Proyecto de Sensor de Temperatura: Circuitos Integrados de Sensor de Temperatura Analógico

En este artículo, estamos viendo la cuarta clase de sensores de temperatura en una serie de artículos que tratan sobre la medición de la temperatura. En la introducción, creamos un conjunto de plantillas de proyecto que nos permitirán desarrollar tarjetas de sensores analógicas o digitales apilables para probar diferentes tipos de sensores de temperatura. Al final de la serie, estaremos construyendo un conjunto de placas base para estas, lo que nos permitirá comparar el rendimiento y la precisión no solo de los diferentes tipos de sensores, sino también de las diversas implementaciones para estos sensores.

En esta serie, vamos a echar un vistazo a una amplia gama de sensores de temperatura. Hablaremos sobre sus ventajas y desventajas, así como las topologías comunes para su implementación. La serie cubrirá:

• Termistores de Coeficiente de Temperatura Negativo (NTC)
• Termistores de Coeficiente de Temperatura Positivo (PTC)
• Detectores de Temperatura de Resistencia (RTD)
• ICs de Sensor de Temperatura Analógicos
• ICs de Sensor de Temperatura Digitales
• Termopares

Hoy estamos viendo circuitos integrados de sensores de temperatura analógicos; solo tendremos una implementación por circuito, a diferencia de los artículos anteriores. Estos circuitos integrados se encargan de toda la linealización y amplificación que hemos tenido que hacer por nuestra cuenta cuando usamos un elemento resistivo para la detección de temperatura. Estos sensores pueden tener internamente una gama de diferentes topologías y tipos de sensores, pero su implementación interna no nos importa. Todos proporcionan una salida relativamente lineal que es muy adecuada para su uso directo con un convertidor de analógico a digital (ADC) de un microcontrolador o con circuitos analógicos.

Con un pequeño número de componentes de apoyo requeridos, su alta precisión y un voltaje de salida conveniente, podrías pensar que usar un sensor analógico IC va a ser sustancialmente más caro que implementar el tuyo propio usando uno de los elementos de detección discretos que ya hemos visto. Generalmente, lo contrario es cierto. Típicamente, puedes agregar un sensor de temperatura analógico IC a tu circuito por un costo menor que todas pero las implementaciones más básicas de un sensor de temperatura basado en componentes discretos, y la salida será mucho más precisa y lineal.

Como en todos mis proyectos, puedes encontrar los detalles del proyecto, los esquemáticos y los archivos de la placa en GitHub junto con las otras implementaciones de sensores de temperatura. El proyecto se publica bajo la licencia de código abierto MIT, lo que te permite usar los diseños o cualquier parte de ellos para fines personales o comerciales, como desees.

Arriba está el diseño de PCB sobre el que estarás leyendo en el Altium 365 Viewer, una forma gratuita de conectarte con tus compañeros de trabajo, clientes y amigos con la capacidad de ver el diseño o descargarlo con un solo clic de un botón. ¡Sube tu diseño en cuestión de segundos y ten una manera interactiva de echar un vistazo en profundidad sin ningún software pesado o potencia de computadora!

Sensores de Temperatura Analógicos IC

Con las muchas opciones de implementación de los tipos de sensores anteriores que hemos visto en los artículos precedentes, a estas alturas podrías estar pensando que medir la temperatura es un trabajo bastante arduo cuando se utilizan componentes pasivos. Si lo que buscas es simplemente un voltaje lineal que se correlacione estrechamente con la temperatura, entonces podrías considerar mejor el uso de un sensor de temperatura analógico. El voltaje analógico te permite muestrear la temperatura utilizando un pin ADC de un microcontrolador. Alternativamente, puedes usar la salida para alimentar otros circuitos analógicos como un comparador para proporcionar control de temperatura o características de seguridad sin necesidad de usar un microcontrolador u otro dispositivo digital.

Internamente, estos sensores típicamente funcionarán de manera bastante similar a los componentes pasivos que hemos visto anteriormente. Sin embargo, tienen compensación incorporada para linearizar sus salidas. Cuando la salida es menos que perfectamente lineal, la hoja de datos típicamente incluirá una fórmula para permitir la conversión precisa del voltaje a temperatura sin necesidad de probar el sensor en el laboratorio para determinar las variables de compensación. Esto simplifica enormemente el proceso de ingeniería en comparación con calificar un circuito construido usando un elemento resistivo y amplificadores operacionales o de instrumentación.

