчёт кода АЦП

Передаточная функция — уравнение 4-1 даташита:

VOUT=TC⋅TA+V0 ∘C,TA=VOUT−500 мВ10 мВ/∘C.V_\text{OUT} = T_\text{C} \cdot T_\text{A} + V_{0\,^\circ\text{C}}, \qquad T_\text{A} = \frac{V_\text{OUT} - 500\ \text{мВ}}{10\ \text{мВ}/^\circ\text{C}}.

Выход MCP9700 в рабочем диапазоне −40…+125 °C — от 0,1 до 1,75 В, MCP9701 при −10…+125 °C — от 0,2 до 3 В (разд. 3.2).

Наш расчёт: Arduino Uno, 10-битный АЦП, опора — питание 5 В. Шаг АЦП — 5 / 1024 = 4,88 мВ, это 0,49 °C. Код 154 соответствует 154 · 4,88 = 752 мВ, то есть (752 − 500) / 10 = 25,2 °C. Формула в программе:

T=N⋅5000/1024−50010 [∘C],T = \frac{N \cdot 5000 / 1024 - 500}{10}\ [^\circ\text{C}],

где N — код АЦП. При питании платы от USB опора бывает не точно 5 В: ошибка опоры 1 % при 750 мВ даёт 7,5 мВ, или 0,75 °C. Точнее работать с отдельным опорным напряжением или измерять фактическое напряжение питания. Выход MCP9700 не поднимается выше 1,75 В, поэтому, по нашей оценке, опора 2,048 или 2,5 В использует диапазон АЦП лучше; что такое шаг кода — в статье о младшем разряде, полный учёт ошибок — в калькуляторе «Бюджет погрешности АЦП».

Калибровка. Microchip: калибровка в одной точке при +25 °C уменьшает ошибку в диапазоне 0…70 °C до ±0,5 °C (типично), так как остаётся в основном нелинейность (разд. 4.1). Для ещё лучшего результата Microchip отсылает к указанию по применению AN1001 с компенсацией нелинейности по таблице.

Нагрузка, питание и разводка

Выход MCP9700 отдаёт и принимает до 100 мкА и рассчитан на ёмкостную нагрузку: в таблице характеристик указано 1000 пФ, с этой ёмкостью датчики проверяют на заводе. Microchip подчёркивает, что конденсатор на выходе не нужен для устойчивости, но уменьшает выбросы при переходных процессах, а сам выход Microchip предлагает подключать прямо ко входу АЦП микроконтроллера. Наш вывод: при выходном сопротивлении около 20 Ом конденсатор выборки АЦП заряжается быстро, датчик можно вынести на проводе от микроконтроллера, а у входа АЦП поставить керамику до 1000 пФ.

По питанию Microchip рекомендует керамический конденсатор 0,1–1 мкФ как можно ближе к выводам VDD и GND, а в шумной обстановке — питать датчик через резистор 200 Ом с конденсатором 1 мкФ и не вести рядом цифровые линии (разд. 4.3). Наш расчёт: на 200 Ом при токе 12 мкА падает 2,4 мВ, частота среза RC-фильтра — 1 / (2π · 200 Ом · 1 мкФ) ≈ 800 Гц.

Питание от вывода микроконтроллера. Ток 6 мкА позволяет включать датчик выводом микроконтроллера только на время измерения (разд. 4.2). Время включения tON — 800 мкс типично; помехи от цифровой части микроконтроллера Microchip рекомендует отфильтровать последовательным резистором и конденсатором. Наш расчёт: пусть датчик питается от вывода 3,3 В через фильтр 200 Ом и 1 мкФ и включается раз в секунду на 2 мс. Сам датчик потребляет в среднем 12 мкА · 0,002 = 24 нА. Но при каждом включении вывод заново заряжает конденсатор фильтра: 1 мкФ · 3,3 В = 3,3 мкКл, то есть 3,3 мкА в среднем при одном измерении в секунду. Значит, средний ток определяет конденсатор, а не датчик; с конденсатором 0,1 мкФ он в десять раз меньше — 0,33 мкА. Постоянная времени фильтра 200 Ом · 1 мкФ = 0,2 мс, поэтому после включения выжидайте не меньше tON = 800 мкс плюс около 1 мс на зарядку конденсатора (пять постоянных времени) — в сумме около 2 мс.

