Projet de capteur de température : Circuits intégrés de capteur de température analogique

Dans cet article, nous examinons la quatrième classe de capteurs de température dans une série d'articles consacrés à la mesure de la température. Dans l'introduction, nous avons créé un ensemble de modèles de projets qui nous permettront de développer des cartes de capteurs empilables, analogiques ou numériques pour tester différents types de capteurs de température. À la fin de la série, nous construirons un ensemble de cartes hôtes pour celles-ci, ce qui nous permettra de comparer la performance et la précision non seulement des différents types de capteurs, mais aussi des diverses implémentations pour ces capteurs.

Dans cette série, nous allons examiner une large gamme de capteurs de température. Nous parlerons de leurs avantages et inconvénients ainsi que des topologies communes pour leur mise en œuvre. La série couvrira :

• Les thermistances à Coefficient de Température Négatif (NTC)
• Les thermistances à Coefficient de Température Positif (PTC)
• Les détecteurs de température à résistance (RTD)
• Les circuits intégrés de capteurs de température analogiques
• Les circuits intégrés de capteurs de température numériques
• Les thermocouples

Aujourd'hui, nous examinons les circuits intégrés de capteurs de température analogiques - nous n'aurons qu'une seule mise en œuvre par circuit, contrairement aux articles précédents. Ces circuits intégrés prennent en charge toute la linéarisation et l'amplification que nous avons dû gérer nous-mêmes lors de l'utilisation d'un élément résistif pour la détection de température. Ces capteurs peuvent interne avoir une gamme de différentes topologies et types de capteurs, mais leur mise en œuvre interne ne nous importe pas. Ils fournissent tous une sortie relativement linéaire qui convient bien pour une utilisation directe avec un convertisseur analogique-numérique (CAN) de microcontrôleur ou avec des circuits analogiques.

Avec un petit nombre de composants de support requis, leur haute précision et leur tension de sortie pratique, vous pourriez penser que l'utilisation d'un CI de capteur analogique va être substantiellement plus coûteuse que la mise en œuvre de votre propre solution en utilisant l'un des éléments de détection discrets que nous avons déjà examinés. Généralement, c'est le contraire qui est vrai. Vous pouvez typiquement ajouter un CI de capteur de température analogique à votre circuit pour un coût inférieur à toutes les mises en œuvre sauf les plus basiques d'un capteur de température à base de composants discrets, et la sortie sera bien plus précise et linéaire.

Comme pour tous mes projets, vous pouvez trouver les détails du projet, les schémas et les fichiers de la carte sur GitHub avec les autres implémentations de capteurs de température. Le projet est publié sous la licence open-source MIT, ce qui vous permet d'utiliser les conceptions ou toute partie d'elles à des fins personnelles ou commerciales, comme vous le souhaitez.

Voici le design du PCB dont vous allez lire dans le Altium 365 Viewer, une manière gratuite de vous connecter avec vos collègues, clients et amis avec la possibilité de voir le design ou de le télécharger en un seul clic ! Téléchargez votre design en quelques secondes et disposez d'une manière interactive de l'examiner en profondeur sans logiciel encombrant ni puissance informatique.

Capteurs de température analogiques à CI

Avec les nombreuses options de mise en œuvre des types de capteurs précédents que nous avons examinés dans les articles précédents, vous pourriez penser à ce stade que la détection de la température représente beaucoup de travail difficile lorsqu'on utilise des composants passifs. Si vous souhaitez simplement une tension linéaire simple qui correspond étroitement à la température, alors il serait peut-être préférable de vous tourner vers un capteur de température analogique. La tension analogique vous permet d'échantillonner la température en utilisant une broche ADC de microcontrôleur. Alternativement, vous pouvez utiliser la sortie pour alimenter d'autres circuits analogiques tels qu'un comparateur pour fournir un contrôle de la température ou des fonctionnalités de sécurité sans avoir besoin d'utiliser un microcontrôleur ou un autre dispositif numérique.

À l'intérieur, ces capteurs fonctionneront typiquement de manière assez similaire aux composants passifs que nous avons précédemment examinés. Cependant, ils disposent d'une compensation intégrée pour linéariser leurs sorties. Lorsque la sortie est moins que parfaitement linéaire, la fiche technique inclura typiquement une formule pour permettre la conversion précise de la tension en température sans avoir besoin de tester le capteur en laboratoire pour déterminer les variables de compensation. Cela simplifie grandement le processus d'ingénierie par rapport à la qualification d'un circuit construit en utilisant un élément résistif et des amplificateurs opérationnels ou d'instrumentation.

