Projekt Temperatursensor: Einführung

Wie ich in der Vergangenheit bereits erwähnt habe, liebe ich es, Daten zu sammeln. Temperatursensoren erscheinen auf den ersten Blick so einfach, aber es steckt viel mehr dahinter, als man zunächst denken könnte, einschließlich einer riesigen Auswahl an Sensortypen. In dieser Serie werden wir eine Reihe von PCBs bauen, die alle Arten von Temperatursensoren und Schaltungen zu deren Implementierung abdecken. Wir werden auch ein Paar Microcontroller-Boards bauen, um Daten zu sammeln und die Sensoren miteinander zu vergleichen. Schließlich werden wir alle verschiedenen Sensortypen auf einem dieser Host-Boards montieren und alle Sensoren unterschiedlichen Umgebungsbedingungen aussetzen. Dies ermöglicht es uns zu sehen, wie die Sensoren sich vergleichen lassen und Empfehlungen abzugeben, welcher Sensor für Ihre Bedürfnisse, Anwendung und Budget der richtige ist.

Temperatursensoren sind für viele Industrien unerlässlich. Selbst auf Ihrer PCB kann ein Temperatursensor verwendet werden, um genaue Daten von anderen Sensoren zu gewährleisten sowie eine Platine vor Überhitzung zu schützen.

Arten von Temperatursensoren

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

In meiner Open-Source-Celestial Altium Library finden Sie alle Sensoren, die in dieser Projektreihe verwendet werden, und viele weitere, um Ihnen einen Vorsprung bei Ihrem Sensordesign zu ermöglichen. Die Evaluierungsboards für diese Reihe finden Sie auf GitHub, mit allen Beispiel-Sensorschaltungen. Jeder Teil dieser Serie wird unter der MIT-Lizenz veröffentlicht, sodass Sie die Schaltpläne frei für Ihr eigenes Projekt nutzen oder die Boards zur Evaluierung der Sensoren verwenden können.

Oben sehen Sie das PCB-Design, über das Sie im Altium 365 Viewer lesen werden; eine kostenlose Möglichkeit, sich mit Ihren Kollegen, Kunden und Freunden zu verbinden, mit der Fähigkeit, das Design mit nur einem Klick anzusehen oder herunterzuladen! Laden Sie Ihr Design in wenigen Sekunden hoch und haben Sie eine interaktive Möglichkeit, einen detaillierten Blick darauf zu werfen, ohne sperrige Software oder Computerleistung.

Allgemeine Sensorrichtlinien

Bevor wir auf spezifische Sensortypen eingehen, sprechen wir über allgemeine Überlegungen zum Einsatz von Temperatursensoren. Nehmen wir an, Sie möchten eine externe Temperatur erfassen. In diesem Fall werden die Layoutüberlegungen anders sein, als wenn Sie versuchen, die Temperatur einer kritischen Komponente oder eines Bereichs einer Leiterplatte zu erfassen. Ebenso, wenn Sie eine Temperatur außerhalb Ihrer Leiterplatte messen, gibt es einen weiteren Satz von Überlegungen.

Zusätzlich müssen Sie auch die Eigenerwärmung des Sensors und die thermische Masse berücksichtigen.

Externe Temperaturerfassung, von der Leiterplatte aus

Wenn Sie versuchen, eine externe Temperatur zu erfassen, ist es entscheidend, den Sensor so weit wie möglich von der Leiterplatte zu isolieren. Die gängigste und effektivste Methode, dies zu tun, ist die physische Isolation des Sensors. Einfach den Temperatursensor am Rand Ihrer Platine zu haben, ist unzureichend, wenn Sie eine genaue Temperaturmessung anstreben oder so viel wie Ihr Sensor bieten kann, da Wärme durch das Substrat in den Sensor geleitet wird. Alle Schaltkreise erzeugen durch resistiven Verlust Wärme, manche Leiterplatten weit mehr als andere, daher ist die physische Isolation entscheidend.

Den Temperatursensor so weit wie möglich von jeder Wärmequelle auf Ihrer Platine zu platzieren, ist ein fantastischer erster Schritt. Das Hinzufügen eines gefrästen Schlitzes um Ihren Temperatursensor vervollständigt Ihre Isolierung. Stellen Sie jedoch sicher, dass genügend PCB vorhanden ist, damit der Sensor nicht einfach wie eine getabte Platine in einem Panel abbricht. Er sollte stark genug sein, um gehandhabt zu werden und den Montageprozess zu durchlaufen, und berücksichtigen Sie auch die Anwendungsanforderungen - Stöße, Vibrationen und dergleichen.

