Temperatursensor-Projekt: Digitale Temperatursensor-ICs

Digitale Temperatursensoren bieten die einfachste Möglichkeit, eine hochgenaue Temperaturmessung zu erfassen und in einen Mikrocontroller oder ein anderes Logikgerät einzuspeisen. Im letzten Artikel dieser Serie über Temperatursensoren haben wir uns analoge Temperatursensoren angesehen. Obwohl diese auf den ersten Blick einfacher zu implementieren scheinen, indem man einfach eine ADC-Messung durchführt, benötigt man für die genaueste Messung eine Kalibrierung des ADC jedes Geräts während der Produktion, was nicht immer machbar ist. In diesem Artikel tauchen wir in verschiedene Optionen digitaler Temperatursensoren ein. Digitale Temperatursensoren sind in der Regel teurer als einfache analoge Temperatursensoren. Jedoch machen die Einfachheit und Bequemlichkeit der Produktion mit diesen Geräten oft die zusätzlichen Kosten wett, wo hohe Messpräzision erforderlich ist. 

Digitale Temperatursensoren sind der fünfte Sensortyp, den wir in dieser Serie betrachten. Wir schließen diese Serie mit dem letzten Artikel ab, in dem wir alle getesteten Sensoren in einem direkten Vergleich unter einer Vielzahl von Umweltbedingungen gegeneinander antreten lassen, um ihre Funktionalität, Genauigkeit und ihr Verhalten vergleichen zu können. Wir begannen die Serie mit einem einführenden Artikel, in dem wir eine Reihe von Vorlagen für Standard-Temperatursensorkarten erstellt haben. Sowohl die analogen als auch die digitalen Versionen können durch die Verwendung von Mezzanin-Steckverbindern gestapelt oder unabhängig von ihren Randsteckverbindern gelesen werden. Später in der Serie werden wir Host-Boards für all diese Sensoren bauen, die es uns ermöglichen, Daten von einem einzelnen Sensor zu lesen, um seine Funktionalität zu validieren, oder den gesamten Stapel von Boards zu lesen, sodass wir die Daten von allen zusammen protokollieren können.

In dieser Serie werden wir uns eine breite Palette von Temperatursensoren ansehen, über ihre Vor- und Nachteile sprechen sowie einige typische Topologien für ihre Implementierung diskutieren. Die Serie wird die folgenden Sensortypen abdecken:

• Negative Temperaturkoeffizient (NTC) Thermistoren
• Positiver Temperaturkoeffizient (PTC) Thermistoren
• Widerstandstemperaturfühler (RTD)
• Analoge Temperatursensor-ICs
• Digitale Temperatursensor-ICs
• Thermoelemente

Wie bei meinen Projekten können Sie die Details des Projekts, die Schaltpläne und die Platinendateien auf GitHub zusammen mit den anderen Temperatursensorimplementierungen finden. Das Projekt wird unter der Open-Source-MIT-Lizenz veröffentlicht, die es Ihnen erlaubt, die Entwürfe oder einen Teil davon für persönliche oder kommerzielle Zwecke zu verwenden, wie Sie möchten.

Digitale Temperatursensor-ICs

Angenommen, Sie möchten nur die Ausgabe von einem Temperatursensor mit einem Mikrocontroller oder einem anderen Logikgerät lesen. In diesem Fall ist ein digitaler Temperatursensor elektrisch die einfachste Option zur Implementierung. Digitale Temperatursensoren können hervorragende Genauigkeitsniveaus bieten, da die gesamte Erfassung, Kompensation und Umwandlung auf dem Chip erfolgt. Es ist nicht notwendig, den ADC Ihres Mikrocontrollers (oder externen ADC) zu kalibrieren. Außerdem müssen Sie sich keine Sorgen über elektromagnetische Störungen von benachbarten Leiterbahnen oder anderen Geräten machen, die an die Verbindungen zwischen dem analogen Temperatursensor und dem Mikrocontroller angeschlossen sind und die Temperaturmessung unbeabsichtigt beeinflussen könnten.

In diesem Projekt werden wir vier verschiedene Optionen digitaler Temperatursensoren mit unterschiedlichen Auflösungen und Erfassungsbereichen implementieren.

