Projeto de Sensor de Temperatura: Circuitos Integrados de Sensor de Temperatura Analógico

Neste artigo, estamos analisando a quarta classe de sensores de temperatura em uma série de artigos que tratam sobre a medição de temperatura. Na introdução, criamos um conjunto de modelos de projeto que nos permitirá desenvolver cartões de sensores analógicos ou digitais empilháveis para testar diferentes tipos de sensores de temperatura. Ao final da série, estaremos construindo um conjunto de placas hospedeiras para estes, o que nos permitirá comparar o desempenho e a precisão não apenas dos diferentes tipos de sensores, mas também das várias implementações para esses sensores.

Nesta série, vamos dar uma olhada em uma ampla gama de sensores de temperatura. Vamos falar sobre suas vantagens e desvantagens, bem como topologias comuns para sua implementação. A série cobrirá:

• Termistores de Coeficiente de Temperatura Negativo (NTC)
• Termistores de Coeficiente de Temperatura Positivo (PTC)
• Detector de Temperatura de Resistência (RTD)
• Circuitos Integrados de Sensores de Temperatura Analógicos
• Circuitos Integrados de Sensores de Temperatura Digitais
• Termopares

Hoje vamos olhar para os circuitos integrados de sensores de temperatura analógicos - teremos apenas uma implementação por circuito, ao contrário dos artigos anteriores. Esses circuitos integrados cuidam de toda a linearização e amplificação que tivemos que fazer por conta própria ao usar um elemento resistivo para detecção de temperatura. Esses sensores podem internamente ter uma variedade de topologias e tipos de sensores diferentes, mas a implementação interna deles não importa para nós. Todos eles fornecem uma saída relativamente linear que é bem adequada para uso direto com um conversor analógico para digital (ADC) de um microcontrolador ou circuitos analógicos.

Com um pequeno número de componentes de suporte necessários, sua alta precisão e tensão de saída conveniente, você pode pensar que usar um CI de sensor analógico vai ser substancialmente mais caro do que implementar o seu próprio usando um dos elementos de detecção discretos que já olhamos. Geralmente, o oposto é verdadeiro. Você pode tipicamente adicionar um CI de sensor de temperatura analógico ao seu circuito por um custo menor do que todas, mas as implementações mais básicas de um sensor de temperatura baseado em componentes discretos, e a saída será muito mais precisa e linear.

Assim como em todos os meus projetos, você pode encontrar os detalhes do projeto, os esquemáticos e os arquivos da placa no GitHub junto com as outras implementações de sensores de temperatura. O projeto é liberado sob a licença de código aberto MIT, que permite que você use os designs ou qualquer parte deles para fins pessoais ou comerciais, como desejar.

Acima está o design da PCB sobre o qual você estará lendo no Altium 365 Viewer, uma maneira gratuita de se conectar com seus colegas de trabalho, clientes e amigos com a capacidade de visualizar o design ou fazer o download com um único clique de um botão! Faça o upload do seu design em questão de segundos e tenha uma maneira interativa de examinar em profundidade sem nenhum software pesado ou poder de computação.

ICs de Sensor de Temperatura Analógico

Com as muitas opções de implementação dos tipos de sensores anteriores que examinamos nos artigos precedentes, você pode estar pensando neste ponto que medir temperatura é um trabalho bastante árduo quando se utiliza componentes passivos. Se você apenas deseja uma tensão linear simples que se correlacione estreitamente com a temperatura, então talvez seja melhor considerar um sensor de temperatura analógico. A tensão analógica permite que você amostra a temperatura usando um pino ADC de microcontrolador. Alternativamente, você pode usar a saída para alimentar outros circuitos analógicos, como um comparador, para fornecer controle de temperatura ou recursos de segurança sem a necessidade de usar um microcontrolador ou outro dispositivo digital.

Internamente, esses sensores geralmente funcionam de maneira bastante semelhante aos componentes passivos que examinamos anteriormente. No entanto, eles possuem compensação integrada para linearizar suas saídas. Quando a saída é menos que perfeitamente linear, a folha de dados tipicamente incluirá uma fórmula para permitir a conversão precisa da tensão em temperatura sem a necessidade de testar o sensor em laboratório para determinar as variáveis de compensação. Isso simplifica grandemente o processo de engenharia em comparação com a qualificação de um circuito construído usando um elemento resistivo e amplificadores operacionais ou de instrumentação.

Apesar dessa conveniência, os sensores de temperatura de circuito integrado analógico são mais baratos do que os componentes passivos que examinamos, com níveis comparáveis de precisão/exatidão, pelo custo de qualquer implementação além de um divisor de tensão, você poderia comprar um sensor analógico. As faixas de temperatura de detecção dos ICs são mais limitadas do que para um RTD, mas são semelhantes à faixa anunciada para um termistor. O silício nos sensores e o fato de que eles tendem a ser soldados em uma placa ou fios serão o fator limitante para a temperatura máxima, ainda assim, apesar disso, a faixa de detecção mínima e máxima pode tipicamente variar entre -55°C e 150°C. Esta faixa de temperatura deve ser suficiente para a grande maioria dos projetos que precisam detectar as condições ambientais em um local onde outros dispositivos eletrônicos estão operando.

