Nhiệt độ là một trong những thông số được đo phổ biến nhất trên thế giới. Chúng được sử dụng trong các thiết bị gia dụng như lò vi sóng, tủ lạnh, máy điều hòa, v.v.. cho đến các thiết bị được sử dụng trong công nghiệp. Cảm biến nhiệt độ về cơ bản đo nóng/lạnh được tạo ra bởi một đối tượng mà nó được kết nối. Cảm biến cung cấp một giá trị điện trở, dòng điện hoặc điện áp ở đầu ra tỷ lệ với nhiệt độ cần đo, sau đó các đại lượng này được đo hoặc xử lý theo ứng dụng của chúng ta.

Cảm biến nhiệt độ về cơ bản được phân thành hai loại:

• Cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc: Các cảm biến nhiệt độ này sử dụng đối lưu và bức xạ để theo dõi nhiệt độ.
• Cảm biến nhiệt độ tiếp xúc: Cảm biến nhiệt độ tiếp xúc được chia thành ba loại:

1. Cơ điện (Cặp nhiệt điện – Thermocouple)
2. Cảm biến nhiệt độ điện trở (RTD – Resistance Temperature Detector)
3. Dựa trên chất bán dẫn (LM35, DS1820, v.v..)

Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về cảm biến nhiệt độ LM35, là một loại cảm biến tương tự dựa trên chất bán dẫn. Cảm biến nhiệt độ LM35 rất hay được sử dụng trong các ứng dụng đo nhiệt độ thời gian thực. Vì nó hoạt động khá chính xác với sai số nhỏ, đồng thời có kích thước nhỏ và giá thành rẻ.

Cảm biến nhiệt độ LM35 là gì?

LM35 là một cảm biến nhiệt độ tương tự, điện áp ở đầu ra của cảm biến tỷ lệ với nhiệt độ tức thời và có thể dễ dàng được xử lý để có được giá trị nhiệt độ bằng ^oC.

Ưu điểm của LM35 so với cặp nhiệt điện là nó không yêu cầu bất kỳ hiệu chuẩn bên ngoài nào. Lớp vỏ cũng bảo vệ nó khỏi bị quá nhiệt. Chi phí thấp và độ chính xác cao đã khiến cho loại cảm biến này trở thành một lựa chọn đối với những người yêu thích chế tạo mạch điện tử, người làm mạch tự chế và các bạn sinh viên.

Vì có nhiều ưu điểm nêu trên nên cảm biến nhiệt độ LM35 đã được sử dụng trong nhiều sản phẩm đơn giản, giá thành thấp. Đã hơn 15 năm kể từ lần ra mắt đầu tiên nhưng cảm biến này vẫn tồn tại và được sử dụng trong nhiều sản phẩm và ứng dụng đã cho thấy giá trị của loại cảm biến này.

Sơ đồ chân của cảm biến nhiệt độ LM35

Hình bên dưới cho thấy hình dạng và sơ đồ chân của cảm biến LM35.

Thông số kỹ thuật của cảm biến LM35

• Hiệu chuẩn trực tiếp theo ^oC
• Điện áp hoạt động: 4-30VDC
• Dòng điện tiêu thụ: khoảng 60uA
• Nhiệt độ thay đổi tuyến tính: 10mV/°C
• Khoảng nhiệt độ đo được: -55°C đến 150°C
• Điện áp thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ: 10mV/°C
• Độ tự gia nhiệt thấp, 0,08^oC trong không khí tĩnh
• Sai số: 0,25°C
• Trở kháng ngõ ra nhỏ, 0,2Ω với dòng tải 1mA
• Kiểu chân: TO92
• Kích thước: 4.3 × 4.3mm

Tải datasheet của LM35 tại đây.

LM35 có thể đo nhiệt độ trong phạm vi từ -55^oC đến 150^oC. Độ chính xác thực tế của cảm biến: ±1/4°C ở nhiệt độ phòng và ±3/4°C trong phạm vi nhiệt độ từ -55°C đến 150°C. Việc chuyển đổi điện áp đầu ra sang ^oC cũng dễ dàng và trực tiếp.

Trở kháng đầu ra nhỏ, đầu ra tuyến tính và hiệu chuẩn chính xác là những đặc tính vốn có của LM35, giúp tạo giao tiếp để đọc hoặc điều khiển mạch rất dễ dàng.