Ich habe den EMC1833T einbezogen, weil er für mich ein faszinierender Sensor ist. Es handelt sich um ein Gerät zur Fernmessung von Temperaturen, was bedeutet, dass es keinen im Bauteil befindlichen Sensor verwendet. Stattdessen erfasst es die Temperatur, indem es die Ausgabe eines externen Sensors, in diesem Fall eines Transistors, in ein digitales Signal umwandelt. Ich bin mir nicht sicher, ob er unbedingt in diese Kategorie „digitaler Temperatursensor“ gehört, da er nicht ganz zu den anderen Sensoren passt, die wir betrachten. Dennoch sind Transistoren nicht typischerweise dafür bekannt, als Temperatursensoren verwendet zu werden, sodass ich keine Ahnung hatte, wo ich ihn einordnen sollte. Was mich an diesem Sensor fasziniert, ist, dass er die Temperatur mit fast jedem Transistor messen kann. Wenn Sie einen ASIC entwerfen, könnten Sie leicht einen zusätzlichen Transistor auf dem Die für diesen Zweck einfügen. Sie können dann diesen Transistor verwenden, der von einem Sensor wie dem EMC1833T gelesen werden kann, um eine externe Messung der Die-Temperatur vorzunehmen, ohne zusätzliche Komplexität zu Ihrem Silizium hinzufügen zu müssen. Eine andere Betrachtungsweise ist, dass Sie die Temperatur Ihres Dies überwachen können, ohne ein Ingenieurrisiko einzugehen, das mit dem Entwurf und der Herstellung eines maßgeschneiderten digitalen Temperatursensors im Silizium verbunden ist.

Digitale Sensorimplementierung: MAX31826MUA+T

Der erste Sensor, den wir implementieren werden, ist der MAX31826 von Maxim Integrated. Dieser Sensor verwendet einen 1-Wire-Bus anstelle des typischeren I2C- oder SPI-Busses. Ein mögliches Problem ist, dass 1-Wire wahrscheinlich nicht als Kommunikationsprotokoll vom Mikrocontroller, auf dem Ihr Projekt basiert, angeboten wird. Es ist jedoch ein einfaches Protokoll, das man per Bit-Banging implementieren kann und hat gegenüber den beliebteren Optionen den erheblichen Vorteil, dass es nur zwei Drähte für den Betrieb des Sensors benötigt. Einschließlich der Stromversorgung benötigt I2C vier Drähte und SPI fünf Drähte. Im Gegensatz dazu benötigt 1-Wire nur eine Masse- und eine Datenleitung für die meisten Anwendungen, da es sich über die Datenleitung mit einer parasitären Stromversorgungstechnik selbst mit Strom versorgen kann. Im Sensor integriert ist ein Kondensator, der die Stromversorgung für den IC während der Perioden, in denen die Datenleitung im Low-Zustand ist, aufrechterhalten kann, was die Notwendigkeit einer dedizierten Spannungsversorgung unter den meisten normalen Betriebsbedingungen eliminiert. Dies kann eine sehr praktische Lösung für Platinen sein, die extrem begrenzten Platz zur Verfügung haben.

Eine weitere interessante Funktion des Sensors und seines 1-Wire-Busses ist die Fähigkeit, eine 4-Byte-Adresse für das Gerät einzustellen, indem manuell wählbare Pins am Gerätegehäuse installiert werden. Dies ermöglicht die Installation von bis zu 16 Temperatursensoren an einem einzigen 1-Wire-Datenbus, indem jedem Gerät eine einzigartige Adresse zugewiesen wird. Dies kann eine sehr praktische Option sein, wenn Sie nur wenige Mikrocontroller-Pins zur Verfügung haben und gleichzeitig Sensing-Fähigkeiten mit einer großen Anzahl von Temperatursensoren benötigen. 

Im Vergleich zu den Sensoren, die wir in den vorherigen Artikeln dieser Serie betrachtet haben, ist der MAX31826 nicht nur äußerst präzise, sondern liefert auch hochauflösende Daten. Der Sensor bietet eine Genauigkeit von +/- 0,5°C zwischen -10°C und +85°C, mit einer Genauigkeit von +/- 2°C über seinen gesamten Temperaturbereich von -55°C bis +125°C. Alle Sensormesswerte werden als 12-Bit-Werte geliefert, was eine höhere Auflösung ist als die meisten Mikrocontroller bieten.