Sie sollten auch jedes Gehäuse berücksichtigen. Das Gehäuse sollte einen guten Luftstrom zum Sensor ermöglichen, aber wenn möglich keinen Luftstrom vom Rest der Platine zulassen. Das Gehäuse sollte auch nicht in der Lage sein, Wärme an den Sensor zu übertragen, und daher keinen Abschnitt der isolierten Platine berühren, auf dem der Sensor sitzt.

Wenn Sie beginnen, mit Temperatursensoren zu arbeiten, könnten Sie beginnen, die Realität selbst in Frage zu stellen. Wenn Sie versuchen, die Temperatur ohne signifikante Laborausrüstung genau zu messen, beginnen Sie das Gefühl zu bekommen, dass es unmöglich ist, dies zu tun. Was ist 21°C? Wie wissen wir, dass es nicht eigentlich 20,9°C oder 22°C sind, kümmert es uns?

Onboard-Temperatur messen

Angenommen, Sie möchten die Temperatur eines Abschnitts der Leiterplatte oder einer bestimmten Komponente direkt von der Platine aus erfassen. In diesem Fall möchten Sie genau das Gegenteil des oben genannten Ratschlags tun. Das bedeutet, dass Sie sicherstellen müssen, dass Ihr Sensor so viel Verbindung wie möglich mit dem Bereich hat. Wir werden später in der Serie über einen sehr interessanten Sensor sprechen, den Microchip EMC1833T, der es Ihnen ermöglicht, eine Diode aus der Ferne zu erfassen. Er ist speziell für die On-Die-Temperaturerfassung bei ICs vorgesehen, die dies unterstützen - einschließlich benutzerdefinierter ASICs, die Sie möglicherweise entwickelt haben.

Im Fall der meisten Sensoren möchten Sie die Wärme so effizient wie möglich in den Die oder das resistive Element des Sensors bekommen, mit so geringem thermischen Widerstand wie möglich. Wenn Sie ein Gerät mit einem Kühlkörper haben, versuchen Sie, diesen Kühlkörper mit Ihrem Temperatursensor zu teilen. Andernfalls platzieren Sie die Sensorkomponente so nah wie möglich am Gerät oder dem Bereich hoher Temperatur auf der Platine und idealerweise haben Sie eine elektrische Verbindung zum Kupfer-Pour, der als Kühlkörper fungiert. Diese elektrische Verbindung, möglicherweise das Netzteil oder das Erdungsnetz, kann helfen, die Wärme direkt in den Die des Sensors zu leiten.

Temperaturerfassung außerhalb der Platine

Wenn Sie die Temperatur von etwas außerhalb Ihrer Leiterplatte messen müssen, wie zum Beispiel einer Maschine, kann die Wahl des Sensortyps absolut entscheidend für den Erfolg Ihres Projekts sein. Die meisten Arten von resistiven Temperatursensoren sind keine idealen Optionen, da der Kabelwiderstand Ihre gemessene Temperatur beeinflussen kann. Es gibt einige Sensoren, die von der Platine entfernt angebracht und durch eine Öffnung in Ihrem Gehäuse positioniert werden können. Dies hilft sicherzustellen, dass die Temperatur fern von heißen Komponenten auf der Platine erfasst wird.

 

Generell bieten kabelgebundene Lösungen in einem industriellen Umfeld erhebliche Herausforderungen, da induzierte Spannungen und Ströme auf dem Kabel durch elektromagnetische Störungen von Geräten und Maschinen die Messgenauigkeit beeinträchtigen können. Für Sensoren, die ein analoges Ausgangssignal liefern, sind entsprechend abgeschirmte Kabel notwendig. Ebenso sind digitale Sensoren mit einer I2C-Schnittstelle möglicherweise nicht machbar, wenn die Entfernung zwischen der Platine und dem Sensor zu groß ist, da I2C keine gute Wahl für lange Signalwege ist. Abhängig vom Temperaturbereich könnte die Verwendung eines Sensors wie eines Thermoelements Ihre einzige Wahl sein und dazu noch eine perfekte für industrielle Umgebungen.