Malgré cette commodité, les capteurs de température à circuit intégré analogique sont moins chers que les composants passifs que nous avons examinés avec des niveaux de précision comparables. Pour le coût de toute mise en œuvre autre qu'un diviseur de tension, vous pourriez acheter un capteur analogique. Les plages de température de détection des CI sont plus limitées que pour un RTD, mais elles sont similaires à la plage annoncée pour une thermistance. Le silicium dans les capteurs et le fait qu'ils tendent à être soudés sur une carte ou des fils seront le facteur limitant pour la température maximale, pourtant malgré cela, la plage de détection min et max peut typiquement se situer entre -55°C et 150°C. Cette plage de température devrait être suffisante pour la grande majorité des projets qui ont besoin de détecter les conditions environnementales dans un lieu où d'autres dispositifs électroniques fonctionnent.

Pour ce projet, nous examinerons trois capteurs différents qui ont une variété de températures de fonctionnement et de précisions ainsi qu'une large plage de tension d'entrée.

Ces dispositifs ont été choisis pour démontrer une large gamme de points de prix et de performance. Dans le dernier article de cette série, nous les soumettrons à des températures supérieures à leurs spécifications de fonctionnement pour voir comment ils réagissent sur l'ensemble de leur plage de détection et au-delà.

Implémentation de capteur analogique : Texas Instruments LMT87DCKT

Le LMT87 de Texas Instruments est un petit capteur de température CMOS de taille SC-70. Parmi tous les capteurs analogiques que nous examinons pour ce projet, le LMT87 présente la précision typique la plus élevée, soit 0,4 %. Cependant, même la précision en pire cas de +/- 2,7 °C est encore supérieure à celle des autres capteurs. Bien que son courant de repos soit également inférieur à celui des autres, au moins lorsqu'il est alimenté par une tension de 2,7 V, il possède également un temps de mise sous tension de seulement 0,7 millisecondes. Cela le rend encore plus économe en énergie si vous cyclez l'alimentation juste avant de prendre une mesure de température, ce qui en fait le capteur idéal pour les applications à faible puissance / contraintes de puissance. Avec la très faible consommation d'énergie du dispositif, il peut être alimenté directement par un microcontrôleur ou un autre dispositif logique sans avoir à se soucier de dépasser les valeurs maximales pour la broche IO. Pour les applications à basse tension, il existe d'autres options dans la série de dispositifs LMT8x qui supportent des alimentations jusqu'à 1,5 V, cependant, avec un gain réduit pour accompagner la plage de tension d'alimentation réduite.

Il est important de noter que le LMT87 est également disponible dans une variante qualifiée pour l'automobile, ce qui peut être utile pour certains utilisateurs.

Pour la mise en œuvre de ce capteur, j'ajoute un condensateur de découplage et un condensateur de sortie. La fiche technique précise qu'aucun des deux n'est requis ; cependant, nous souhaitons permettre à ce capteur d'avoir la meilleure opportunité de briller lors de nos tests. Le condensateur de sortie n'est pas strictement nécessaire, mais il permet à un SAR vers ADC de tirer des rafales de courant lorsqu'il échantillonne. Il fait cela sans affecter négativement la lecture si le capteur de température est incapable de fournir le courant instantané requis pour maintenir la tension de sortie là où elle devrait être pour la lecture de la température. Les numéros de pièce des deux condensateurs sont déjà utilisés pour d'autres projets de cette série, donc ils n'ajouteront pas significativement au coût total ni au nombre de composants qui doivent être commandés.

La fiche technique fournit aimablement un agencement suggéré pour la variante de montage en surface du composant que nous utilisons ; cependant, j'ai légèrement dévié de celui-ci. Là où la fiche technique suggère de se connecter aux plans de masse et d'alimentation, je me connecte à des pistes à la place. Je ne veux pas vraiment ajouter un plan de masse sur la couche inférieure, car cela pourrait influencer les résultats des tests/comparaisons de température que nous effectuerons plus tard dans la série. En ayant un plan de masse, avec sa masse thermique/conductivité, présent sous le capteur LMT87 mais pas sous aucun des autres éléments de détection que nous utilisons, cela pourrait affecter les résultats. Cela ne démontrera donc pas avec précision la performance du capteur.