Als Temperatursensor hat der MAX31826 viel zu bieten, aber er ist auch mit einem integrierten 1 kB EEPROM als Bonusfunktion ausgestattet. Ich nehme an, sie hatten noch etwas Platz auf dem Die übrig. Wenn Ihr Mikrocontroller kein integriertes EEPROM hat und Sie einige Konfigurationsdaten für Ihre Anwendung speichern müssen, hat dieser Temperatursensor alles, was Sie brauchen. Wenn Sie zusätzlichen nichtflüchtigen Speicher benötigen, wird dieser Temperatursensor Ihre Bauteilanzahl reduzieren und Platz auf der Platine sparen.

Das Datenblatt empfiehlt, das Gerät direkt zu versorgen, anstatt die parasitäre Busversorgung zu nutzen, wenn Temperaturen über 100°C erreicht werden könnten. Obwohl die meisten typischen Anwendungen diese Temperaturniveaus nicht erreichen müssen, werden die Tests, denen wir den Sensor unterziehen, 100°C überschreiten. Daher werden wir für diese Übung der Empfehlung folgen, das Gerät direkt zu versorgen, anstatt die faszinierende Option der parasitären Energieversorgung zu erkunden.

Die Form der Platine und das allgemeine Layout stammen aus der Projektvorlage, die wir in der Einführung zu dieser Serie erstellt haben. Da wir keinen der üblichen Kommunikationsbusse verwenden, habe ich die zugehörigen Netze und ihre Komponenten von der Platine entfernt. Dennoch habe ich die Verbindungen am Stapelstecker belassen, um sicherzustellen, dass dies keine Probleme für andere gestapelte Sensoren verursacht. Mit dem 1-Wire-Bus müssen wir nur den Chip-Select-Pin verwenden, um mit dem Host-Mikrocontroller zu kommunizieren.

Digitale Sensorimplementierung: STS-30-DIS

Ich habe in einem früheren Projekt den STS-30-DIS von Sensirion verwendet, wegen seiner unglaublichen Präzision und kalibrierten Angaben, die auf NIST zurückführbar sind. Dies war notwendig, da die Instrumentierung für ein Unternehmen im Lebensmittelservice entwickelt wurde und Daten für behördliche Berichtszwecke sammeln musste. Mit einem kleinen Formfaktor, einem weiten Spannungsbereich, unglaublicher Genauigkeit und linearisiertem 16-Bit-Digitalausgang gibt es viel zu mögen an diesem Gerät, wenn man nur positive Temperaturmessung benötigt. Wenn Sie Temperaturen unter dem Gefrierpunkt messen müssen, ist die Variante STS-30A-DIS für den Automobilbereich qualifiziert und hat einen Messbereich von -40°C bis 125°C. Allerdings kommt dieser erweiterte Messbereich mit leichten Einbußen bei der Gesamtgenauigkeit.

Im vorherigen Artikel über analoge Temperatursensoren habe ich darüber gesprochen, wie großartig analoge Temperatursensoren für Anwendungen wie Prozessüberwachung, zum Ein- und Ausschalten eines Ventilators oder für andere thermische Managementsysteme sind, die ohne Eingriffe eines Mikrocontrollers funktionieren können. Der STS-30 bietet einen ALERT-Pin, der für eine ähnliche Funktion verwendet werden kann. Er ist für den Anschluss an einen Interrupt-Pin eines Mikrocontrollers vorgesehen; jedoch verfügt er auch über eine vollständige Anwendungsnotiz, die ihm gewidmet ist, und er kann zum automatischen Schalten von Lasten verwendet werden. Die Fähigkeit, sich mit der Interrupt-Funktion des Mikrocontrollers zu verbinden, kann entscheidend sein. Sie ermöglicht es dem Sensor, den Mikrocontroller sofort mit einem Signal hoher Priorität zu benachrichtigen, dass sofort etwas getan werden muss, anstatt sich auf seltene Abfragen des Sensors durch den Mikrocontroller und die Reaktion auf die gelesenen Daten zu verlassen. Wenn der ALERT-Ausgang mit einem Transistor verbunden ist, um ihn zum Ansteuern einer Last zu befähigen, könnte der Sensor sowohl für Überwachungs-/Protokollierungszwecke als auch für eine autonome thermische Managementfunktion verwendet werden. Im Vergleich zu den analogen Lösungen könnte diese Einrichtung den digitalen STS-30 zu einer günstigeren Option machen. Ein separater Komparator wird nicht benötigt, und die Schwelle für den ALERT-Pin kann vom Benutzer über einen Mikrocontroller/HMI konfiguriert werden, ohne dass sie werkseitig festgelegt werden muss.

