Progetto Sensore di Temperatura: Circuiti Integrati per Sensori di Temperatura Analogici

In questo articolo, stiamo esaminando la quarta classe di sensori di temperatura in una serie di articoli dedicati alla misurazione della temperatura. Nell'introduzione, abbiamo creato un insieme di template di progetto che ci permetteranno di sviluppare schede sensore analogiche o digitali impilabili per testare diversi tipi di sensori di temperatura. Alla fine della serie, costruiremo un insieme di schede host per queste, che ci permetteranno di confrontare le prestazioni e l'accuratezza non solo dei diversi tipi di sensori, ma anche delle varie implementazioni per questi sensori.

In questa serie, esamineremo una vasta gamma di sensori di temperatura. Parleremo dei loro vantaggi e svantaggi così come delle topologie comuni per la loro implementazione. La serie coprirà:

• Termistori a Coefficiente di Temperatura Negativo (NTC)
• Termistori a Coefficiente di Temperatura Positivo (PTC)
• Detectori di Temperatura a Resistenza (RTD)
• IC sensori di temperatura analogici
• IC sensori di temperatura digitali
• Termocoppie

Oggi esaminiamo i circuiti integrati per sensori di temperatura analogici - avremo solo una realizzazione per circuito, a differenza degli articoli precedenti. Questi circuiti integrati si occupano di tutta la linearizzazione e l'amplificazione che abbiamo dovuto gestire noi stessi quando utilizzavamo un elemento resistivo per la rilevazione della temperatura. Questi sensori possono internamente avere una gamma di diverse topologie e tipi di sensori, ma la loro implementazione interna non ci riguarda. Tutti forniscono un'uscita relativamente lineare che si adatta bene all'uso diretto con un convertitore analogico-digitale (ADC) di un microcontrollore o con circuiti analogici.

Con un piccolo numero di componenti di supporto richiesti, la loro alta precisione e la comoda tensione di uscita, potresti pensare che l'utilizzo di un sensore analogico IC sia sostanzialmente più costoso rispetto all'implementazione di uno proprio utilizzando uno degli elementi di rilevazione discreti che abbiamo già esaminato. Generalmente, il contrario è vero. Tipicamente, puoi aggiungere un sensore di temperatura analogico IC al tuo circuito a un costo inferiore rispetto a tutte le implementazioni tranne le più basilari di un sensore di temperatura basato su componenti discreti, e l'uscita sarà molto più precisa e lineare.

Come per tutti i miei progetti, potete trovare i dettagli del progetto, gli schemi e i file della scheda su GitHub insieme alle altre implementazioni di sensori di temperatura. Il progetto è rilasciato sotto la licenza open-source MIT, che vi permette di utilizzare i disegni o qualsiasi parte di essi per scopi personali o commerciali, come desiderate.

Sopra è presente il design del PCB di cui leggerete nell'Altium 365 Viewer, un modo gratuito per connettervi con i vostri colleghi, clienti e amici con la possibilità di visualizzare il design o scaricarlo con un solo clic di un pulsante! Caricate il vostro design in pochi secondi e avrete un modo interattivo per esaminarlo in dettaglio senza bisogno di software ingombranti o di grande potenza computazionale.

Sensori di temperatura analogici IC

Con le molte opzioni di implementazione dei tipi di sensori precedenti che abbiamo esaminato negli articoli precedenti, potresti pensare a questo punto che rilevare la temperatura sia un lavoro molto duro quando si utilizzano componenti passivi. Se desideri semplicemente una tensione lineare semplice che correla strettamente con la temperatura, allora potresti essere meglio indirizzato verso un sensore di temperatura analogico. La tensione analogica ti permette di campionare la temperatura utilizzando un pin ADC di un microcontrollore. In alternativa, puoi utilizzare l'uscita per alimentare altri circuiti analogici come un comparatore per fornire controllo della temperatura o funzionalità di sicurezza senza la necessità di utilizzare un microcontrollore o altri dispositivi digitali.

All'interno, questi sensori tipicamente funzionano in modo piuttosto simile ai componenti passivi che abbiamo precedentemente esaminato. Tuttavia, hanno una compensazione integrata per linearizzare le loro uscite. Quando l'uscita non è perfettamente lineare, il datasheet includerà tipicamente una formula per permettere la conversione precisa della tensione in temperatura senza la necessità di testare in laboratorio il sensore per determinare le variabili di compensazione. Questo semplifica notevolmente il processo di ingegneria rispetto alla qualificazione di un circuito costruito utilizzando un elemento resistivo e amplificatori operazionali o di strumentazione.