Dans la vue 3D, vous pouvez voir que j'ai positionné le capteur à la même place que dans les autres conceptions sur lesquelles nous avons travaillé précédemment dans cette série d'articles. J'ai placé le condensateur de découplage de l'alimentation électrique à côté du CI. Cependant, j'ai placé le condensateur de découplage pour la sortie analogique à côté du connecteur, là où il peut être le plus utile.

La forme de la carte et les connexions sont toutes fournies par le modèle de projet/carte que nous avons créé dans la première partie de cette série, Projet de Capteur de Température : Intro.

Mise en œuvre de capteur analogique : Texas Instruments LM62

Le Texas Instruments LM62 existe depuis la fin des années 90 et reste pourtant pertinent aujourd'hui. Bien que sa précision et sa plage de détection ne soient pas aussi bonnes que celles d'autres capteurs, il reste un capteur très pratique pour de nombreuses applications. Le LMT87 que nous avons examiné ci-dessus est plus précis, consomme moins de courant et est beaucoup plus moderne que le LM62, tout en étant également disponible à un coût inférieur - alors pourquoi inclure le LM62 dans cette liste ? J'ai pensé qu'il serait intéressant pour cet exercice d'inclure un composant qui est encore relativement courant et qui présente pourtant les inconvénients d'un effet d'auto-échauffement mesurable et d'une plage de détection de température limitée.

Le LM62 présente toutefois certains avantages, tels qu'un gain de capteur plus élevé à 15,6 mV/°C et une plage de tension de fonctionnement qui s'étend jusqu'à 10 V. De plus, avec la plage de température limitée, la tension de sortie à sa température de détection maximale de 90°C est de 1,884 V. Cela permet d'appliquer un gain supplémentaire à l'aide d'un amplificateur opérationnel ou d'un amplificateur d'instrumentation. Cela fournit un gain encore plus élevé sur toute la plage de détection si vous utilisez un microcontrôleur de 3,3 V ou une plage de détection complète qui est dans les capacités d'un dispositif logique de tension inférieure.

Le LM62 présente également une excellente linéarité sur sa plage de température de détection, avec un écart maximal de seulement 0,8°C.

Comme pour le LMT87, le LM62 peut être alimenté par une broche IO de n'importe quel microcontrôleur ou dispositif logique ; bien que sa consommation de courant soit significativement plus élevée, elle reste une petite fraction de la puissance qu'une broche de microcontrôleur peut fournir.

Comme pour le LMT87 ci-dessus, je mets en œuvre les condensateurs optionnels pour le LM62. Le LM62 n'a pas besoin d'un condensateur de découplage monté sur l'entrée ou la sortie ; cependant, la fiche technique suggère un filtre pour une utilisation dans des environnements bruyants. Les cartes d'évaluation que nous construisons ne seront pas réellement situées dans un environnement électromagnétiquement bruyant. Cependant, le temps de réponse du LM62 est significativement plus lent que la constante de temps du filtre RC à la sortie, formé par le condensateur de 1 uF. En conséquence, la réponse globale du LM62 ne sera pas significativement affectée.

J'ai mentionné au début de cet article que vous pourriez préférer utiliser un capteur analogique plutôt qu'un numérique car cela peut être plus pratique pour l'intégration dans des circuits de contrôle analogiques. Puisque nous parlons des options de mise en œuvre et des recommandations des fiches techniques - la fiche technique du LM62 présente un bel exemple de thermostat, qui pourrait avoir de nombreuses applications dans les circuits de contrôle, même juste pour activer un ventilateur ou un chauffage sans nécessiter l'intervention d'un microcontrôleur.

La carte est agencée de manière très similaire à celle du LM87, avec le condensateur de découplage de l'alimentation électrique à côté du CI du capteur, et la tension de sortie du capteur découplée près des connecteurs d'empilage.

Implémentation de Capteur Analogique : Maxim Integrated MAX6605MXK

Le MAX6605 de Maxim Integrated est un autre capteur de température moderne dans le même petit boîtier SC70 que le LMT87. À 25°C, le MAX6605 présente une erreur de température de +/- 0,75°C. Cependant, sur sa plage complète, cette erreur augmente jusqu'à un maximum de +/- 5,8°C, ce qui peut ne pas sembler fantastique, bien que cela soit pour une plage de détection de -55°C à 125°C. Dans la plage de 0°C à 70°C, où la plupart des appareils ménagers fonctionneraient couramment, son erreur de température est de +/- 3,0°C.