Die STS-30 Seriengeräte verwenden alle einen I2C-Bus für die Kommunikation. Das Schaltbild, das wir für diesen Artikel implementieren, enthält keine der Pull-Up-Widerstände, die normalerweise für die korrekte Funktion des Kommunikationsbusses erforderlich sind. Diese Pull-Up-Widerstände werden stattdessen auf den Host-Platinen montiert. Da wir nur einen Satz Pull-Up-Widerstände pro Bus benötigen, würde das Hinzufügen von Widerständen zu jedem Sensor mehrere Pull-Up-Widerstände zum Bus hinzufügen und könnte dessen Fehlfunktion zur Folge haben. Außerdem würden alle parallel verbundenen Widerstände ihren Gesamtwiderstand verringern.

Der ADDR-Pin ermöglicht es uns, zwischen zwei verschiedenen Adressen für das Gerät zu wählen, sodass wir zwei STS-30 Komponenten an denselben I2C-Bus anschließen können. Auch wenn dies vielleicht nicht so beeindruckend ist wie die Fähigkeiten des MAX31826-Geräts am 1-Wire-Bus, ist es dennoch praktisch, da es uns erlaubt, mehr als ein Gerät zu verwenden. Ich ziehe den ADDR-Pin auf Logik niedrig (GND), da dies die Standardadresse auf 0x4A setzt, mit Logik auf den hohen Zustand gezogen, setzt dies auf die alternative Adresse von 0x4B.

Mir gefällt das Gehäuse des STS-30, da es kompakt ist, aber immer noch nicht zu verrückt, sodass man seine Platine von Hand zusammenbauen kann, wenn man eine Schablone verwendet. Das Sensorpaket plus ein 0603 Entkopplungskondensator sind zusammen ungefähr so groß wie der MAX31826, den wir oben betrachtet haben. Mit einem kleineren Kondensator würde es sehr gut auf eine hochdichte Platine passen. Das große Massepad unter dem IC bietet einen ausgezeichneten Weg, um Wärme von einer Masseebene zur Temperatursensierungsjunktion im Inneren des ICs zu übertragen. Das macht es zu einer perfekten Wahl für die Platzierung neben jedem Gerät, wie einem großen MOSFET oder einem Regler, der die Masseebene nutzt, um überschüssige Wärme in die Platine abzuleiten. Das IC in unmittelbarer Nähe zur Wärmequelle zu platzieren, wird genauere Temperatursensierungsergebnisse liefern.

Digitale Sensorimplementierung: EMC1833T

Wie ich bereits erwähnt habe, finde ich das von Microchip produzierte Gerät EMC1883 nicht nur wegen seiner fantastischen Funktionen faszinierend, sondern auch, weil es die Temperatur lesen kann, die von einer Transistorverbindung erfasst wird. Der STS-30, den wir oben betrachtet haben, hatte einen Alarm-Interrupt-Pin, der durch einen absoluten Wert ausgelöst wurde; jedoch kann der EMC1883 so konfiguriert werden, dass er auch einen Alarm auf Basis der Änderungsrate der erfassten Temperatur generiert. Diese Änderungsrate des Alarms kann intelligente thermische Managementlösungen automatisch einschalten, in Erwartung ihres Bedarfs, anstatt nach dem Ereignis. Dies hat das Potenzial, die Zuverlässigkeit des Geräts insgesamt durch die sorgfältige Verwaltung seiner Betriebstemperatur zu verbessern. Wie beim STS-30 ist es vollständig softwarekonfigurierbar, was erhebliche Vorteile gegenüber jeder werkseitig eingestellten Option bietet, die Sie wahrscheinlich implementieren müssten, wenn Sie ein vollständig analoges Thermostat verwenden würden, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen.