Nonostante questa comodità, i sensori di temperatura a circuito integrato analogico sono più economici dei componenti passivi che abbiamo esaminato con livelli comparabili di accuratezza/precisione, per il costo di qualsiasi implementazione diversa da un divisore di tensione, si potrebbe acquistare un sensore analogico. L'intervallo di temperatura di rilevamento degli IC è più limitato rispetto a un RTD, ma è simile all'intervallo pubblicizzato per un termistore. Il silicio nei sensori e il fatto che tendano ad essere saldati su una scheda o dei fili saranno il fattore limitante per la temperatura massima, tuttavia, nonostante ciò, l'intervallo di rilevamento minimo e massimo può tipicamente variare tra -55°C e 150°C. Questo intervallo di temperatura dovrebbe essere sufficiente per la stragrande maggioranza dei progetti che necessitano di rilevare le condizioni ambientali in una località dove operano altri dispositivi elettronici.

Per questo progetto, esamineremo tre diversi sensori che presentano una varietà di temperature operative e precisioni insieme a un ampio intervallo di tensione di ingresso.

Questi dispositivi sono stati scelti per dimostrare un'ampia gamma di punti di prezzo e prestazioni. Nell'ultimo articolo di questa serie, li porteremo oltre i loro rating di temperatura operativa per vedere come rispondono attraverso l'intero intervallo di rilevamento e oltre.

Implementazione del sensore analogico: Texas Instruments LMT87DCKT

L'LMT87 di Texas Instruments è un piccolo sensore di temperatura CMOS di dimensioni SC-70. Tra tutti i sensori analogici che stiamo esaminando per questo progetto, l'LMT87 ha la tipica precisione più alta, del 0,4%. Tuttavia, anche la precisione nel peggiore dei casi di +/- 2,7°C è comunque superiore agli altri sensori. Mentre la sua corrente di quiete è anche inferiore a quella degli altri, almeno quando si utilizza un'alimentazione di 2,7 V, ha anche un tempo di accensione di soli 0,7 millisecondi. Questo lo rende ancora più efficiente dal punto di vista energetico se si cicla l'alimentazione proprio prima di effettuare una misurazione della temperatura, il che lo rende il sensore ideale per applicazioni a basso consumo/con limitazioni di potenza. Con il consumo di energia molto basso del dispositivo, può essere alimentato direttamente da un microcontrollore o altro dispositivo logico senza doversi preoccupare di superare i valori massimi per il pin IO. Per applicazioni a tensione più bassa, ci sono ulteriori opzioni nella serie di dispositivi LMT8x che supportano il funzionamento con alimentazioni fino a 1,5 V, tuttavia, con un guadagno ridotto a causa della gamma di tensione di alimentazione ridotta.

È importante notare che l'LMT87 è disponibile anche in una variante qualificata per l'automotive, che può essere utile per alcuni utenti.

Per l'implementazione di questo sensore, sto aggiungendo un condensatore di disaccoppiamento e un condensatore di uscita. Il datasheet specifica che nessuno dei due è richiesto; tuttavia, vogliamo permettere a questo sensore di avere la migliore opportunità di eccellere nei nostri test. Il condensatore di uscita non è strettamente necessario, ma consente a un SAR di ADC di prelevare raffiche di corrente mentre campiona. Questo avviene senza influenzare negativamente la lettura nel caso in cui il sensore di temperatura non sia in grado di fornire la corrente istantanea richiesta per mantenere la tensione di uscita dove dovrebbe essere per la lettura della temperatura. I numeri di parte di entrambi i condensatori sono già utilizzati per altri progetti in questa serie, quindi questi non aggiungeranno significativamente al costo totale o al numero di componenti che devono essere ordinati.

Il datasheet fornisce gentilmente un layout suggerito per la variante a montaggio superficiale del componente che stiamo utilizzando; tuttavia, mi sono discostato leggermente da esso. Dove il datasheet suggerisce di connettersi alle piane di massa e di alimentazione, io mi sto connettendo a tracce invece. Non voglio davvero aggiungere un piano di massa sullo strato inferiore, poiché potrebbe influenzare i risultati dei test/confronti di temperatura che effettueremo più avanti nella serie. Avere un piano di massa, con la sua massa termica/conducibilità, presente sotto il sensore LMT87 ma non sotto nessuno degli altri elementi di rilevazione che stiamo utilizzando, potrebbe influenzare i risultati. Non dimostrerà quindi accuratamente le prestazioni del sensore.

