Tehnologii de detecţie a temperaturii

2 APRILIE 2012

Sunt elemente pro şi contra oricărei tehnologii de detecţie a temperaturii, incusiv celor mai noi generaţii de senzori de temperatură pe siliciu, explică dl. John Austin, de la Microchip Technology Inc.

Detecţia temperaturii este cea mai recentă funcţionalitate oferită în lista cu rapidă extensie a aplicaţiilor. Aceste rânduri prezintă proiectanţilor, pentru o gamă largă de produse, alegerea tehnologiei de detecţie a temperaturii. Pentru alegere, proiectanţii trebuie să cântărească avantajele şi dezavantajele noilor senzori de tempe­ratură pe siliciu precum şi a alternativelor mai convenţionale cu termocupluri, termistori sau RTD (Resistive Temperature Detectors) pentru fiecare aplicaţie.
Nu există niciun dubiu că senzorii de temperatură pe siliciu câştigă teren şi sunt motive suficiente pentru aceasta: sunt dispozitive simple ce necesită o experienţă redusă în proiectarea termică, dar integrează caracteristici ce oferă proiectanţilor flexibilitatea de a adăuga mai multe funcţii produselor lor. Alte motive pot fi nivelul de preţ relativ scăzut, suprafaţă mică ocupată de întreaga soluţie de detecţie termică şi potenţialul lor de a reduce consumul energetic comparativ cu soluţiile alternative. Pe lângă acestea, mai este şi faptul că noile tehnologii de detecţie pe siliciu oferă precizii mult mai ridicate faţă de generaţiile anterioare, ceea ce poate înclina balanţa pentru prima dată în favoarea utilizării acestor tipuri de senzori. Oricare ar fi motivul luării în considerare a detecţiei temperaturii cu soluţii pe siliciu, este importantă înţelegerea în totalitate a celor trei tipuri distincte de astfel de senzori: cu ieşire logică, de tensiune sau serială, şi beneficiile pe care fiecare tip le poate oferi unei aplicaţii particulare.

Senzori pe siliciu cu ieşire de tensiune
Modul în care operează un senzor de temperatură cu ieşire de tensiune este similar unui termistor, ceea ce este probabil cel mai adesea utilizat dispozitiv pentru detecţia temperaturii.
Rezistenţa termistorului se schimbă odată cu schimbarea temperaturii. Rezistenţa unui termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) va creşte odată cu creşterea temperaturii, în vreme ce rezistenţa unui termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) va scădea odată cu creşterea temperaturii.

Figura 1: Diagrama bloc şi performanţele de ieşire pentru un circuit de instrumentaţie RTD

Prin comparaţie, un senzor de temperatură cu ieşire de tensiune va dezvolta o tensiune de ieşire proporţională cu temperatura, cu un coeficient de temperatură tipic de 6,25mV/°C, 10mV/°C sau 19,5mV/°C. Convertoarele temperatură – tensiune pot detecta o gamă de temperatură de la -55°C la +150°C şi asigură un decalaj de temperatură ce permite ca temperatura negativă să fie citită fără a fi nevoie de o sursă de tensiune negativă. Curenţii tipici de operare sunt de zeci de µA, ceea ce minimizează autoîncălzirea şi maximizează durata de viaţă a bateriilor.
Utilizarea unui termistor are certe dezavantaje prin comparaţie cu un senzor de temperatură pe siliciu cu ieşire de tensiune: soluţia cu termistor poate consuma energie cu ordine de mărime mai mari decât cei mai noi senzori de temperatură pe siliciu, iar termistorul este neliniar, ceea ce conduce la un domeniu de temperatură restrictiv. În funcţie de domeniul de temperatură al aplicaţiei, soluţia cu termistor poate de asemenea necesita un circuit extern ce implică atât spaţiu de placă suplimentar cât şi cost mai mare.
Prin comparaţie, soluţiile bazate pe siliciu sunt foarte liniare pe un domeniu de temperatură de la -55°C la +150°C, şi oferă soluţii până la nivelul unei capsule SC70. Pe total, senzorul pe siliciu oferă o soluţie mai mică, mai economică şi mai eficientă energetic prin comparaţie cu un termistor.

