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温度の監視と保護機能に関する e-Book(PDF)

40 年以上にわたりお客様の温度監視と保護設計を最適化するお手伝いをしてきた経験から、TI は、センサ固有の配置や配線上の検討事項に関わる 6 つの独自のアプリケーション課題を設定しました。温度の監視と保護機能に関する e-Book(PDF)では、実際のアプリケーションで 温度センシングに関する設計の基礎を学べます。アプリケーション・ノートやリファレンス・デザインをご覧いただければ、最適な温度応答に必要なセンサ選択プロセスと検討事項について、サポートと深い認識を得ることができます。 

トピックは以下のとおりです。

  • 温度センシングの基礎
  • システム温度の監視
  • 周囲温度の監視
  • 温度スレッショルド検出
  • 温度補償とキャリブレーション
  • 体温の監視
  • 流体温度の監視

システム温度の監視

多くのシステム設計にとって、システムとユーザーの安全を確保するために、高出力のコンポーネント(プロセッサ、FPGA、FET など)の監視が必要です。温度の測定値が正確であれば、性能を安全上の限界まで押し上げることができたり、他の箇所への過度な設計を避けることでシステムにかかるコストを削減できたりすることから、計測温度の精度が重要になります。高精度でコンパクトな TI の温度センサの幅広い製品ラインアップを利用すれば、こうした重要なコンポーネントに対して最適な距離にセンサを配置し、最高の精度で値を測定することができます。

システム温度の監視に関するリソース

タイトル
種類
ボードの温度を監視する方法
FET などの一部のコンポーネントは、PCB 上で、システムの信頼性と全体的な効率を向上させるために温度監視を必要とします。このアプリケーション・ノートでは、このようなシステム監視設計の課題に対するレイアウトとセンサの選択について詳細に説明します。
アプリケーション・ノート
高性能プロセッサのダイ温度の監視
FPGA やプロセッサの性能は、ダイ温度監視により大幅に向上できます。このようなシステム温度監視は、リモート BJT 監視またはローカル温度監視によって実行できます。
アプリケーション・ノート
Temperature sensors: PCB guidelines for surface mount devices(英語)
このアプリケーション・ノートでは、測定対象の温度ポイントの精度を向上させる方法について説明します。このレポートでは、部品の温度測定を最適化するために温度センサを取り付ける際のレイアウト手法、デバイスの向き、およびベスト・プラクティスについて詳細に説明しています。
アプリケーション・ノート
温度センス機能搭載光学センス・バックライトのリファレンス・デザイン
LCD ディスプレイ全般は温度に敏感です。このリファレンス・デザインは、リモート温度センサを使用した LCD 温度監視を示します。システム温度監視では、温度スレッショルドのクロスオーバーが検出されると、システムを保護するためにサーマル・シャットダウンが開始されます。
リファレンス・デザイン
LED ヘッドライト向け車載マルチチャネル温度センシングのリファレンス・デザイン
この車載用ヘッドライト・リファレンス・デザインは、マトリクス LED ストリングに対する温度監視を示します。この設計では、負の温度係数(NTC)サーミスタではなく、マイコンで使用される部品、物理ワイヤ、ピンの数を大幅に削減するリモート温度センサを使用した場合の実例を示します。
リファレンス・デザイン

システム温度監視用の主な温度センサ

TMP451

システム全体でディスクリート BJT(バイポーラ・トランジスタ)を監視する機能、またはプロセッサ内の基板のサブストレート・サーマル・トランジスタ / ダイオードを監視する機能を使用したローカルおよびリモートの温度測定(±1℃)

TMP1075

最大で 1/4 の電力を実現する工業標準 LM75 / TMP75 I2C 温度センサに対する高精度(±2℃)アップグレード

TMP103

小型フォーム・ファクタ 0.76mm x 0.76mm パッケージでの I2C または SMBus による通信に対応したコスト効率に優れたデジタル温度センサ(±3℃)

TMP235

既存の ADC と組み合わせることができる、コスト効率に優れたアナログ温度センサ(±4℃)

周囲温度の監視

周囲気温の監視は、環境条件を制御したり、安全動作条件を確保するうえで、多くのアプリケーションにとって重要な事項となります。センサが十分に外部環境に露出しなかったり、システムの他のコンポーネントから自己発熱の影響を受けたりする場合があることから、多くの場合、周囲温度の正確かつ迅速な測定には困難を伴います。TI は高精度、低消費電力のシングル/マルチチャネル温度センサ・ファミリをコンパクトなパッケージで提供します。このファミリを利用すれば、迅速な熱応答が得られます。