En pilotant un ADC typique, le capteur de température consommerait environ 10 uA de courant, ce qui se traduit par une augmentation de la température du die au-dessus de l'ambiant de seulement 0,0162°C, bien mieux que le LM62 que nous avons examiné précédemment. Cette faible consommation d'énergie rend également le MAX6605 capable d'être alimenté directement par une broche de microcontrôleur ou d'un autre dispositif logique, ce qui peut faciliter sa commutation autonome pour optimiser la consommation d'énergie.

En lisant la fiche technique, j'ai trouvé intéressant qu'elle mentionne que le dispositif contient 572 transistors. Texas Instruments ne fournit pas ce niveau d'information dans leurs fiches techniques de capteurs de température. Cependant, cela montre à quel point il se passe beaucoup plus de choses à l'intérieur d'un capteur de température à circuit intégré comparé aux circuits que nous avons examinés précédemment avec un élément résistif et un amplificateur opérationnel. Pour comparaison, l'amplificateur opérationnel LM741 contient juste 20 transistors. Cela montre que, bien que les capteurs de température puissent sembler être des dispositifs plutôt simples, ils sont en réalité assez compliqués.

Le MAX6605 recommande un condensateur de découplage d'entrée de 0,1 uF, alors que les autres capteurs que nous avons examinés peuvent tous deux fonctionner de manière satisfaisante sans condensateur d'entrée.

Comme il n'y a pas de suggestion dans la fiche technique pour ajouter un condensateur de sortie, je n'en ajouterai donc pas pour le MAX6605.

Le PCB pour le MAX6605 est simple et direct, avec juste le condensateur de découplage et le capteur IC à ajouter.

Conclusion

Les capteurs de température analogiques IC sont un moyen facile d'ajouter un capteur relativement précis à votre carte de circuit, que vous cherchiez à détecter la température ambiante ou la température d'un composant spécifique ou d'une zone de votre carte. Avec de nombreuses options ne nécessitant aucun circuit externe, ils offrent une solution compacte et rentable.

Dans cet article, nous n'avons examiné que trois capteurs parmi les centaines de dispositifs régulièrement stockés par les principaux fournisseurs. Vous devriez jeter un œil aux capteurs de température analogiques disponibles sur Octopart pour avoir une idée de la gamme de capacités proposées. Il y a une option adaptée à chaque budget et application que vous pouvez imaginer, que vous souhaitiez une sortie de tension similaire à ce que nous avons examiné ici, ou une source de courant qui varie avec la température.

Dans mon esprit, avec la vaste gamme d'interfaces de communication disponibles sur les microcontrôleurs modernes et autres dispositifs logiques, un capteur de température analogique serait typiquement utile uniquement avec d'autres circuits analogiques, ou si votre budget était la préoccupation principale. Les capteurs de température analogiques sont parfaits pour créer des thermostats pour activer un ventilateur lorsque la carte électronique devient trop chaude, ou pour allumer un chauffage lorsque la carte devient trop froide. Construire cette fonctionnalité avec des circuits plutôt qu'avec du firmware peut réduire le temps de développement pour les options non configurables, économiser des cycles d'horloge, et également augmenter la fiabilité. En n'ayant pas à dépendre du code pour faire ce qui doit être fait quand cela doit être fait, nous pouvons nous assurer que la gestion thermique de la carte continuera de fonctionner sans problème, peu importe ce que le dispositif logique est en train de faire. Nous n'avons pas à nous inquiéter si, par exemple, le code s'est bloqué ou est trop occupé pour traiter une interruption causée par un problème thermique de manière opportune.

Dans le prochain article, nous examinerons les capteurs de température numériques. Ceux-ci sont parfaits pour intégrer des mesures de température de haute précision dans le traitement d'un microcontrôleur. Que vous ayez besoin de rapporter/enregistrer une température, de l'afficher à un utilisateur, ou d'effectuer d'autres actions basées sur la température absolue ou les changements de température. Avoir un capteur de température numérique peut vous permettre de sauter les calibrations ADC et d'obtenir la température détectée exacte transférée directement dans la mémoire.

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