Utilizarea senzorilor de temperatură în echipamentul electronic

Senzorii de temperatură sunt utilizaţi de mulţi ani în proiectarea de sisteme electronice, în aplicaţii precum: oprirea sistemului datorită unor condiţii de supraîncălzire, pentru calibrare din punct de vedere termic la precizii înalte şi pentru afişarea de informaţii privind temperatura sistemului. În ultimii ani, necesitatea unor performanţe ridicate şi sisteme din ce în ce mai compacte, a condus la adoptarea pe scară largă a senzorilor de temperatură bazaţi pe siliciu pentru numeroase aplicaţii.

Permanenta creştere a performanţelor dispozitivelor digitale, precum CPU şi ASIC, a condus la sisteme ce disipă o cantitate mare de căldură. Aceste sisteme au impus noi cerinţe de gestionare a temperaturii, ducând la dezvoltarea unei noi generaţii de senzori de temperatură de tip circuit integrat, care au menirea de a simplifica proiectarea sistemului şi interfaţarea cu alte componente. Proiectanţilor le este necesară înţelegerea diferenţelor dintre pricipalele tipuri de senzori de temperatură (CI), pentru a putea selecta optimul în cazul aplicaţiei dorite, cu scopul evident de creştere a performanţelor sistemului proiectat şi reducerea ciclului de dezvoltare.

Senzori de siliciu pentru temperatură
Senzorii de siliciu pentru determinarea temperaturii, se bazează pe variaţia predictivă a proprietăţilor materialelor semiconductoare. Pentru a fi mai exacţi, ei lucrează pe principiul determinării tensiunii pe o diodă bipolară, creată dintr-un tranzistor PNP sau NPN format pe substratul unui circuit CMOS.
Ecuaţia fundamentală a tensiunii pentru o diodă conţine doi parametri dependenţi de proces: o constantă (h) şi curentul de saturaţie (IS). Această ultimă dependenţă poate fi eliminată prin utilizarea a două surse de curent pentru a compensa variaţia curentului de saturaţie. Constanta h este aproape 1 şi variază foarte puţin pentru un proces dat. Expresia simplificată a tensiunii pe o joncţiune PN, proporţională cu temperatura este:

DVBE = (K/q) ln (N) x T

unde T este temperatura în grade Kelvin, K este constanta lui Boltzmann, N este raportul sursei de curent, iar q este sarcina unui electron. Această ecuaţie arată că diferenţa de tensiune directă este direct proporţională cu temperatura şi trei constante. Astfel, reglarea precisă a raportului celor două nivele de curent - şi nu valoarea absolută a curentului - poate permite măsurarea VBE, care este (aproape) independentă de tensiunea directă iniţială, mărimea fizică a joncţiunii, scurgere, sau alte caracteristici ale joncţiunii.

Tipuri de senzori de temperatură
Principala metodă de clasificare a senzorilor de temperatură din siliciu este în funcţie de semnalul de ieşire. Primii senzori de pe piaţă bazaţi pe siliciu au fost de tip ieşire analogică. Acum, tendinţa în creştere pentru circuitele integrate este aceea de a integra o parte semnificativă de circuite de condiţionare de semnal.

Figura 1
Astăzi, cele mai populare tipuri de senzori termici sunt cele cu ieşire tensiune analogică, semnal logic şi semnal digital (multi-bit).
Senzorii de temperatură cu ieşire tensiune (analogici) funcţionează similar cu termistoarele - oferind o tensiune de ieşire proporţională cu temperatura măsurată. Atunci când este necesară o relaţie liniară între tensiune şi temperatură, este mai bună alegerea unui senzor pe siliciu, eliminând necesitatea unui circuit extern de liniarizare şi în multe cazuri a unui amplificator operaţional cu urmărirea tensiunii de intrare (figura 1).

Figura 2
Senzorii analogici de temperatură sunt disponibili cu diferite scări de ieşire (K, °C sau °F) şi tensiuni de nul. Aceasta permite temperaturilor negative să fie monitorizate prin utilizarea unei singure surse de tensiune. Semnalul de ieşire al unui senzor analogic de temperatură se poate constitui în semnal de intrare într-un circuit comparator pentru a genera un semnal de supraîncălzire, sau poate fi introdus direct într-un convertor analog-digital (CAD) pentru afişarea în timp real a datelor de temperatură (figura 2). Senzorii de temperatură analogici sunt ideali pentru aplicaţii ce necesită cost redus, dimensiune mică şi consum mic de putere.
Un alt tip de senzor este un comutator comandat de temperatură sau dispozitiv cu ieşire logică. Semnalul de ieşire este un semnal logic, ce indică dacă temperatura este mai mare (sau mai mică) decât o limită specificată. Punctul de declanşare (limita) este fie programată din fabricaţie, fie reglată printr-o rezistenţă externă. Aceste circuite integrate oferă ieşire simplă de tip nivel logic, o construcţie uşor de proiectat şi un preţ redus. Senzorii de comutare cu temperatura, pun deseori la dispoziţie şi alte caracteristici, cum ar fi: nivel reglabil al histerezisului şi mai multe puncte de declanşare, respectiv semnale de ieşire. Aplicaţiile tipice pentru comutatoare sunt sistemele care solicită o indicaţie simplă de mai jos sau peste un nivel de temperatură limită (alarmă de temperatură), putând comanda decizia de a opri sistemul sau de a porni un dispozitiv de răcire sau încălzire (termostat).