Самонагрев и что измеряет датчик

Мощность, выделяемая в датчике, нагревает кристалл — это самонагрев. Уравнение 4-2 даташита:

TJ−TA=θJA⋅(VDD⋅IDD+(VDD−VOUT)⋅IOUT).T_\text{J} - T_\text{A} = \theta_\text{JA} \cdot \left(V_\text{DD} \cdot I_\text{DD} + (V_\text{DD} - V_\text{OUT}) \cdot I_\text{OUT}\right).

Пример Microchip: 25 °C (VOUT = 0,75 В), IDD = 12 мкА, VDD = 5,5 В, IOUT = 100 мкА, θJA = 331 °C/Вт (SC70) — самонагрев 0,179 °C. Наш расчёт для обычного включения без нагрузки на выходе при 3,3 В: 3,3 В · 12 мкА = 40 мкВт, в корпусе SC70 это 0,013 °C — пренебрежимо мало. Тепловое сопротивление корпусов: SC70 — 331, SOT-23 — 308, TO-92 — 146 °C/Вт.

Важнее другое: датчик в пластмассовом корпусе меряет температуру платы, к которой припаян, — кристалл связан с медью через выводы, а пластик для воздуха служит теплоизолятором (разд. 4.4). Чтобы мерить воздух, Microchip советует корпус TO-92. Время, за которое показания проходят 63 % скачка температуры, — 1,3 с у SC70 на плате 1 × 1 дюйм и 1,65 с у TO-92 без платы (переход из воздуха 30 °C в жидкостную ванну 125 °C). Наш вывод: на воздухе отклик будет заметно медленнее, чем в жидкости, а датчик на плате рядом с регулятором напряжения или процессором покажет их нагрев, а не температуру в комнате.

MCP9700, TMP235 и LM35

Значения TMP235 и LM35 — по даташитам TI SBOS857E и SNIS159H; подробнее о LM35 — в его карточке.

MCP9700TMP235LM35
Питание2,3–5,5 В2,3–5,5 В4–30 В
Выход при 0 °C500 мВ500 мВ0 мВ
Наклон10,0 мВ/°C10 мВ/°C10 мВ/°C
Ниже 0 °C от одного питанияда, до −40 °Cда, до −40 °Cнет, базовая схема — от +2 °C
Точность при 0…70 °C±4 °C; MCP9700A ±2 °C; MCP9700B ±1 °C при +20…+70 °C±1 °C (SC70) и ±1,2 °C (SOT-23) у A2; ±2 °C у A4LM35A: ±0,5 °C при 25 °C
Ток потребления6 мкА тип., 12 мкА макс.9 мкА тип., до 14,5 мкАLM35A: 56 мкА тип., 67 мкА макс. при 5 В и 25 °C
Ток выходадо 100 мкАдо 500 мкА—
Ёмкость нагрузкидо 1000 пФдо 1000 пФ50 пФ без мер предосторожности
КорпусаTO-92, SOT-23-3, SC70-5SOT-23-3, SC70-5TO-92, TO-CAN, SOIC-8, TO-220

Выводы TMP235 в корпусах SOT-23 и SC70 совпадают с MCP9700 по функциям (SOT-23: 1 VDD, 2 VOUT, 3 GND; SC70: 2 GND, 3 VOUT, 4 VDD). Наш вывод: на плате с микроконтроллером на 3,3 В MCP9700A — самый дешёвый способ измерить температуру с точностью около 2 °C; когда нужно ±1 °C без калибровки — MCP9700B при +20…+70 °C или TMP235A2; когда нужна точность до десятых градуса — цифровые TMP117 или MCP9808. LM35 оправдан при питании выше 5,5 В. Параметры TMP36 приведены в статье «Датчики температуры»; при замене TMP36 на MCP9700 формула пересчёта не меняется, а расположение выводов сверяйте по даташиту ADI.