周囲温度の監視に関するリソース

タイトル
種類
高精度の周囲温度測定に関するレイアウトの検討事項
周囲温度の測定には、温度センサのレイアウトとパッケージに関する特定の考慮事項が必要です。設計時の注意深い検討事項なしでは、動作環境における周囲温度の精度に誤差が生じる可能性があります。
アプリケーション・ノート
周囲温度検出向け、スマート・サーモスタットの局所化された熱補償のリファレンス・デザイン
サーモスタット付近の局所的な熱発生は、環気プレナム(エアコンに帰る空気の通路)付近で周囲温度のセンシングに誤差が生じる主な原因です。この現象は最終的に、冷暖房機器の過剰な運転と利用料金の増加につながります。このリファレンス・デザインでは、低コストで高精度のアナログ温度センサを使用して、このサーモスタット設計の課題に対処し、実際の周囲温度値を評価します。 
リファレンス・デザイン

周囲温度監視用の主な温度センサ

TMP112

NIST トレース可能なデジタル温度センサでは、高精度(±0.5℃)と低消費電力を組み合わせています。I2C、SMBus、または 2 線式通信を使用

LMT01

使いやすいパルス数電流ループ・インターフェイスを搭載した高精度(±0.5℃)の 2 ピン温度センサ。TO-92 パッケージで利用可能なため、オフボード温度測定が可能

TMP103

小型フォーム・ファクタ 0.76mm x 0.76mm パッケージでの I2C または SMBus による通信に対応したコスト効率に優れたデジタル温度センサ(±3℃)

TMP235

既存の ADC と組み合わせることができる、コスト効率に優れたアナログ温度センサ(±4℃)

温度スレッショルド検出

一部のアプリケーションには、継続的な温度データの収集は不要であるものの、温度スレッショルドを超えた状態、または下回った状態を維持することがシステム上重要であるものがあります。TI の温度スイッチおよびデジタル温度センサ・ファミリは、シンプルで自律的な温度監視を実現し、ヒステリシスを設けて温度がその制限値を横切るタイミングを検出します。外部抵抗、ピンによるプログラミング、工場でのプログラミング、または I2C によりスレッショルド・トリップ・ポイントを設定できるさまざまなデバイスを活用して、簡単に設計を行うことができます。

温度スレッショルド検出に関するリソース

タイトル
種類
熱による損傷から制御システムを保護する方法
自律的な温度保護により、制御システムの信頼性を向上させることができます。制御ループへのアラートを有効にすることにより、スレッショルド検出はシステムの堅牢性を向上させるだけでなく、統合によりシステム・サイズを節約することもできます。
アプリケーション・ノート
Basic fan controller with over-temperature detection(英語)
過熱状態に対する過熱検出温度スレッショルド検出機能は、熱の状態に対してファンを制御するためにパーソナル・エレクトロニクス、産業用 PC 、およびパワー・ディストリビューション・ユニットに搭載されています。このリファレンス・デザインは、基本的なファン制御に必要な部品数を最適化するスレッショルド検出用の小型内蔵温度スイッチについて示しています。
リファレンス・デザイン
高精度電圧 / 電流 / 電力制限機能付きの 60W、24V 高効率産業用電源
60W、産業用 AC/DC 電源は、プロセス制御、ファクトリ・オートメーション、機械制御などの産業用および計測システムで使用するように設計されています。このリファレンス・デザインは、電圧用のオプトカプラ・フィードバックと定電流レギュレーション用の 1 次側レギュレーション(PSR )を実装した疑似共振(QR)フライバック・コンバータです。ピン選択可能な温度スイッチを使用すると、スレッショルド検出のためにトリップ・ポイントを選択し、電源を保護できます。
リファレンス・デザイン
Low-power battery temperature monitoring(英語)
バッテリの充電は温度に直接依存しているため、充電効率が最も高い温度範囲を指定します。指定された温度範囲外で充電すると、安全上のリスクが生じます。温度が過度に高い場合や低い場合に充電を防止するために、充電回路を無効にするために温度センサと対応する回路が必要です。温度スイッチを使用すると、工場でプログラムされたトリップ・ポイントに基づく過熱または低温状態が検出されます。このローカル温度スレッショルド信号は、充電回路を無効にして、バッテリ・システムを保護するために使用されます。
アプリケーション・ノート