Figura 3
Senzorii digitali de temperatură au fost dezvoltaţi pentru a răspunde necesităţii unui control mai complex, a unei precizii mai bune şi a unei rezoluţii înalte. Aceste dispozitive au fost utilizate iniţial în sistemele de calcul, dar curând s-au identificat aplicaţii şi pentru multe alte sisteme. Utilizările tipice includ: echipamentele de comunicaţii de date, pentru care CPU şi FPGA de înaltă performanţă trebuie monitorizate pentru apariţia condiţiilor de supraîncălzire, echipamentele cu hard disk-uri, unde temperaturile extreme pot cauza erori de citire şi pierderi de date. Un exemplu tipic de comandă cu control de temperatură pentru procesoarele de mare putere, este reducerea frecvenţei de ceas, cauzând diminuarea pierderilor de comutaţie, reducând deci curentul de alimentare şi extinzând durata de viaţă a bateriilor. Senzorii digitali de temperatură oferă posibilitatea citirii directe a valorilor de temperatură fără a fi necesare componente externe. Acest lucru este posibil prin integrarea tuturor blocurilor necesare în module ce oferă şi economie de spaţiu (figura 3). Avantajul major datorat interfeţei digitale a acestor dispozitive este creşterea nivelului de complexitate a buclelor de control de temperatură, precum şi a software-ului de comandă, ceea ce simplifică upgrade-ul atunci când sistemul hardware sau proprietăţile termice se modifică.

Figura 4
Figura 4 prezintă diagrama bloc tipică pentru un senzor digital de temperatură. Senzorul TC77, cu ieşire serială, integrează într-un singur cip senzorul propriuzis de temperatură, un CAD de înaltă rezoluţie şi registre digitale. Comunicaţia cu procesorul este posibilă cu ajutorul unei interfeţe seriale standard SPITM. Această magistrală utilizează pinii SCK, SI/O şi CS pentru a transmite şi primi datele. Temperatura este măsurată prin monitorizarea tensiunii pe o diodă cu ajutorul unui convertor analog-digital pe 13 biţi încorporat. Datele de temperatură sunt apoi stocate în Registrul de temperatură. Dacă o operaţie de citire a Registrului de temperatură apare în timpul unei conversii analog-digitale, se va face citirea valorii anterior stocate. Registrul de configurare este utilizat pentru selectarea modului de conversie continuă a temperaturii sau a modului de operare cu închidere. Acest din urmă mod dezactivează circuitul de conversie a temperaturii pentru a minimiza consumul de putere. Oricum portul serial de comunicaţie rămâne activ.
Senzorii digitali de temperatură sunt puşi la dispoziţie cu diferite protocoale de comunicaţie standard industrial: interfaţă SPITM, protocol I2CTM şi interfaţă serială SMBusTM . Tendinţa actuală este aceea a dezvoltării de senzori cu rezoluţii mai mari de temperatură, precum şi cu erori mai mici. Aceste caracteristici permit sistemului să monitorizeze temperatura cu o mai mare exactitate, şi în acelaşi timp să detecteze variaţii foarte mici ale mărimii măsurate, conducând şi la posibilitatea reacţionării mai rapide a sistemului, asigurând un nivel mai ridicat de siguranţă şi protecţie termică. În plus faţă de raportarea, prin interfaţa digitală, a valorilor de temperatură către un microcontroler sau un circuit integrat logic, multe dispozitive pot de asemenea primi instrucţiuni de la un microcontroler. Aceste instrucţiuni sunt uzual limite de temperatură, care, dacă sunt depăşite, activează un semnal digital al senzorului, care conduce la oprirea activităţii microcontrolerului sau microprocesorului. Astfel, chiar în cazul unui blocaj software (comunicaţia nu este posibilă), există un semnal generat hardware, care iniţiază protecţia sistemului la creşterea periculoasă a temperaturii. Microcontrolerul poate, de exemplu, regla viteza ventilatorului sau diminua viteza microprocesorului pentru a menţine temperatura sub control.

Proiectanţii de sisteme au acum acces la mai multe tipuri de senzori de temperatură. Alegerea este simplificată de o corectă evaluare scopului şi cerinţelor aplicaţiei concrete. Ieşirea (şi tipul) senzorului termic selectat pentru o anumită aplicaţie este determinat de resursele hardware şi software ale microcontrolerului utilizat, dar şi de complexitatea circuitului senzorial. Acesta poate fi un cost ascuns pentru proiectare şi poate conduce la surprize din punct de vedere al costului şi performanţelor. Senzorii digitali de temperatură sunt uşor de interfaţat cu restul circuitului şi nu necesită circuite suplimentare de condiţionare de semnal. Înţelegerea diferenţelor dintre CI senzori de temperatură reprezintă un pas important în alegerea optimă a dispozitivului necesar.

de George Paparrizos, Microchip Technology Inc.
www.microchip.ro