Senzori pe siliciu cu ieşire logică
Senzorii de temperatură cu ieşire logică funcţionează tipic precum un termostat, notificând sistemul atunci când se atinge o temperatură limită maximă sau minimă. Uneori utilizaţi ca şi comutatoare termice, ei pot fi utilizaţi pentru a porni un ventilator sau o lumină de avertizare la detectarea unor condiţii de temperatură înaltă sau joasă. După cum ieşirea este tipic neînchisă, comutatorul va opri un circuit când temperatura scade sub, sau creşte peste o valoare stabilită de temperatură. Cei mai mulţi senzori cu ieşire logică au integrat un histerezis de câteva grade Celsius pentru a preveni o ieşire fluctuantă.
Cu un termistor, o cale de a implementa acest lucru este de a adăuga un circuit comparator. Acesta va introduce erori în sistem precum offset şi variaţie de offset de la comparator, care vor trebui soluţionate prin calibrarea nepotrivirilor rezistenţelor utilizate în circuit şi realizarea unui singur reglaj de temperatură pentru calibrarea circuitului. O soluţie bazată pe siliciu este mult mai simplu de implementat de vreme ce reglajele şi calibrările sunt realizate de producător.

Senzori pe siliciu cu ieşire serială
Cea mai uzuală cale de a realiza măsurări de temperatură precise şi repetabile este aceea de a utiliza circuite cu termocupluri sau RTD (Resistive Temperature Detector). Totuşi, după cum demonstrează figura 1, ambele soluţii pot fi dezvoltate în circuite complexe mari şi scumpe pentru obţinerea unor precizii mari de determinare a temperaturii sau pentru rezoluţii mari de măsurare.
În cazul detectării temperaturii cu soluţie pe siliciu, senzorul cu ieşire serială atinge precizii mari de măsurare, integrare şi flexibilitate ridicate, păstrând în acelaşi timp simplitatea unei soluţii pe siliciu. Senzorii cu ieşire serială utilizează interfeţe la microcontrolerul gazdă cu două sau trei fire şi integrează tipic un convertor analog / digital (ADC) ce converteşte ieşirea analogică a elementului senzorial intern în ieşire digitală. Un exemplu de senzor de temperatură cu ieşire serială este Microchip MCP9804, prezentat în figura 2. Acest senzor digital de temperatură de înaltă precizie şi integrare atinge o precizie tipică de detecţie a temperaturii de 0,25°C şi o rezoluţie de măsurare selectabilă de către utilizator între 0,5˚C şi 0,0625˚C într-o capsulă mică DFN de 2mm × 3mm.

Figura 2: MCP9804 combinaţie de amprentă mică şi integrare, rezoluţie şi precizie ridicate

Mulţi senzori de temperatură cu ieşire serială integrează de asemenea alte funcţii programabile, precum alerte de supra – şi sub – temperatură şi EEPROM on board. Aceste caracteristici pot fi utilizate pentru simplificarea unui proiect, pentru creşterea flexibilităţii sale, pentru îmbunătăţirea preciziei de detecţie a temperaturii şi pentru un cost total al sistemului mai redus.
Cea mai des întâlnită limitare a senzorilor cu ieşire serială prin comparaţie cu RTD şi termocupluri, este domeniul de temperatură.
Senzorii de temperatură pe siliciu operează în general la temperaturi de la -55°C la +150°C, în vreme ce RTD-urile şi termocuplurile pot oferi o soluţie precisă pe un domeniu de câteva sute sau chiar mii de grade Celsius.

Concluzie
Există avantaje şi dezavantaje pentru toate tehnologiile de detecţie a temperaturii şi niciuna dintre tehnologii nu este potrivită pentru toate aplicaţiile de detecţie a temperaturii.
Pentru aplicaţii ce operează pe un domeniu limitat de temperatură, termistorii oferă o soluţie utilă şi economică de măsurare a temperaturii. Pentru precizii ridicate pe un domeniu de câteva sute de grade Celsius, RTD pot fi o soluţie sensibilă, dar necesită o scalare şi calibrare atentă, putând fi mult mai costisitoare decât soluţiile cu termistori sau cele pe siliciu. Pentru măsurarea de temperaturi extreme, termocuplurile se pare că sunt soluţia câştigătoare. Totuşi, pentru un mare număr de aplicaţii ce nu necesită un domeniu foarte larg de temperaturi, soluţiile pe bază de siliciu pot simplifica proiectul, păstrând precizia şi integrând funcţii care cresc flexibilitatea şi performanţele sistemului.

Bibliografie
1. Microchip Technology Application Note #AN897, “Thermistor Temperature Sensing with MCP6S2X PGAs,” de Kumen Blake şi Steven Bible.
2. Microchip Technology Application Note #AN895, “Oscillator Circuits for RTD Temperature Sensors,” de Ezana Haile şi Jim Lepkowski.
3. Microchip Technology Application Note #AN1001, “IC Temperature Sensor Accuracy Compensation with a PIC® Microcontroller,” de Ezana Haile.
4. Microchip Technology Application Note #AN1154, “Precision RTD Instrumentation for Temperature Sensing,” de Ezana Haile.
5. Microchip Technology’s Temperature Sensor Design Guide, DS21895C

www.microchip.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre