深入剖析LM19温度传感器：特性、应用与设计要点

在电子设备的设计中，温度监测是一个至关重要的环节，关乎设备的性能、稳定性和寿命。今天，我们就来深入了解一款性能出色的温度传感器——德州仪器（TI）的LM19。

文件下载：lm19.pdf

一、LM19概述

LM19是一款精密的模拟输出CMOS集成电路温度传感器，其工作温度范围为 -55°C 至 +130°C，电源工作范围为 +2.4V 至 +5.5V。它采用TO - 92封装，具有诸多令人瞩目的特性，适用于多种应用场景。

特性亮点

1. 宽温度范围：能够在 -55°C 至 +130°C 的全温度范围内稳定工作，满足各种恶劣环境下的温度监测需求。
2. 低功耗：静态电流小于 10μA，自热效应小于 0.02°C（静止空气中），无需额外的散热措施，降低了系统的功耗和设计复杂度。
3. 可预测的曲率误差：其传递函数虽主要呈线性，但具有轻微的可预测抛物线曲率，在指定抛物线传递函数时，在 +30°C 环境温度下精度可达 ±2.5°C。
4. 适用于远程应用：输出阻抗低（最大 160Ω），能够适应远程信号传输，减少信号衰减。
5. UL 认证组件：符合安全标准，可放心应用于对安全性要求较高的场合。

应用领域

LM19的应用范围十分广泛，涵盖了多个领域，如：

1. 消费电子：手机、电脑、打印机、传真机等设备的温度监测，确保设备在合适的温度下运行，提高性能和稳定性。
2. 电源管理：电源模块和电池管理系统中，实时监测温度，防止过热损坏设备。
3. 工业控制：HVAC（供暖、通风和空调）系统、磁盘驱动器、家电等工业设备的温度控制，保障设备的正常运行。

二、关键规格

精度

在 +30°C 时，精度为 ±2.5°C（最大）；在 +130°C 和 -55°C 时，精度为 ±3.5 至 ±3.8°C（最大）。这表明在不同温度条件下，LM19都能提供较为准确的温度测量结果。

电源与电流

电源电压范围为 +2.4V 至 +5.5V，电流消耗最大为 10μA，低功耗特性使得它在电池供电的设备中表现出色。

非线性度

典型非线性度为 ±0.4%，保证了输出信号与温度之间的线性关系，减少了测量误差。

输出阻抗

最大输出阻抗为 160Ω，能够有效驱动负载，确保信号的稳定传输。

三、工作原理与特性曲线

传递函数

LM19的传递函数可以用不同的方式描述，以满足不同精度和温度范围的需求。

1. 简单线性传递函数：在 25°C 附近具有较好的精度，公式为 (V_{O}=-11.89 mV /^{circ} C × T+1.8663 V)。
2. 抛物线传递函数：在 -55°C 至 +130°C 的全工作温度范围内，能提供最佳精度，公式为 (V{O}=left(-3.88 × 10^{-6} × T^{2}right)+left(-1.15 × 10^{-2} × Tright)+1.8639)。通过该公式，也可以求解温度 (T=-1481.96+sqrt{2.1962 × 10^{6}+frac{left(1.8639-V{0}right)}{3.88 × 10^{-6}}})。
3. 有限温度范围的线性传递函数：可以通过计算斜率和偏移量，在特定温度范围内获得最佳结果。斜率计算公式为 (m=-7.76 × 10^{-6} × T-0.0115)，偏移量计算公式为 (b=left(V{OP}left(T{max }right)+V{OP}(T)-m timesleft(T{max }+Tright)right) / 2)。

特性曲线

从输出电压与温度的特性曲线可以直观地看到 LM19在不同温度下的输出电压变化情况。例如，在 +130°C 时，典型输出电压为 +303 mV；在 0°C 时，输出电压为 +1863.9 mV。

四、设计与安装要点

安装方式

LM19可以像其他集成电路温度传感器一样轻松应用。它可以粘贴或固定在表面，其感应的温度与连接引脚的表面温度相差约 +0.02°C。需要注意的是，环境空气温度应与表面温度相近，否则实际测量温度会介于表面温度和空气温度之间。为确保良好的热传导，LM19芯片的背面直接连接到GND引脚。此外，也可以将其安装在密封端金属管内，用于浸入液体或拧入罐体的螺纹孔中。

热阻计算

热阻 (θ{JA}) 是计算器件结温因功耗而上升的参数。对于 LM19，结温计算公式为 (T{J}=T{A}+theta{J A}left[left(V^{+} I{Q}right)+left(V^{+}-V{O}right) I{L}right])，其中 (I{Q}) 是静态电流，(I_{L}) 是输出负载电流。为了准确测量温度，应尽量减小 LM19所需驱动的负载电流。

电容负载处理

LM19对电容负载的处理能力较好，在不采取任何措施的情况下，能够驱动小于 300 pF 的电容负载。在噪声较大的环境中，可能需要添加滤波措施。建议在 (V^{+}) 到 GND 之间添加 0.1 μF 的电容来旁路电源电压，必要时还可以在输出端与地之间添加电容和串联电阻，形成低通滤波器，且不会显著影响 LM19的整体响应时间。

五、应用电路示例

温度控制器

通过与其他器件配合，LM19可以实现温度控制功能。例如，在图 5 所示的摄氏恒温器电路中，根据设定的温度阈值，当温度超过设定值时，输出高电平报警信号。

节能设计

LM19具有低功耗特性，可通过逻辑器件输出控制其关闭，以节省功耗，如图 6 所示。

与 ADC 连接

在与采样模数转换器输入级连接时，由于大多数 CMOS ADC 的输入结构可能会对模拟输出设备造成影响，需要添加电容来满足其瞬时充电要求。图 7 给出了一种建议的连接方式。

六、总结

LM19温度传感器以其宽温度范围、低功耗、高精度等特性，成为众多电子设备温度监测的理想选择。在设计过程中，我们需要根据具体的应用场景和要求，合理选择传递函数、安装方式和处理电容负载等，以充分发挥 LM19的性能优势。同时，要注意遵循相关的安全和可靠性标准，确保设备的稳定运行。大家在实际应用中是否遇到过类似温度传感器的问题呢？欢迎在评论区分享交流。