Sensor-Selbsterwärmung

Alle Komponenten auf einer Leiterplatte erzeugen beim Betrieb eine gewisse Menge an Wärme. Bei einem Temperatursensor kann dies für eine genaue Temperaturmessung verheerend sein, da die eigenen resistiven Verluste des Geräts eine Temperaturabweichung in der gemessenen Temperatur verursachen können. Wenn Sie höchste Genauigkeit benötigen, dann wird die Wahl eines Geräts mit sehr niedrigem Stromverbrauch oder der Betrieb eines resistiven Geräts bei sehr niedrigem Strom weit präzisere Temperaturergebnisse liefern.

Thermische Masse

Ich habe an Projekten gearbeitet, bei denen wir einem Sensor erhebliche Mengen an thermischer Masse hinzugefügt haben, damit er die für das Projekt wichtige Temperatur genau wiedergeben kann. Zum Beispiel ermöglicht das Hinzufügen von thermischer Masse zu einem Gerät, das die Temperatur von Fleischprodukten in einem kommerziellen Kühlschrank oder Gefrierschrank überwacht, trotz des Öffnens und Schließens der Tür die korrekte Temperatur zu erfassen. Thermische Masse wirkt in gewisser Weise wie eine thermische Kapazität.

In anderen Situationen kann jede Menge an thermischer Masse Probleme verursachen, da die gemessene Temperatur hinter der tatsächlichen Temperatur hinterherhinkt. Wenn Ihr Sensor direkt an einer großen Leiterplatte oder einem Kupferbereich ohne Isolierung befestigt ist, können Sie kleine oder schnelle Änderungen der Umgebungstemperatur nicht leicht erkennen. Der Sensor und die gesamte Platine müssen sich auf die neue lokale Temperatur erwärmen oder abkühlen, bevor Sie eine genaue Temperaturmessung erhalten können. Für einen Sensor, der hochfrequente Messungen durchführen muss, die die Umgebung genau widerspiegeln, ist die Minimierung der thermischen Masse ein wichtiger Schritt.

Sensortoleranz und Präzision

Etwas, das Sie verstehen müssen, bevor Sie zu weit gehen, indem Sie einen Temperatursensor zu Ihrem Projekt hinzufügen oder Ihr Projekt auf der Temperaturmessung basieren; ist, dass Sie niemals die Temperatur mit irgendeinem IC oder einer auf einer Platine montierbaren Komponente messen können. Alles, was Sie messen können, ist eine ungefähre Temperatur - was zählt, ist, ob diese Annäherung an die Temperatur für Sie präzise genug ist. Für einige Anwendungen ist ein Sensor, der bis zu 5°C genau ist, ausreichend. Wenn Sie eine kritische Temperatur in einem Prozess überwachen, könnte eine Genauigkeit von 0,1°C nicht gut genug sein. Die genaue Temperatur zu kennen, ist für uns praktisch unmöglich, es ist eine Frage, wie viele Grade der Genauigkeit Sie benötigen, um das Projekt zu realisieren, das Sie verstehen müssen. Die meisten Sensoren auf dem Markt werden Ihnen nicht mehr als eine Dezimalstelle an Präzision bieten, und viele werden Ihnen nicht mehr als 1°C an Präzision bieten, einige kämpfen sogar mit dieser Präzision. Höhere Präzision kommt typischerweise zu höheren Implementierungskosten, entweder im Sensor selbst oder in der unterstützenden Schaltung.

Neben der Genauigkeit gibt es auch die Toleranz. Sie können einen sehr genauen Temperatursensor mit einem weiten Toleranzbereich haben oder einen Sensor mit sehr enger Toleranz, aber einem weiten Genauigkeitsbereich. Wenn Sie an Bogenschießen denken, könnte eine enge Toleranz, aber geringe Genauigkeit bedeuten, dass alle Pfeile sehr eng beieinander liegen oder sogar jeder Pfeil den nächsten spaltet - aber nicht sehr nah am Bullauge. Ein sehr genauer, aber toleranzarmer Sensor könnte bedeuten, dass alle Ihre Schüsse sich um das Bullauge gruppieren, aber nie ganz genau die gleiche Stelle treffen. Während die meisten Sensoren dazu neigen, sehr hohe Genauigkeit in Kombination mit sehr engen Toleranzen oder sehr niedrige Genauigkeit mit sehr weiten Toleranzen zu haben, finden Sie mehr als ein paar, die ein bisschen von beidem haben.