Điện áp cung cấp cho cảm biến LM35 hoạt động có thể từ +4 V đến 30 V. Nó tiêu thụ dòng điện khoảng 60μA. LM35 có nhiều họ là LM35A, LM35CA, LM35D, LM135, LM135A, LM235, LM335. Tất cả các thành viên trong họ LM35 đều hoạt động theo nguyên tắc giống nhau nhưng khả năng đo nhiệt độ khác nhau và chúng cũng có nhiều kiểu chân khác nhau (SOIC, TO-220, TO-92, TO).

Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ LM35

Cảm biến LM35 hoạt động bằng cách cho ra một giá trị điện áp nhất định tại chân V_OUT (chân giữa) ứng với mỗi mức nhiệt độ. Như vậy, bằng cách đưa vào chân bên trái của cảm biến LM35 điện áp 5V, chân phải nối đất, đo hiệu điện thế ở chân giữa, bạn sẽ có được nhiệt độ (0-100ºC) tương ứng với điện áp đo được.

Vì điện áp ngõ ra của cảm biến tương đối nhỏ nên thông thường trong các mạch ứng dụng thực tế, chúng ta thường dùng Op-Amp để khuếch đại điện áp ngõ ra này.

Các dạng mạch đo nhiệt độ 

LM35 có thể được sử dụng một trong hai cấu hình mạch như hình bên dưới. Cả hai đều mang lại kết quả khác nhau.

Trong cấu hình mạch phía bên trái, cảm biến chỉ có thể đo nhiệt độ dương từ 2 ^oC đến 150 ^oC. Theo cấu hình mạch này, chúng ta chỉ cần cấp nguồn cho LM35 và kết nối đầu ra trực tiếp với bộ chuyển đổi tương tự sang số.

Trong cấu hình mạch thứ hai, chúng ta có thể đo nhiệt độ toàn dải từ -55 ^oC đến 150 ^oC. Cấu hình mạch này hơi phức tạp nhưng mang lại kết quả cao. Trong trường hợp này, chúng ta phải kết nối một điện trở bên ngoài (R1) để chuyển mức điện áp âm lên dương. Giá trị điện trở bên ngoài có thể được tính toán theo công thức ghi bên dưới cấu hình mạch.

Mặc dù cấu hình mạch đầu tiên không cần điện trở ở phía đầu ra nhưng tôi khuyên bạn nên kết nối điện trở 80 kΩ đến 100 kΩ giữa chân V_OUT và chân GND. Khi tôi thực hiện một số thí nghiệm, tôi nhận thấy rằng các số đọc bị dao động và ngõ ra V_OUT có hiện tượng thả nổi. Vì vậy, một điện trở giữa V_OUT và GND sẽ cố định chân V_OUT ở mức thấp và ngăn không cho chân này bị thả nổi.

Các thông số về độ chính xác cho cả hai cấu hình mạch là khác nhau. Mức độ chính xác trung bình là ± 1 ^oC cho cả hai cấu hình. Nhưng mức độ chính xác giảm đối với khoảng nhiệt độ từ 2 ^oC đến 25 ^oC. 

Các bước tính toán nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt độ LM35

• Thiết kế mạch.
• Cấp nguồn cho cảm biến với điện áp từ 4V đến 30V. Chân GND được nối đất.
• Kết nối chân V_OUT với đầu vào bộ chuyển đổi tương tự sang số hay vi điều khiển.
• Lấy mẫu đọc ADC để xác định điện áp đầu ra V_OUT.
• Chuyển đổi điện áp thành nhiệt độ.

Công thức chuyển đổi điện áp thành nhiệt độ

Công thức để chuyển đổi điện áp sang nhiệt độ độ C cho LM35 là:

Nhiệt độ đo được (^oC) = Điện áp được đọc bởi bộ ADC/10 mV

Tôi chia cho 10 mV vì độ nhạy của cảm biến LM35 là 10mV.

Làm theo các bước và hướng dẫn ở trên, bạn có thể dễ dàng giao tiếp cảm biến LM35 với bất kỳ bộ vi điều khiển nào có chân chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số được tích hợp sẵn. Hầu hết tất cả các bộ vi điều khiển ngày nay đều có bộ ADC tích hợp sẵn.

Ứng dụng của cảm biến nhiệt độ LM35

Cảm biến nhiệt độ LM35 phù hợp cho các ứng dụng:

• Học tập nghiên cứu
• Đo nhiệt độ của một môi trường cụ thể
• Giám sát nhiệt độ trong hệ thống HVAC
• Kiểm tra nhiệt độ pin
• Cung cấp thông tin về nhiệt độ của một linh kiện điện tử khác