温度スレッショルド検出用の主な温度センサ

TMP302

MCU またはプロセッサを活用したシステムで最大の柔軟性を実現するために、ピン選択可能なスレッショルドのトリップ・ポイントを提供する温度スイッチ

TMP390

外部システム部品を最小限に抑える、温度が工場出荷時にプログラミング済みのウィンドウ・コンパレータを搭載した温度スイッチ

TMP708

MCU やプロセッサを使用できないシステムで最大限の柔軟性を実現するために、抵抗で構成可能なスレッショルド・トリップ・ポイントを提供する温度スイッチ

温度補償とキャリブレーション

温度ドリフトが生じると、あらゆるシステムにおいて温度変化の補正が必要になります。温度は、受動部品(抵抗やコンデンサなど)から能動部品(アンプ、データ・コンバータ、基準電圧源、クロックなど)に至るまであらゆるものに影響します。光学コンポーネントでさえ温度ドリフトの影響を受け、強度、スペクトル・シフト、感度やノイズが変化します。線形性が高く、高精度な TI の温度センサは、精度の高いシステムに基づいて設計者に温度帰還を提供し、温度の影響を補正します。

温度補償およびキャリブレーションに関するリソース&

タイトル
種類
温度監視システムのキャリブレーション方法
温度センサは、製造プロセスのばらつき以外にも、さまざまな環境要因の影響を受けます。このような要因として、熱ストレス(熱応力)、機械的ストレス、放射線、湿度、保管時の経年変化、デバイスを最終システム内に実装した後に精度や信頼性などのデバイス固有の特性に影響を及ぼす可能性のある輸送やアセンブリ(組み立て)を挙げることができます。明確なシステムの精度を実現するには、環境要因とシステムの電気的要因の両方に対するシステム・キャリブレーションが必要です。
アプリケーション・ノート
Replacing RTDs with digital temperature sensors in high accuracy sensing and compensation systems(英語) 
温度補償アプリケーションには、超高精度が必要です。抵抗性温度ディテクタ(RTD)は、広い温度範囲にわたって高直線性を実現します。3 線式または 4 線式の RTD 回路には、多くの場合、複雑な設計とキャリブレーションが必要です。±0.1℃ の精度を持つデジタル温度センサは、キャリブレーション要件なしで高い精度と直線性を実現します。このアプリケーション・レポートでは、シリコン・ベースの温度センサを使用した RTD の置き換えに関する設計上の考慮事項の概要を示します。
アプリケーション・ノート
Automotive high-temperature sensor (HTS) reference design(英語)
のリファレンス・デザインは、熱電対アナログ・フロント・エンドを示します。このデザインが採用している保護方針により、結合型の過渡からアナログ・フロント・エンドを保護できます。±1℃ 未満の高精度デジタル温度センサは、冷接点補償回路の補償に役立つ基準として使用されます。<
リファレンス・デザイン
プログラマブル・ロジック・コントローラ用の温度センサ・インターフェイス・モジュール)
このリファレンス・ガイドでは、産業用アプリケーションの温度測定に適した高精度で堅牢な設計を実現するために必要な、センサ・シグナル・コンディショニング、熱電対冷接点補償、RTD 向けレシオメトリック測定テクニック、推奨ソフトウェア・フロー、センサ・リニアライゼーション、センサ診断、過渡保護、PCB レイアウト、およびその他の設計上の実際的な考慮事項に関する詳細な評価を提供しています。 温度センサ・インターフェイス・モジュールは、小型センサ信号測定に欠かせない絶縁性能の高い設計です。また、この設計は、過酷でノイズの多い産業環境で信頼性の高い性能を実現するために必要な IEC61000-4 にも準拠しています。
リファレンス・デザイン
温度センサで使用する冷接点補償(CJC)向け RTD 代替回路
熱電対を使用する温度センシング・アプリケーションでは、高精度を実現するために正確なローカル温度センサが必要です。このリファレンス・デザインは、冷接点補償(CJC)、または超低消費電力の熱電対アナログ・フロント・エンドを搭載する際の設計上の課題を解決するソリューションを提供します。高精度の 4~20mA センサについて、消費電力と精度の点から性能が最適化され、同時に各種の CJC および TC フロントエンド実装の性能が示されています。
リファレンス・デザイン

温度補償およびキャリブレーション用の主な温度センサ

TMP117

NIST トレース可能なシングルチップ・デジタル温度センサにより、高精度(±0.1℃)、キャリブレーションなしで Class AA RTD の交換が可能

LMT70

超小型 0.88mm × 0.88mm アナログ温度センサにより、ADC を使用したシステムで高精度(±0.2℃)を実現

TMP112

NIST トレース可能なデジタル温度センサでは、高精度(±0.5℃)と低消費電力を組み合わせています。I2C、SMBus、または 2 線式通信を使用

TMP235

既存の ADC と組み合わせることができる、コスト効率に優れたアナログ温度センサ(±4℃)