Für einige Anwendungen könnte eine sehr enge Toleranz wichtiger sein als die absolute Genauigkeit der Temperatur, die der Sensor meldet. Die Abweichung der Genauigkeit kann in der Software gehandhabt werden, wenn der Sensor in einem Labor charakterisiert wurde, um zu wissen, wie er meldet. Wenn Sie 1000 Proben nehmen, sind sie alle praktisch identisch, innerhalb einer sehr engen Toleranz, auch wenn alle Messungen 2°C abweichen.

In anderen Anwendungen könnte es wichtiger sein, die tatsächliche Temperatur zu kennen. Wenn Sie 1000 Sensormessungen durchführen, werden diese alle ein wenig variieren, sich aber im Allgemeinen um die tatsächliche Temperatur zentrieren. Sie könnten diese Messungen nehmen und mitteln, um ein besseres Verständnis für die tatsächliche Temperatur zu gewinnen; jedoch weicht jede augenblickliche Messung ein wenig ab.

Günstige Sensoren wie Thermistoren können im Vergleich zu anderen Optionen eine schlechte Genauigkeit und schlechte Toleranzen aufweisen. Diese Sensoren können für Anwendungen akzeptabel sein, bei denen Sie eine allgemeine Vorstellung von der Temperatur benötigen, wie zum Beispiel beim thermischen Schutz einer Leiterplatte. Um die frühere Analogie zu verwenden, sind Sensoren wie diese eher wie ein Anfänger-Bogenschütze, der auf ein Ziel schießt, deren Schüsse sind überall auf dem Ziel verteilt, und einige könnten sogar ganz verfehlen… aber zumindest haben Sie eine allgemeine Vorstellung von der Zielregion.

Sensor Test Board

Jede Woche werden wir über einen anderen Typ von Temperatursensor lernen. Sie werden jedoch alle eine gemeinsame Schnittstelle haben, um ihre Tests zu erleichtern. Wir werden zwei verschiedene Host-Boards haben, eines, das sich mit allen verschiedenen Sensoren verbinden und diese überwachen kann, und ein anderes, das schnell einen einzelnen Sensor testen kann. Beide Optionen werden einen USB-fähigen Mikrocontroller haben, um die Datenerfassung durchzuführen.

Jeder Sensor wird oben und unten einen Mezzanin-Steckverbinder haben, um sie stapeln zu können, sowie einen Satz Kontakte am Ende der Platine gegenüber dem Sensor. Diese Kontakte ermöglichen es, den Sensor in einen Kartenrandstecker auf dem Einzelsensortest-Host einzustecken.

Die stapelbaren Verbindungen ermöglichen eine hohe Dichte von Sensoren auf dem Mehrsensortester und gewährleisten, dass die Umgebungstemperatur um alle Sensoren herum einheitlich ist. Auf diese Weise können wir viele Sensoren in einem kleineren Bereich unterbringen, indem wir vertikal gehen, und dennoch saubere Luft um den Sensor herum halten. Wir werden die Sensoren über ihren vollen bewerteten Temperaturbereich hinaus testen sowie darauf achten, wie schnell der Sensor auf Temperaturänderungen reagieren kann. Daher wird das Halten aller Sensoren in sauberer Luft, aber nicht zu weit voneinander entfernt, einen besseren Vergleich ermöglichen.

Sensorplatinen-Vorlage

Da wir eine ganze Serie von Sensorplatinen herstellen werden, dachte ich, es wäre eine gute Idee, ein Vorlagenprojekt zu erstellen, das bereits ein Schaltbild und eine Platine mit definierten Steckverbindern hat. Dies wird sicherstellen, dass die Platinen gut stapeln, gut verbinden und auch viel Zeit pro Platine sparen.