Расхождения в документации

  • Диапазон MCP9701. В возможностях на с. 1 и в системе обозначений (E = −40…+125 °C) диапазон для всех исполнений один, а таблицы характеристик и температурных диапазонов нормируют MCP9701 и MCP9701A только при −10…+125 °C.
  • Номер уравнения. Примечание 3 к таблице характеристик и разд. 4.1 называют линейную передаточную функцию «уравнением 4-2», но 4-2 — это формула самонагрева, а передаточная функция — уравнение 4-1.
  • Точность после калибровки. Общее описание обещает при измерении относительно +25 °C ±1 °C (типично) в диапазоне 0…70 °C, разд. 4.1 — ±0,5 °C (типично) в том же диапазоне.
  • Выход при +150 °C. Разд. 3.2 даёт для MCP9700 диапазон выхода 0,1–1,75 В, то есть до +125 °C; у исполнений H до +150 °C выход по уравнению 4-1 доходит до 2,0 В (наш расчёт).
  • Маркировка. У MCP9700T-H/TTVAO код на корпусе — AENN, такой же, как у MCP9700T-E/TT, тогда как у MCP9700T-H/TT — AGNN; у всех остальных пар «обычное — VAO» коды совпадают внутри одного диапазона, поэтому AENN здесь похож на опечатку.
  • Ёмкость нагрузки. Строка называется «Typical Load Capacitance», но 1000 пФ стоит в столбце максимума.
  • История ревизий. Ревизия B датирована октябрём 2005 года, а ревизия A — ноябрём 2005 года, то есть первая редакция позже второй.

Аналоги и замены

Каждая пара сверена по даташитам обоих производителей: выводы, корпус, предельные напряжения и токи. Значения — из документов, указанных под таблицей; столбец «У замены» показывает, лучше или хуже параметр у замены.

MCP9700 → TMP235 (Texas Instruments)

Совместим по выводам — тот же корпус и выводы, но часть параметров отличается — схему нужно проверить. Сравнение в корпусе SOT-23-3, SC70-5.

TMP235 повторяет MCP9700 по выводам и шкале 10 мВ/°C со смещением 500 мВ и точнее его; ставится на те же площадки SOT-23 и SC70 без изменения прошивки.

ПараметрMCP9700TMP235У замены
Выводы SOT-23-31 VDD, 2 VOUT, 3 GND1 VDD, 2 VOUT, 3 GNDтак же
Выводы SC70-51 NC, 2 GND, 3 VOUT, 4 VDD, 5 NC1 NC, 2 GND, 3 VOUT, 4 VDD, 5 NCтак же
КорпусаSOT-23-3, SC70-5 (и TO-92-3)SOT-23-3, SC70-5так же
Напряжение питания, рабочее / предельное2,3–5,5 В / 6,0 В2,3–5,5 В / 6 Втак же
Выход при 0 °C и наклон500 мВ, 10,0 мВ/°C500 мВ, 10 мВ/°Cтак же
Ток потребления, тип. / макс. во всём диапазоне6 / 12 мкА9 / 14,5 мкАхуже
Выходной ток, макс.100 мкА500 мкАлучше
Погрешность при 0…70 °C (MCP9700 и TMP235A4)−4…+4 °C−2…+2 °Cлучше

Что проверить при замене

  • TMP235 потребляет больше: до 14,5 мкА против 12 мкА у MCP9700 — для батарейных устройств с постоянно включённым датчиком это учитывают.
  • У TMP235 нет корпуса TO-92: на плате под MCP9700 в TO-92 замены нет.
  • Передаточная функция одинакова (500 мВ при 0 °C, 10 мВ/°C), поэтому прошивку пересчитывать не нужно.

Источники: Microchip. MCP970X Low-Power Linear Active Thermistor ICs (DS20001942L, February 2024) — с. 2 (Package Types), с. 3 (Absolute Maximum Ratings, DC Electrical Characteristics: VDD, IDD, точность), с. 4 (V0°C, TC, IOUT); Texas Instruments. TMP23x Low-Power, High-Accuracy Analog Output Temperature Sensors (SBOS857E, revised May 2019) — Pin Functions, разд. 6.1 (предельные режимы), 6.3 (рабочие условия), 6.5 (ток потребления, точность A4, V0°C, наклон, выходной ток).

Частые вопросы

Как перевести напряжение MCP9700 в градусы?

По уравнению 4-1 даташита: VOUT = TC · TA + V0°C, где у MCP9700 V0°C = 500 мВ и TC = 10,0 мВ/°C. Отсюда TA = (VOUT − 500 мВ) / 10 мВ/°C: 750 мВ — это 25 °C, 300 мВ — минус 20 °C. У MCP9701 V0°C = 400 мВ и TC = 19,5 мВ/°C, поэтому TA = (VOUT − 400 мВ) / 19,5 мВ/°C.

Чем отличаются MCP9700, MCP9700A и MCP9700B?