体温の監視

人体の温度に習熟することは、患者の医療診断における最初の手順として重要であり、スポーツ選手の重要な関心事です。超高精度へのニーズにとどまらず、業界のトレンドは、継続的な温度監視を提供するコンパクトでウェアラブルなフォーム・ファクタに遷移しています。誤差が最大 0.1℃ の精度を誇る温度センサは、医療用温度計を対象とする ASTM E1112 の要件を満たしているほか、バッテリで動作するウェアラブルをコンパクトかつ使い心地よく保つように最適化されています。

体温の監視に関するリソース

タイトル
種類
Enabling research in wireless patient monitoring with the University of California(英語)
テキサス・インスツルメンツとカリフォルニア大学は、超高精度のデジタル温度センサを使用して医療用温度監視を進める価値について説明しています。&
ビデオ
Layout considerations for wearable temperature sensing(英語)
高精度体温測定では、システムの精度を損なうことなく熱応答時間を改善するために、設計上の注意が必要です。センサの配置、フレキシブルな PCB、およびコネクティビティは、体温測定を可能にするためのいくつかの機能です。
アプリケーション・ノート
Bluetooth 対応、高精度の体表温度測定向け、フレキシブル PCB パッチ
米国試験材料協会(ASTM)では、患者の体温監視を最適化するためのシステムで ±0.1℃ の精度を必要とします。モノのインターネットの拡張により、ワイヤレス・テクノロジーを使用したデータの集約が可能になりました。このようなワイヤレス・テクノロジーを使用した温度パッチの設計では、フレキシブルな PCB 設計、センサの配置、および配線を慎重に検討する必要があります。このリファレンス・デザインでは、ワイヤレス・テクノロジーを使用してバッテリ寿命を延長すると同時に、これらの設計を紹介しています。
リファレンス・デザイン

体温監視用の主な温度センサ

TMP117

NIST トレース可能、ASTM E1112 および ISO 80601 準拠、高精度(±0.1℃)のデジタル温度センサ、I2C または SMBus のいずれかでの転送機能付き

LMT70

超小型 0.88mm × 0.88mm アナログ温度センサにより、ADC を使用したシステムで高精度(±0.2℃)を実現

流体温度の監視

計測や産業用プロセスでは多くの場合、流体の温度を直接測定したり、温度データを使用して補正を行い容積流量をより正確に計算したりする必要があります。これらのアプリケーションでは、センサを小さくして流れの抵抗を減らすだけでなく、可燃性の流体の場合にはセンサの消費電力を低減する必要もあります。TI は、Class AA RTD と同等の精度を誇る、低消費電力(わずか 6.3µW)のアナログ/デジタル・ソリューションを提供します。

流体温度の監視に関するリソース

タイトル
種類
デジタル温度センサの使用による暖房メーター内の RTD の置き換え
水温を測定するヒート・メータには、超高精度が必要です。抵抗温度検出器(RTD)は広い温度範囲にわたって高い直線性を提供しますが、これらのセンサは精度で再現性を実現するために較正と補償が必要です。±0.1℃ の精度を持つデジタル温度センサは、キャリブレーション不要で高い精度と直線性を実現します。このアプリケーション・レポートでは、シリコン・ベースの温度センサを使用した RTD の置き換えに関する設計上の考慮事項の概要を示します。
アプリケーション・ノート
白金 RTD センサの代替となるデジタル温度センサ
ヒート・メーター温度プローブには、超高精度が必要です。このリファレンス・デザインでは、Class-AA 抵抗温度検出器(RTD)と同等の精度を持つデジタル温度センサを使用します。 
リファレンス・デザイン
リファレンス・デザイン

流体温度監視用の主な温度センサ

TMP117

NIST トレース可能、高精度(±0.1℃)のデジタル温度センサ、I2C または SMBus のいずれかでの転送機能付き。

TMP112

NIST トレース可能なデジタル温度センサでは、高精度(±0.5℃)と低消費電力を組み合わせています。I2C、SMBus、または 2 線式通信を使用

LMT01

使いやすいパルス数電流ループ・インターフェイスを搭載した高精度(±0.5℃)の 2 ピン温度センサ。TO-92 パッケージで利用可能なため、オフボード温度測定が可能