Vorlagen in Altium sind unglaublich einfach zu implementieren. Bei anderer Software (nicht nur ECAD-Pakete) kann das Erstellen einer Vorlage eine echte Herausforderung sein, während Altium keine speziellen Dateitypen oder Anforderungen für eine Vorlage hat. Platzieren Sie einfach eine PCB, ein Schaltbild oder ein vollständiges Projekt in Ihrem Vorlagenverzeichnis. Beim nächsten Neustart wird es verfügbar sein. Einen Punkt möchte ich jedoch hervorheben: Stellen Sie sicher, dass Sie in Ihrer Vorlage nur Bibliotheken verwenden, die Sie installiert haben oder die in Altium 365 vorhanden sind, damit Altium immer die Footprints und Symbole finden kann, die Sie verwenden. Eine Datenbankbibliothek oder eine kompilierte integrierte Bibliothek, die zum Tab „Installiert“ Ihrer dateibasierten Bibliothekspräferenzen hinzugefügt wurde, sind großartige Möglichkeiten, wenn Sie noch nicht zu Altium 365 gewechselt haben.

Die analogen und digitalen Sensorplatinen werden das gleiche Platinenlayout haben, jedoch werden die elektrischen Verbindungen an den Anschlüssen unterschiedlich sein. Ich verwende die Hirose DF12(3.0)-14D Serie Mezzanin-Steckverbinder, um die Platinen zu stapeln, da sie einer der am häufigsten verfügbaren und günstigsten Steckverbinder sind. Die 3mm Höhe zwischen den Platinen ist perfekt für diese Sensoren, da sie einen kompakten Stapel ermöglicht, aber jeder Sensortyp sollte noch zwischen den Platinen passen können, ohne durch die Platine darüber oder darunter beeinflusst zu werden.

Analoger Temperatursensor-Vorlage

Um eine Projektvorlage zu erstellen, können wir damit beginnen, ein Projekt in Ihrem üblichen Verzeichnis zu erstellen, genau wie jedes andere Projekt. Fügen Sie dann ein Schaltbild und eine Leiterplatte genau so hinzu, wie Sie es normalerweise tun würden.

Um das Thema weiterzuführen, indem einfach ein Projekt aufgebaut wird, wie Sie es sowieso tun würden, fügen Sie die Teile des Schaltbilds hinzu, die für alle Projekte, die diese Vorlage verwenden, gemeinsam sein werden. Sie können diese Projektvorlage leicht mit Altium 365 speichern und darauf zugreifen. Zuerst müssen Sie das Projekt in Ihrem Altium 365 Arbeitsbereich mit dem Befehl "Projekt online verfügbar machen" aus dem Projekte-Panel platzieren.

Dieser Befehl wird das Projekt in Ihren Altium 365 Arbeitsbereich versetzen. Sie können das Projekt auch in eine formelle Versionskontrolle aufnehmen, sodass Änderungen an diesem Vorlagenprojekt automatisch verfolgt werden.

Nachdem Sie dieses Vorlagenprojekt in Altium 365 platziert haben, können Sie neue Sensorkarten erstellen, indem Sie das aktuelle Projekt klonen. Der einfachste Weg, dies zu tun, ist, über Ihren Webbrowser in Ihren Arbeitsbereich zu gehen und den Befehl "Klonen" zu verwenden. Dies wird eine Kopie des Projekts erstellen, die Sie dann in Altium Designer öffnen und modifizieren können. Es ist immer eine gute Idee, Ihre Vorlagenprojekte getrennt von Ihren Produktionsprojekten zu halten, indem Sie nach Möglichkeit ein Namens-/Nummerierungsschema verwenden. Wenn Sie das Projekt klonen, haben Sie die Möglichkeit, eine Namensänderung vorzunehmen, sodass Sie die Unterschiede zwischen der Vorlage und Ihrem neuen Produktionsprojekt nachverfolgen können.

Steckverbinder hinzufügen

Für dieses Projekt füge ich beide Mezzanin-Steckverbinder mit demselben Layout hinzu. Als ich die Footprints in meiner Bibliothek erstellt habe, habe ich darauf geachtet, dass Pin eins mit Pin 1 des gepaarten Steckverbinders übereinstimmt. Diese Entscheidung macht es wirklich einfach, Stacks zu erstellen, auch wenn sie möglicherweise nicht ganz der Pinnummerierung des Herstellers aus ihrer Fertigungszeichnung entspricht.

Mit den 14-poligen Steckverbindern kann ich sowohl 3,3V als auch 5V Versorgungen sowie zehn analoge Kanäle haben. Obwohl ich zehn Platinen stapeln könnte, werden einige der analogen Sensortopologien, die wir verwenden werden, in der Lage sein, Differenzialpaare für den Ausgang zu nutzen, und unsere Host-Platinen werden ADC-Eingänge haben, die Differenzialpaare unterstützen können.