Das spezifische Modell der EMC8xx-Serie, das wir testen, wird nur die Erfassung einer einzelnen Verbindung unterstützen. Es gibt jedoch andere Modelle in der Serie, die die Erfassung von bis zu fünf Verbindungen ermöglichen können.

Wie der STS-30 ist dies ein I2C-basierter Sensor, der die Installation mehrerer Sensoren an einem einzigen I2C-Bus ermöglicht. Ein Unterschied besteht darin, dass die Implementierung des EMC1833T ADDR-Pins anders ist als die binäre Ein/Aus-Natur des STS-30-Geräts. Dieses Gerät ermöglicht es Ihnen, bis zu sechs separate Adressen einzustellen, indem Sie unterschiedliche Pull-up-Widerstandswerte verwenden. Der ADDR-Pin funktioniert auch als einer der Interrupt-Pins und agiert als der Thermal Warning Pin (zusammen mit dem thermal ALERT/Warning 2 Pin). Wie bei der vorherigen Geräteinstallation werde ich keine Pull-up-Widerstände an den I2C-Leitungen auf dem Temperatursensorboard implementieren. Sie müssen jedoch irgendwo in Ihrem Schaltkreis eingebaut werden, um den korrekten Betrieb des Sensor-Kommunikationsbusses zu ermöglichen.

Das Datenblatt empfiehlt die Verwendung eines 2N3904 Bipolartransistors als das fernmessende Element, da ich keinen verfügbaren CPU-Transistor für Messungen habe. Ich verwende die Oberflächenmontagevariante eines 2N3904, um die Temperatur auf diesem Board zu messen. Der MMBT3904 ist von nahezu jedem Siliziumfertigungsunternehmen erhältlich, das sich mit BJTs befasst - in diesem Fall habe ich mich für ein Teil von ON Semiconductor entschieden, da es am besten verfügbar war. Es waren mehrere Millionen verfügbar, als ich zuletzt auf Octopart geschaut habe.

Wie ich es in vorherigen Artikeln dieser Serie getan habe, habe ich das Temperatursensorelement, unseren Transistor, innerhalb der thermischen Trennung platziert. Die nicht messenden Elemente habe ich hinter der thermischen Trennung positioniert. Dies verhindert, dass der EMC1833T die Temperaturmessung durch eventuell selbst erzeugte Wärme negativ beeinflussen kann.

Digitale Sensorimplementierung: Si7051-A20-IMR

Schließlich haben wir den Silicon Labs Si7051-A20. Die Ergebnisse dieses Geräts sind es, auf die ich in dieser ganzen Serie am meisten gespannt bin. Der MAX31826 ist ein ziemlich präziser Sensor; jedoch bietet der Si7051-A20 eine beeindruckende Präzision von +/- 0,1°C mit einem unglaublich niedrigen Stromverbrauch von nur 195 nA beim Sampling. Der Stromverbrauch ist mindestens eine Größenordnung geringer als bei allen anderen digitalen Temperatursensoren und deutlich geringer als bei den analogen Temperatursensoren, die wir im vorherigen Artikel betrachtet haben.

Während viele Sensoren sehr hohe beworbene Genauigkeiten aufweisen, gelten die Angaben in der Regel nur für einen begrenzten Teil des gesamten Messbereichs. Im Gegensatz dazu bietet der Si7051-A12 die angegebene Genauigkeit über seinen gesamten Messbereich von -40°C bis +125°C. Noch bemerkenswerter ist, dass der Fehler von 0,1°C ein Worst-Case-Szenario für die Genauigkeit darstellt, nicht den Durchschnitt oder das Minimum. Mit seiner ausgewählten 14-Bit-Auflösung liefert der Si7051-A20 eine wiederholbare Ablesung von 0,01°C - ich liebe genaue und wiederholbare Sensoren!

Wie bei den letzten beiden Sensoren ist der Si7051-A20 ein mit I2C kompatibler Sensor. Allerdings bietet er keinen Adresspin, was bedeutet, dass Sie nur eine einzelne Einheit an den I2C-Bus anschließen können, es sei denn, Sie fügen einen I2C-Schalter hinzu oder schalten die Stromversorgung zwischen verschiedenen am selben Bus angeschlossenen Einheiten um. Dies würde zusätzliche IO-Pins erfordern und Schaltungskomplexität hinzufügen, was den Si7051-A20 weniger ideal für die Erfassung mehrerer Standorte auf Ihrer Leiterplatte macht. Das Gerät verfügt auch nicht über irgendwelche Alarm-/Unterbrechungspins und ist ausschließlich als digitaler Temperatursensor gedacht. Generell gilt, wenn Sie die thermische Verwaltung auf Ihrer Leiterplatte automatisieren möchten, wird ein weniger genauer und kostengünstigerer Sensor für eine solche Anwendung mehr als ausreichend sein.