Только точностью. При 0…70 °C MCP9700 гарантирует ±4 °C, MCP9700A — ±2 °C; MCP9700B — ±1 °C при +20…+70 °C и от −2 до +3 °C при 0…125 °C. Шкала у всех одна: 500 мВ при 0 °C и 10 мВ/°C. MCP9700B не выпускается в корпусе TO-92.

Можно ли мерить отрицательные температуры MCP9700 от одного питания?

Да. Благодаря сдвигу 500 мВ выход положителен во всём диапазоне: при −40 °C на нём 100 мВ, при +125 °C — 1,75 В. LM35 в базовой схеме мерит только от +2 °C, а для отрицательных температур ему нужен отрицательный источник питания. У MCP9701 нижняя граница нормированного диапазона — −10 °C.

Какую точность ждать от MCP9700 с АЦП Arduino?

Наш расчёт: у 10-битного АЦП с опорой 5 В шаг 4,9 мВ, это 0,49 °C; с опорой 3,3 В — 3,2 мВ, или 0,32 °C. Ошибка опоры на 1 % при 750 мВ даёт 7,5 мВ — ещё 0,75 °C. Но главная погрешность — сам датчик: ±4 °C у MCP9700 и ±2 °C у MCP9700A при 0…70 °C. Калибровка в одной точке при 25 °C, по Microchip, уменьшает ошибку до ±0,5 °C (типично) в диапазоне 0…70 °C.

Источники

  1. Microchip. MCP970X Low-Power Linear Active Thermistor ICs (DS20001942L, 2005–2024, revision L, February 2024) — с. 1 — возможности (корпуса, диапазоны, точность исполнений, 10,0 и 19,5 мВ/°C, 2,3–5,5 и 3,1–5,5 В, 6 мкА) и общее описание (1 °C на шаг 8-битного АЦП, 0,1 °C на шаг 12-битного с опорой 4,096 В, ±1 °C при калибровке на 25 °C); с. 2 — расположение выводов; с. 3 — предельные режимы (VDD 6,0 В, ±30 мА, ESD 2 кВ / 200 В), таблица DC (IDD 6/12 мкА, 15 мкА при 150 °C, 0,1 °C/В, точность по исполнениям, 500 мВ), примечания 1–5; с. 4 — продолжение (400 мВ, ТКН, нелинейность ±0,5 °C, 100 мкА, 20 Ом, 2 Ом, 800 мкс, 1000 пФ, 1,3 и 1,65 с), температурные диапазоны, θJA 331, 308 и 146 °C/Вт; с. 9 — табл. 3-1 и разд. 3.2 (диапазоны выхода 0,1–1,75 и 0,2–3 В); с. 10 — уравнение 4-1, рис. 4-1, разд. 4.1 (±0,5 °C после калибровки на 25 °C); с. 11 — разд. 4.2 (питание от вывода МК), 4.3 (0,1–1 мкФ, 200 Ом и 1 мкФ), 4.4 (температура платы, TO-92 для воздуха, уравнение 4-2, 0,179 °C); с. 12 — маркировка; с. 21 — история ревизий; с. 23 — система обозначений (E, H, LT, TO, TT)
  2. Texas Instruments. TMP23x Low-Power, High-Accuracy Analog Output Temperature Sensors (SBOS857E, September 2017, revised May 2019) — для сравнения: с. 1 — 10 мВ/°C и 500 мВ при 0 °C (TMP235), 2,3–5,5 В, 9 мкА, выход до 500 мкА, нагрузка до 1000 пФ, корпуса SC70-5 и SOT-23-3; с. 3 — выводы (SOT-23: 1 VDD, 2 VOUT, 3 GND; SC70: 2 GND, 3 VOUT, 4 VDD); с. 5 — точность TMP235A2 ±1 °C (SC70) и ±1,2 °C (SOT-23) при 0…70 °C, A4 ±2 °C; IDD до 14,5 мкА
  3. Texas Instruments. LM35 Precision Centigrade Temperature Sensors (SNIS159H, August 1999, revised December 2017) — для сравнения: с. 1 — 10 мВ/°C, 0 мВ при 0 °C, питание 4–30 В, корпуса TO-CAN, TO-92, SOIC-8, TO-220; табл. характеристик LM35A — ±0,5 °C при 25 °C, ток покоя 56 мкА тип. и 67 мкА макс. при 5 В; разд. 8 — базовая схема от 2 до 150 °C, ёмкостная нагрузка до 50 пФ без мер предосторожности

Нашли ошибку?

Смотрите также