A pesar de esta conveniencia, los sensores de temperatura de circuitos integrados analógicos son más baratos que los componentes pasivos que hemos examinado con niveles comparables de precisión/exactitud. Por el costo de cualquier implementación distinta a un divisor de voltaje, podrías comprar un sensor analógico. Los rangos de temperatura de detección de los IC son más limitados que para un RTD, pero son similares al rango anunciado para un termistor. El silicio en los sensores y el hecho de que tienden a ser soldados en una placa o cables serán el factor limitante para la temperatura máxima, sin embargo, a pesar de esto, el rango de detección mínimo y máximo puede caer típicamente entre -55°C y 150°C. Este rango de temperatura debería ser suficiente para la gran mayoría de proyectos que necesitan detectar las condiciones ambientales en un lugar donde otros dispositivos electrónicos están operando.

Para este proyecto, echaremos un vistazo a tres sensores diferentes que tienen una variedad de temperaturas de operación y precisiones junto con un amplio rango de voltaje de entrada.

Estos dispositivos fueron elegidos para demostrar una amplia gama de puntos de precio y rendimiento. En el artículo final de esta serie, los llevaremos más allá de sus calificaciones de temperatura de operación para ver cómo responden a través de todo su rango de detección y más allá.

Implementación de Sensor Analógico: Texas Instruments LMT87DCKT

El LMT87 de Texas Instruments es un pequeño sensor de temperatura CMOS de tamaño SC-70. De todos los sensores analógicos que estamos investigando para este proyecto, el LMT87 tiene la precisión típica más alta de 0.4%. Sin embargo, incluso la precisión en el peor de los casos de +/- 2.7°C sigue estando por delante de los otros sensores. Aunque su corriente en reposo también es menor que la de los demás, al menos cuando se utiliza una fuente de 2.7 V, también tiene un tiempo de encendido de solo 0.7 milisegundos. Esto lo hace aún más eficiente en términos de energía si se cicla la alimentación justo antes de tomar una medición de temperatura, lo que lo convierte en el sensor ideal para aplicaciones con limitaciones de energía o de bajo consumo. Con el muy bajo consumo de energía del dispositivo, se puede alimentar directamente desde un microcontrolador u otro dispositivo lógico sin tener que preocuparse por exceder las calificaciones máximas para el pin IO. Para aplicaciones de voltaje más bajo, hay más opciones en la serie de dispositivos LMT8x que admiten operar con suministros de hasta 1.5 V, sin embargo, con una ganancia reducida para acompañar el rango de voltaje de suministro reducido.

Vale la pena mencionar que el LMT87 también está disponible en una variante calificada para automoción, lo que puede ser útil para algunos usuarios.

Para la implementación de este sensor, estoy añadiendo un capacitor de desacoplamiento y un capacitor de salida. La hoja de datos especifica que ninguno es requerido; sin embargo, queremos permitir que este sensor tenga la mejor oportunidad de destacar en nuestras pruebas. El capacitor de salida no es estrictamente necesario, pero permite que un SAR para ADC pueda extraer ráfagas de corriente mientras realiza las muestras. Esto lo hace sin afectar negativamente la lectura en caso de que el sensor de temperatura no pueda suministrar la corriente instantánea requerida para mantener el voltaje de salida donde debería estar para la lectura de temperatura. Los números de parte de ambos capacitores ya están siendo utilizados para otros proyectos en esta serie, por lo que estos no añadirán significativamente al costo total ni al número de componentes que necesitan ser ordenados.

La hoja de datos amablemente proporciona un diseño sugerido para la variante de montaje superficial del componente que estamos utilizando; sin embargo, me he desviado ligeramente de él. Donde la hoja de datos sugiere conectar a planos de tierra y de alimentación, yo estoy conectando a pistas en su lugar. Realmente no quiero añadir un vertido de tierra en la capa inferior, ya que podría influir en los resultados de las pruebas/comparaciones de temperatura que realizaremos más adelante en la serie. Al tener un vertido de tierra, con su masa térmica/conductividad, presente bajo el sensor LMT87 pero no bajo ninguno de los otros elementos de detección que estamos utilizando, podría afectar los resultados. Por lo tanto, no demostrará con precisión el rendimiento del sensor.