Wie bereits erwähnt, möchte ich auch in der Lage sein, eine einzelne Platine an eine Platine anzuschließen, die mit einer einzelnen Sensor-Karte arbeiten kann, um eine schnelle und einfache Überprüfung der Platine oder das Testen des Sensors zu ermöglichen. Um dies zu tun, möchte ich Kontakte am Ende der Platine haben, damit sie in einen Kartenrandstecker eingesteckt werden kann.

Da es keine Notwendigkeit für 10 analoge Kanäle zum Kartenrand-Host gibt, habe ich zwei Null-Ohm-Widerstände als Netzverbindungen verwendet, was es mir auch ermöglicht, sie zu entfernen, wenn ich die analogen Verbindungen zu den Endstartpads isolieren möchte. Der Kartenrandstecker wird ein TE 5650118-3 sein, der 12 Pins für die Konnektivität bietet. Dennoch möchte ich die Möglichkeit haben, das Sensorboard in jeder Orientierung anzuschließen, ohne etwas zu beschädigen, daher sind die Verbindungen auf der Unterseite die gleichen wie oben - nur umgekehrt. Für die Vorlage gebe ich keinen Eingangsnetz zum Widerstand an, da dies von der spezifischen Sensorboard-Implementierung und davon abhängen wird, welchen analogen Kanal es verwendet. Für eine nicht-differentielle Sensorverbindung kann die negative Seite einfach im Sensorschaltplan mit dem Boden verbunden werden.

Auf der Leiterplatte habe ich ein 3mm Montageloch hinzugefügt, sodass der Stapel nicht ausschließlich durch den Mezzaninstecker unterstützt wird. Ich habe das Board hoffentlich groß genug dimensioniert für jede der Sensortopologien, die wir verwenden werden, wobei das Board 25mm breit und 50mm lang über den Randstecker hinaus ist.

Ich habe einen Siebdruck Schlüssel für die Kanäle hinzugefügt, damit ich in jede der Analogkanalboxen, die der Sensor verwenden wird, eine Füllregion einfügen kann, um sicherzustellen, dass beim Aufbau eines Sensorsatzes nicht zwei Kanäle mit demselben Analogport verbunden werden. Ich habe auch etwas Blindtext hinzugefügt, sodass jede Platine eine Sensortyp- und Topologiebeschreibung am gleichen Ort erhält, was mir am Ende ein schön abgestimmtes Set von Sensoren liefert.

Wie ich zu Beginn dieses Artikels erwähnt habe, müssen wir sicherstellen, dass der Sensor thermisch von dem Rest der Platine isoliert ist. Ich habe einen 3mm breiten gefrästen Schlitz zur Routing-Schicht hinzugefügt, der für die thermische Isolation am Ende der Platine sorgen wird. Dies ermöglicht es mir, Verstärker oder andere Wärmequellen zwischen dem Montageloch und dem Schlitz zu platzieren, wobei das Temperatursensorelement davon entfernt ist. Ein wichtiger Punkt, den man beachten sollte, wenn man Schlitze zur Platine hinzufügt, ist, einen Sperrpfad hinzuzufügen, der identisch mit dem Schlitzpfad ist. Nichts hindert einen daran, versehentlich über den Schlitz zu routen! Glücklicherweise ist es mir in der Vergangenheit immer gelungen, meine Fehler hier zu erkennen, wenn ich die letzten Überprüfungen vor dem Senden einer Platinendatei an ein Fertigungsunternehmen durchgeführt habe - aber es war manchmal wirklich knapp!

Beim Testen der Reaktionsrate der Sensoren möchte ich einen konsistenten Platinenbereich haben, sodass jeder Sensor gleich behandelt wird - ich werde versuchen, diese Schlitzgröße oder -position nicht zu ändern, während wir durch den Bau von Sensorplatinen gehen.

Während das alles schön aussieht und ein konsistentes Layout gewährleistet - eine der mächtigsten Funktionen einer Vorlage für ein Projekt wie dieses, bei dem wir eine ganze Reihe von nahezu identischen Platinen bauen, ist die Möglichkeit, all Ihre gemeinsamen Verdrahtungen bereits an Ort und Stelle zu haben.

Es dauert nicht allzu lange, zu verdrahten, aber wenn man es 20 oder mehr Male machen muss, wobei jede Platine gleich ist, wird diese Vorlage viel Zeit sparen!