Eine der Funktionen, die mir beim letzten Einsatz des STS-20 besonders gefallen hat, war die NIST-zertifizierte Kalibrierung, die auf jedes Gerät angewendet wurde, da mein Kunde diese Funktion benötigte. Obwohl im Datenblatt des Si7051-A20 keine Erwähnung davon zu finden ist, gibt es ein Zertifikat der Kalibrierung. Ich konnte auch ein weiteres, spezifischeres Kalibrierungszertifikat finden; dieses befindet sich jedoch nicht auf der Website von Silicon Labs und könnte daher nur für die Einheiten gelten, die dieses Unternehmen gekauft hat. Wenn dies der Fall ist, würde es einen Präzedenzfall für die Ausstellung spezifischer Zertifikate durch Silicon Labs für seine Kunden darstellen.

Wie bei den anderen I2C-Implementierungen, die wir in diesem Artikel behandelt haben, sind die I2C-Leitungen dieser Karte nicht mit Pull-Up-Widerständen auf den Daten-/Taktleitungen ausgestattet. Sie müssen einen Pull-Up-Widerstand an jeder Leitung irgendwo in Ihrem Schaltkreis einfügen, um eine erfolgreiche Kommunikation des Si7051-A20 zu ermöglichen.

Das 6-Pin-DFN-Gehäuse ist auch die einfachste Option zum manuellen Prototyping unter allen in diesem Artikel behandelten gehäuselosen Optionen. Mit einer Schablone oder einem Pastenabgabewerkzeug wie dem Voltera V-One wäre es unglaublich einfach, diesen Sensor von Hand zu platzieren und mit grundlegenden Werkzeugen zu reflowen, was ihn perfekt für das Prototyping im Heim- oder Bürolabor macht.

Schlussfolgerung

Wir haben uns in diesem Artikel vier verschiedene digitale Temperatursensoren angesehen. Es gibt jedoch Hunderte anderer digitaler Temperatursensoroptionen, die die spezifischen Anforderungen Ihres Projekts erfüllen können, die gut vorrätig und verfügbar sind. Während analoge Temperatursensoren hervorragend für die autonome Prozessüberwachung oder den Einsatz mit einem Analog-Digital-Umsetzer geeignet sind, bieten digitale Temperatursensoren erhebliche Bequemlichkeit bei der Integration in ein Produkt, das einen Mikrocontroller enthält. Wie wir in diesem Artikel gesehen haben, gibt es digitale Temperatursensoren, die Interrupts und Warnungen bei konfigurierbaren Schwellenwerten erzeugen können, was spannende Anwendungen über ein werkseitig eingestelltes, auf einem Komparator basierendes Thermostat hinaus ermöglicht, wie man es wahrscheinlich bei einem analogen Temperatursensor verwenden würde. Die Präzision und Genauigkeit moderner digitaler Temperatursensoren kann außergewöhnlich hoch sein; jedoch verbrauchen viele Optionen deutlich mehr Strom als ihre analogen Gegenstücke, was zu einer gewissen Temperaturabweichung durch Eigenerwärmung führen kann.

Die beliebtesten und am besten ausgestatteten digitalen Temperatursensoren verwenden typischerweise einen I2C-Bus für die Kommunikation; jedoch sind auch SPI- und 1-Wire-Busoptionen verfügbar, um die Verfügbarkeit alternativer Kommunikationsbusse für Ihr Projekt zu gewährleisten.

Wie ich zu Beginn des Artikels erwähnt habe, finden Sie Details zu jedem dieser Sensorboards und allen anderen Temperatursensorimplementierungen auf GitHub. Diese Designs sind alle unter der Open-Source-MIT-Lizenz veröffentlicht, die es Ihnen erlaubt, mit dem Design für den persönlichen oder kommerziellen Gebrauch so ziemlich alles zu machen.

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