En la vista 3D, puedes ver que he posicionado el sensor en la misma posición que los otros diseños en los que hemos trabajado anteriormente en esta serie de artículos. He colocado el capacitor de desacoplamiento de la fuente de alimentación junto al IC. Sin embargo, he colocado el capacitor de desacoplamiento para la salida analógica junto al conector, donde puede ser más útil.

La forma de la placa y las conexiones son todas proporcionadas por la plantilla de proyecto/placa que creamos en la primera parte de esta serie, Proyecto de Sensor de Temperatura: Introducción.

Implementación de Sensores Analógicos: Texas Instruments LM62

El Texas Instruments LM62 existe desde finales de los 90 y aún es relevante hoy en día. Aunque su precisión y rango de detección no son tan buenos como los de otros sensores, sigue siendo un sensor muy práctico para muchas aplicaciones. El LMT87 que vimos anteriormente es más preciso, consume menos corriente y es mucho más moderno que el LM62, además de estar disponible a un costo menor, ¿entonces por qué incluir el LM62 en esta lista? Pensé que sería interesante para este ejercicio incluir un componente que todavía es relativamente común y que tiene las desventajas de un efecto de auto-calentamiento medible y un rango de detección de temperatura limitado.

El LM62 tiene algunas ventajas, sin embargo, como una mayor ganancia del sensor de 15.6 mV/°C y un rango de voltaje operativo que se extiende hasta 10 V. Además, con el rango de temperatura limitado, el voltaje de salida a su temperatura máxima de detección de 90°C es de 1.884 V. Esto permite que se aplique una ganancia adicional usando un amplificador operacional o un amplificador de instrumentación. Esto proporciona una ganancia aún mayor a través de todo el rango de detección si estás utilizando un microcontrolador de 3.3 V o un rango de detección completo que está dentro de las capacidades de un dispositivo lógico de voltaje más bajo.

El LM62 también tiene una excelente linealidad en su rango de temperatura de detección, con una desviación máxima de solo 0.8°C.

Al igual que con el LMT87, el LM62 puede ser alimentado desde un pin de IO de cualquier microcontrolador o dispositivo lógico; aunque su consumo de corriente es significativamente mayor, sigue siendo una pequeña fracción de la potencia que un pin de microcontrolador puede suministrar.

Como con el LMT87 mencionado anteriormente, estoy implementando los capacitores opcionales para el LM62. El LM62 no necesita un capacitor de desacoplamiento instalado en la entrada o salida; sin embargo, la hoja de datos tiene una sugerencia para un filtro para usar en ambientes ruidosos. Las placas de evaluación que construimos no estarán situadas en un ambiente electromagnéticamente ruidoso. Sin embargo, el tiempo de respuesta del LM62 es significativamente más lento que la constante de tiempo del filtro RC en la salida, formado por el capacitor de 1 uF. Como resultado, la respuesta general del LM62 no se verá significativamente afectada.

Mencioné al inicio de este artículo que podrías preferir usar un sensor analógico en lugar de uno digital ya que puede ser más conveniente para integrarlo en circuitos de control analógicos. Dado que estamos hablando sobre opciones de implementación y recomendaciones de hojas de datos - la hoja de datos para el LM62 tiene un buen ejemplo de termostato, el cual podría tener muchas aplicaciones en circuitos de control, incluso solo para encender un ventilador o un calentador sin necesidad de la intervención de un microcontrolador.

La placa está dispuesta de manera muy similar a la del LM87, con el capacitor de desacoplamiento de la fuente de alimentación al lado del IC del sensor, y el voltaje de salida del sensor desacoplado cerca de los conectores de apilamiento.

Implementación de Sensor Analógico: Maxim Integrated MAX6605MXK

El MAX6605 de Maxim Integrated es otro sensor de temperatura moderno en el mismo pequeño paquete SC70 que el LMT87. A 25°C, el MAX6605 tiene un error de temperatura de +/- 0.75°C. Sin embargo, a lo largo de su rango completo, ese error aumenta a un máximo de +/- 5.8°C, lo que podría no sonar fantástico, aunque esto es para un rango de sensado de -55°C a 125°C. En el rango de 0°C a 70°C, donde la mayoría de los dispositivos domésticos operarían comúnmente, su error de temperatura es de +/- 3.0°C.