Digitale Temperatursensor-Vorlage

Wir können denselben Prozess verwenden, um ein Vorlagenprojekt mit einer digitalen Version dieser Temperatursensorkarte zu erstellen. Anstatt zwei Versorgungsspannungen zu verwenden, um verschiedene analoge Temperatursensoren zu betreiben, werden wir I2C- und SPI-Busse auf der Platine verwenden, um mit digitalen Temperatursensoren zu kommunizieren. Das Vorlagenprojekt für diese Sensorkarte ist unten dargestellt. Sie könnten auch bemerken, dass ich in dem obigen Bild auch die Panelisierungsfunktionen in die Vorlage aufgenommen habe.

Ich habe unbeschichtete Pads entlang der Ausschnitte des gefrästen Schlitzes hinzugefügt, um Mausknabber-Features zu erstellen, die Laschen erzeugen, die bei der Herstellung des Designs leicht abgebrochen werden können. Ich wollte die Enden sauber gefräst halten und wollte keine raue V-Score-Kante entlang der langen Seiten der Platine - daher waren Mausknabber-Laschen die beste Option, um eine relativ saubere Kantenführung der Platine zu gewährleisten. Indem die Bohrungen direkt über dem Platinenrand platziert werden, wird reduziert, wie weit die Lasche von der Platine absteht. Diese Platinen werden nicht in ein eng anliegendes Gehäuse eingebaut, sodass die schlechte Maßtoleranz einer abgebrochenen Lasche der Platine keine Probleme mit Passform oder Funktion verursachen wird.

Da die Sensorplatinen einen 3mm Abstand zwischen den Platinenhöhen beim Koppeln haben, möchten wir eine Regel hinzufügen, um sicherzustellen, dass keine Komponenten platziert werden können, die mit einer Komponente darüber kollidieren würden. Höchstens kann eine Platine pro Stapel eine Komponente haben, die höher als 3mm ist, die oberste Komponente.

Neben unseren üblichen Designregeln ändere ich auch die Standard-Platzierungs-/Höhenregel, um die Höhe auf 2,9 mm zu begrenzen. In meiner Celestial Altium Library hat jedes Bauteil ein genaues 3D-Modell, einschließlich aller Kondensatoren, was sicherstellt, dass ich nicht versehentlich einen Kondensator oder ein anderes Bauteil platziere, das nur ein wenig zu hoch ist.

Anstatt bei dem digitalen Temperatursensor von Grund auf neu zu beginnen, werde ich stattdessen eine Kopie der oben gezeigten analogen Projektvorlage machen und die notwendigen Änderungen am Schaltplan vornehmen, dann ein wenig Umverdrahtung auf der Platine durchführen.

Die Anschlussbelegung muss vollständig geändert werden, um unsere beiden digitalen Protokolle zu unterstützen: SPI und I2C. Alle zusätzlichen Pins sind den Chip-Select-Leitungen für die SPI-basierten Sensoren gewidmet. Das bedeutet, dass das Multi-Sensor-Board eine Firmware benötigen wird, die weiß, welcher Sensor an welcher Chip-Select-Leitung sein wird.

Der Kartenrandstecker ist nicht so elegant, wie ich es mir wünschen würde. Dadurch, dass die Platine umkehrbar in der Fassung ist, gibt es nicht genügend Kontakte, um sowohl SPI als auch I2C gleichzeitig freizulegen. Ich konnte keinen leicht verfügbaren, kostengünstigen Umschalter finden, der die Höhenbeschränkung von 3mm des Platinendesigns erfüllen würde - daher verwende ich selektiv bestückte Widerstände. Obwohl die Vorlage alle vier Widerstände hat, beabsichtige ich, den ungenutzten Widerstand auf den endgültigen Platinen vollständig zu entfernen.

Genau wie beim analogen Design habe ich einen Widerstand als Netzverbindung für die Chip-Select-Leitung, um die richtige Chip-Select-Leitung auf den Pin am Kartenrandstecker zu mappen. Die Platine sieht der analogen Platine sehr ähnlich, da ich gerade das Schaltbild dafür aktualisiert habe, sodass alles konsistent sein wird, wenn wir zum Punkt des Testens des Designs kommen. Dies ist wichtig, um sicherzustellen, dass digitale Sensoren im Vergleich zu ihren analogen Gegenstücken aufgrund des Platinendesigns keine falsch positiven oder negativen Ergebnisse in Bezug auf die Leistung haben werden. Wir möchten einen sauberen Vergleich zwischen den Sensoren, nicht deren Montagemethoden.