Nella vista 3D, puoi vedere che ho posizionato il sensore nella stessa posizione delle altre progettazioni su cui abbiamo lavorato precedentemente in questa serie di articoli. Ho posizionato il condensatore di decoupling dell'alimentazione accanto all'IC. Tuttavia, ho posizionato il condensatore di decoupling per l'uscita analogica accanto al connettore, dove può fare più bene.

La forma della scheda e le connessioni sono tutte fornite dal template di progetto/scheda che abbiamo creato nella prima parte di questa serie, Progetto Sensore di Temperatura: Introduzione.

Implementazione di Sensori Analogici: Texas Instruments LM62

Il Texas Instruments LM62 è presente sul mercato dalla fine degli anni '90 ed è ancora oggi rilevante. Sebbene la sua precisione e il range di rilevamento non siano eccellenti come altri sensori, rimane comunque un sensore molto pratico per molte applicazioni. L'LMT87 che abbiamo esaminato sopra è più preciso, consuma meno corrente ed è molto più moderno del LM62, oltre ad essere disponibile a un costo inferiore - quindi, perché includere il LM62 in questa lista? Ho pensato che sarebbe stato interessante per questo esercizio includere un componente che è ancora relativamente comune e tuttavia presenta gli svantaggi di un effetto di auto-riscaldamento misurabile e un limitato range di rilevamento della temperatura.

Il LM62 ha comunque alcuni vantaggi, come ad esempio un maggiore guadagno del sensore di 15,6 mV/°C e un range di tensione operativa che si estende fino a 10 V. Inoltre, con il limitato range di temperatura, la tensione di uscita alla sua massima temperatura di rilevamento di 90°C è di 1,884 V. Questo consente di applicare un guadagno aggiuntivo utilizzando un amplificatore operazionale o un amplificatore per strumentazione. Ciò fornisce un guadagno ancora maggiore su tutto il range di rilevamento se si utilizza un microcontrollore a 3,3 V o un range di rilevamento completo che rientra nelle capacità di un dispositivo logico a tensione inferiore.

L'LM62 presenta anche un'eccellente linearità nel suo intervallo di temperatura di rilevamento, con una deviazione massima di soli 0,8°C.

Come per l'LMT87, l'LM62 può essere alimentato da un pin IO di qualsiasi microcontrollore o dispositivo logico; sebbene il suo consumo di corrente sia significativamente più elevato, rappresenta ancora una piccola frazione della potenza che un pin di microcontrollore può fornire.

Come per l'LMT87 sopra menzionato, sto implementando i condensatori opzionali per l'LM62. L'LM62 non necessita di un condensatore di disaccoppiamento montato sull'ingresso o sull'uscita; tuttavia, il datasheet suggerisce un filtro da utilizzare in ambienti rumorosi. Le schede di valutazione che costruiremo non saranno effettivamente situate in un ambiente elettromagneticamente rumoroso. Tuttavia, il tempo di risposta dell'LM62 è significativamente più lento rispetto alla costante di tempo del filtro RC all'uscita, formato dal condensatore da 1 uF. Di conseguenza, la risposta complessiva dell'LM62 non sarà significativamente influenzata.

All'inizio di questo articolo ho menzionato che potresti preferire l'utilizzo di un sensore analogico piuttosto che digitale poiché può essere più conveniente per l'integrazione in circuiti di controllo analogici. Dato che stiamo parlando di opzioni di implementazione e raccomandazioni dei datasheet - il datasheet per l'LM62 presenta un bel esempio di termostato, che potrebbe avere molte applicazioni nei circuiti di controllo, anche solo per accendere un ventilatore o un riscaldatore senza la necessità dell'intervento di un microcontrollore.

La scheda è disposta in modo molto simile all'LM87, con il condensatore di disaccoppiamento dell'alimentazione accanto al sensore IC, e la tensione di uscita del sensore disaccoppiata vicino ai connettori di impilamento.

Implementazione del Sensore Analogico: Maxim Integrated MAX6605MXK

Il MAX6605 di Maxim Integrated è un altro sensore di temperatura moderno nello stesso piccolo pacchetto SC70 dell'LMT87. A 25°C, il MAX6605 ha un errore di temperatura di +/- 0,75°C. Tuttavia, su tutta la sua gamma, quell'errore aumenta a un massimo di +/- 5,8°C, che potrebbe non sembrare fantastico, anche se questo è per una gamma di rilevamento da -55°C a 125°C. Nella gamma da 0°C a 70°C, dove la maggior parte dei dispositivi domestici opererebbe comunemente, il suo errore di temperatura è di +/- 3,0°C.