Alimentando un ADC típico, el sensor de temperatura consumiría alrededor de 10 uA de corriente, lo que se relaciona con un aumento de la temperatura del die por encima del ambiente de solo 0.0162°C, mucho mejor que el LM62 que vimos anteriormente. Este bajo consumo de energía también hace que el MAX6605 sea capaz de ser alimentado directamente por un pin de microcontrolador u otro dispositivo lógico, lo que puede facilitar su conmutación autónoma para optimizar el consumo de energía.

Al leer la hoja de datos, pensé que era interesante que indicara que hay 572 transistores en el dispositivo. Texas Instruments no tiene este nivel de información en sus hojas de datos de sensores de temperatura. Sin embargo, esto demuestra cuánto más está sucediendo dentro de un sensor de temperatura de circuito integrado en comparación con los circuitos que hemos visto anteriormente con un elemento resistivo y un amplificador operacional. Para comparar, el amplificador operacional LM741 contiene solo 20 transistores. Esto muestra que, aunque los sensores de temperatura pueden parecer ser dispositivos bastante simples, en realidad son bastante complicados.

El MAX6605 recomienda un condensador de desacoplamiento de entrada de 0.1 uF, mientras que los otros sensores que hemos visto pueden operar satisfactoriamente sin un condensador de entrada.

Como no hay sugerencia en la hoja de datos para agregar un condensador de salida, entonces no agregaré uno para el MAX6605.

El PCB para el MAX6605 es agradable y sencillo, con solo el condensador de desacoplamiento y el IC del sensor para agregar.

Conclusión

Los ICs de sensores de temperatura analógicos son una manera fácil de agregar un sensor relativamente preciso a tu placa de circuito, ya sea que busques medir la temperatura ambiente o la temperatura de un componente específico o área de tu placa. Con muchas opciones que no requieren circuitos externos adicionales, ofrecen una solución altamente compacta y rentable.

En este artículo, solo hemos visto tres sensores de los cientos de dispositivos que los principales proveedores tienen en stock regularmente. Deberías echar un vistazo a los sensores de temperatura analógicos disponibles en Octopart para tener una idea de la gama de capacidades ofrecidas. Hay una opción adecuada para cada presupuesto y aplicación que puedas imaginar, ya sea que desees una salida de voltaje similar a lo que hemos visto aquí, o una fuente de corriente que varía con la temperatura.

En mi opinión, con la amplia gama de interfaces de comunicación disponibles en los microcontroladores modernos y otros dispositivos lógicos, un sensor de temperatura analógico típicamente solo sería útil con otros circuitos analógicos, o si el presupuesto fuera la principal preocupación. Los sensores de temperatura analógicos son perfectos para crear termostatos para activar un ventilador cuando una placa de circuito se calienta demasiado, o para encender un calentador cuando una placa se enfría demasiado. Construir esta funcionalidad con circuitos en lugar de firmware puede reducir el tiempo de desarrollo para opciones no configurables, ahorrar ciclos de reloj y también aumentar la fiabilidad. Al no tener que depender del código para hacer lo que necesita ser hecho cuando necesita ser hecho, podemos asegurar que la gestión térmica de la placa continuará funcionando sin problemas, sin importar lo que el dispositivo lógico esté haciendo. No tenemos que preocuparnos si, por ejemplo, el código se ha bloqueado o está demasiado ocupado para tratar una interrupción causada por un problema térmico de manera oportuna.

En el próximo artículo, estaremos viendo los sensores de temperatura digitales. Estos son perfectos para integrar lecturas de temperatura de alta precisión en el procesamiento de un microcontrolador. Ya sea que necesites informar/registrar una temperatura, mostrarla a un usuario o realizar algunas otras acciones basadas en la temperatura absoluta o en cambios de temperatura. Tener un sensor de temperatura digital puede permitirte omitir las calibraciones de ADC y obtener la temperatura detectada exacta transferida directamente a la memoria.

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