Wie beim analogen Design habe ich einen Bereich des Siebdrucks markiert, um anzuzeigen, welche Chip-Select-Leitung(en) dieses spezielle Board verwendet, falls es SPI nutzt. Dies ermöglicht es mir sicherzustellen, dass der Stapel nur einzigartige Chip-Selects enthält.

Wie beim analogen Board wird mir das bereits abgeschlossene Routing der Anschlüsse für jedes Sensorboard viel Zeit sparen. Dies ermöglicht es mir, mich auf die Sensoren zu konzentrieren, anstatt auf das gesamte Anschlussrouting für jedes Board.

Beide Projekte als Projektvorlagen speichern

Eine weitere Option, um diese Sensor-Karten wiederzuverwenden, besteht darin, für jede davon eine Projektvorlage zu erstellen. Dies ist nicht dasselbe wie ein Projekt, das als Vorlage verwendet wird, d.h. ein Projekt, das Sie klonen und dann modifizieren, wie wir es hier getan haben.

Die andere Möglichkeit, schnell die Einstellungen und Dateien unserer bestehenden Sensor-Karte anzuwenden, besteht darin, den Befehl "Projekt als Vorlage auf Server speichern" im Dateimenü zu verwenden. Dies wird eine neue Vorlage aus Ihrem Projekt im Ordner "Managed Content\Templates\Project Templates" in Ihrem Altium 365 Workspace erstellen. Wenn Sie nun eine neue Sensor-Karte für einen analogen oder digitalen Sensor erstellen möchten, können Sie diese Vorlage in Ihrem neuen Projekt innerhalb von Altium Designer anwenden.

Arten von Temperatursensoren

Im Rahmen dieser Artikelserie werden wir uns mit allen wichtigen Arten von Sensoren beschäftigen. Wir werden Sensorkarten unter Verwendung der hier erstellten Vorlagen für jede wichtige Topologie zur Verwendung des Sensortyps bauen, damit wir sie alle unter realen Bedingungen vergleichen können. Obwohl einige Topologien sicherlich besser als andere sind, wird es interessant sein zu sehen, wie viel es ausmacht, wenn man realen Bedingungen gegenübersteht.

Wir werden bewerten:

• Negative Temperature Coefficient (NTC) Thermistoren
• Positive Temperature Coefficient (PTC) Thermistoren
• Widerstandstemperaturfühler (RTD)
• Analoge Temperatursensor-ICs
• Digitale Temperatursensor-ICs
• Thermoelemente

Am Ende der Serie werden wir die beiden Host-Platinen entwerfen und dann die Chance bekommen, alle Sensoren durch eine Vielzahl von unangenehmen Temperatur-Extremen direkt miteinander zu vergleichen!

Bauen Sie Ihre eigene Sensorkarte

Sie können Ihre Sensoren mit diesen Vorlagen bauen und sie mit den Host-Platinen verwenden, die wir am Ende der Serie erstellen werden. Schauen Sie sich das Repository auf GitHub an, um die Vorlagen herunterzuladen und lokal zu verwenden. 

Sie finden auch alle Sensor-Karten, die wir im Rahmen dieser Serie entwickeln, im selben GitHub-Repository. So könnten Sie vielleicht einen ersten Blick auf das werfen, was als Nächstes in der Serie kommt, indem Sie das Repository überprüfen!

Wie immer sind diese Projekte Open Source und unter der MIT-Lizenz veröffentlicht, was Ihnen erlaubt, sie mit sehr wenigen Einschränkungen zu nutzen. Wenn Sie bereit sind, Ihre Temperatursensor-Karte und Prozessorplatine zu bauen, verwenden Sie die PCB-Design-Tools in Altium Designer®. Wenn Sie Ihr Design abgeschlossen haben und es mit Ihren Teamkollegen teilen möchten, erleichtert die Plattform Altium 365™ die Zusammenarbeit und das Teilen Ihrer Projekte. Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Sie können die Produktseite für eine detailliertere Funktionsbeschreibung oder eines der On-Demand Webinare überprüfen.