Alimentando un tipico ADC, il sensore di temperatura consumerebbe circa 10 uA di corrente, che si traduce in un aumento della temperatura del die sopra l'ambiente di soli 0,0162°C, molto meglio del LM62 che abbiamo esaminato sopra. Questo basso consumo di energia rende anche il MAX6605 capace di essere alimentato direttamente da un pin di un microcontrollore o di un altro dispositivo logico, il che può facilitare il suo accensione e spegnimento autonomo per ottimizzare il consumo di energia.

Leggendo il datasheet, ho pensato fosse interessante che affermasse che ci sono 572 transistor nel dispositivo. Texas Instruments non fornisce questo livello di informazione nei loro datasheet dei sensori di temperatura. Tuttavia, ciò dimostra quanto di più ci sia all'interno di un sensore di temperatura a circuito integrato rispetto ai circuiti che abbiamo esaminato in precedenza con un elemento resistivo e un amplificatore operazionale. Per confronto, l'amplificatore operazionale LM741 contiene solo 20 transistor. Questo mostra che, sebbene i sensori di temperatura possano sembrare piuttosto semplici, sono in realtà dispositivi piuttosto complicati.

Il MAX6605 raccomanda un condensatore di disaccoppiamento in ingresso di 0,1 uF, mentre gli altri sensori che abbiamo esaminato possono entrambi funzionare in modo soddisfacente senza un condensatore in ingresso.

Poiché non vi è alcun suggerimento nel datasheet per aggiungere un condensatore in uscita, quindi non ne aggiungerò uno per il MAX6605.

Il PCB per il MAX6605 è semplice e diretto, con solo il condensatore di disaccoppiamento e il sensore IC da aggiungere.

Conclusione

I sensori IC di temperatura analogici sono un modo facile per aggiungere un sensore relativamente preciso alla tua scheda elettronica, sia che tu stia cercando di rilevare la temperatura ambientale o la temperatura di un componente specifico o di un'area della tua scheda. Con molte opzioni che non richiedono circuiti esterni, offrono una soluzione altamente compatta ed economica.

In questo articolo, abbiamo esaminato solo tre sensori tra le centinaia di dispositivi che sono regolarmente forniti dai principali fornitori. Dovresti dare un'occhiata ai sensori di temperatura analogici disponibili su Octopart per farti un'idea della gamma di capacità offerte. C'è un'opzione adatta per ogni budget e applicazione che puoi immaginare, sia che tu voglia un'uscita di tensione simile a quella che abbiamo esaminato qui, o una sorgente di corrente che varia con la temperatura.

Nella mia mente, con la vasta gamma di interfacce di comunicazione disponibili sui moderni microcontrollori e altri dispositivi logici, un sensore di temperatura analogico sarebbe tipicamente utile solo con altre circuiterie analogiche, o se il budget fosse la principale preoccupazione. I sensori di temperatura analogici sono perfetti per creare termostati per attivare un ventilatore quando una scheda elettronica si surriscalda, o per accendere un riscaldatore quando una scheda si raffredda troppo. Costruire questa funzionalità con circuiti piuttosto che con firmware può ridurre il tempo di sviluppo per opzioni non configurabili, risparmiare cicli di clock e aumentare anche l'affidabilità. Non dovendo affidarsi al codice per fare ciò che deve essere fatto quando deve essere fatto, possiamo garantire che la gestione termica della scheda continuerà a funzionare senza problemi, indipendentemente da ciò che sta facendo il dispositivo logico. Non dobbiamo preoccuparci se, ad esempio, il codice si è bloccato o è troppo occupato per gestire in modo tempestivo un'interruzione causata da un problema termico.

Nel prossimo articolo, esamineremo i sensori di temperatura digitali. Questi sono perfetti per integrare letture di temperatura di alta precisione nel processamento di un microcontrollore. Che tu debba segnalare/registrare una temperatura, visualizzarla a un utente o eseguire altre azioni basate su temperature assolute o variazioni di temperatura. Avere un sensore di temperatura digitale può permetterti di saltare le calibrazioni ADC e ottenere la temperatura rilevata esatta trasferita direttamente nella memoria.

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