Para este projeto, vamos dar uma olhada em três sensores diferentes que possuem uma variedade de temperaturas operacionais e precisões, juntamente com uma ampla faixa de tensão de entrada.

Estes dispositivos foram escolhidos para demonstrar uma ampla gama de pontos de preço e desempenho. No artigo final desta série, estaremos levando-os além de suas classificações de temperatura operacional para ver como eles respondem em toda a sua faixa de detecção e além.

Implementação de Sensor Analógico: Texas Instruments LMT87DCKT

O LMT87 da Texas Instruments é um pequeno sensor de temperatura CMOS de tamanho SC-70. De todos os sensores analógicos que estamos investigando para este projeto, o LMT87 tem a maior precisão típica de 0,4%. No entanto, mesmo a precisão no pior caso de +/- 2,7°C ainda está à frente dos outros sensores. Embora sua corrente quiescente também seja menor que a dos outros, pelo menos quando usando uma fonte de 2,7 V, ele também tem um tempo de ativação de apenas 0,7 milissegundos. Isso o torna ainda mais eficiente em termos de energia se você ciclar a energia dele justo antes de fazer uma medição de temperatura, o que o torna o sensor ideal para aplicações com baixo consumo de energia/constrangidas por energia. Com o consumo de energia muito baixo do dispositivo, ele pode ser alimentado diretamente de um microcontrolador ou outro dispositivo lógico sem precisar se preocupar em exceder as classificações máximas para o pino IO. Para aplicações de tensão mais baixa, há mais opções na série de dispositivos LMT8x que suportam operação com fontes de até 1,5 V, no entanto, com um ganho reduzido para acompanhar a faixa de tensão de fornecimento reduzida.

Vale ressaltar que o LMT87 também está disponível em uma variante qualificada para automotivo, o que pode ser útil para alguns usuários.

Para a implementação deste sensor, estou adicionando um capacitor de desacoplamento e um capacitor de saída. A ficha técnica especifica que nenhum deles é necessário; no entanto, queremos permitir que este sensor tenha a melhor oportunidade de brilhar em nossos testes. O capacitor de saída não é estritamente necessário, mas permite que um SAR para ADC desenhe rajadas de corrente à medida que faz amostragens. Isso acontece sem afetar negativamente a leitura, caso o sensor de temperatura não consiga fornecer a corrente instantânea necessária para manter a tensão de saída onde deveria estar para a leitura da temperatura. Os números de parte de ambos os capacitores já estão sendo usados para outros projetos nesta série, então eles não adicionarão significativamente ao custo total ou ao número de componentes que precisam ser encomendados.

A folha de dados gentilmente fornece um layout sugerido para a variante de montagem em superfície do componente que estamos usando; no entanto, eu me desviei um pouco dele. Onde a folha de dados sugere conectar ao plano de terra e ao plano de alimentação, estou conectando a trilhas em vez disso. Eu realmente não quero adicionar um preenchimento de terra na camada inferior, pois isso poderia influenciar os resultados dos testes/comparações de temperatura que realizaremos mais tarde na série. Ao ter um preenchimento de terra, com sua massa térmica/condução, presente sob o sensor LMT87, mas não sob nenhum dos outros elementos de detecção que estamos usando, isso poderia afetar os resultados. Portanto, não demonstrará com precisão o desempenho do sensor.

Na visualização 3D, você pode ver que posicionei o sensor na mesma posição que os outros designs em que trabalhamos anteriormente nesta série de artigos. Coloquei o capacitor de desacoplamento da fonte de alimentação próximo ao CI. No entanto, coloquei o capacitor de desacoplamento para a saída analógica próximo ao conector, onde ele pode ser mais útil.

A forma da placa e as conexões são todas fornecidas pelo template de projeto/placa que criamos na primeira parte desta série, Projeto de Sensor de Temperatura: Introdução.

Implementação de Sensor Analógico: Texas Instruments LM62

O Texas Instruments LM62 está no mercado desde o final dos anos 90 e ainda é relevante hoje em dia. Embora sua precisão e faixa de detecção não sejam tão boas quanto outros sensores, ainda é um sensor altamente prático para muitas aplicações. O LMT87, que analisamos acima, é mais preciso, consome menos corrente e é muito mais moderno que o LM62, além de estar disponível a um custo menor - então, por que incluir o LM62 nesta lista? Pensei que seria interessante para este exercício incluir um componente que ainda é relativamente comum e, no entanto, tem as desvantagens de um efeito mensurável de autoaquecimento e uma faixa limitada de detecção de temperatura.

O LM62 tem algumas vantagens, no entanto, como um maior ganho do sensor de 15,6 mV/°C e uma faixa de tensão operacional que se estende até 10 V. Além disso, com a faixa de temperatura limitada, a tensão de saída na sua temperatura máxima de detecção de 90°C é de 1,884 V. Isso permite que um ganho adicional seja aplicado usando um amplificador operacional ou amplificador de instrumentação. Isso proporciona um ganho ainda maior em toda a faixa de detecção se você estiver usando um microcontrolador de 3,3 V ou uma faixa de detecção completa que está dentro das capacidades de um dispositivo lógico de baixa tensão.

O LM62 também possui excelente linearidade em sua faixa de temperatura de detecção, com o desvio máximo sendo de apenas 0,8°C.

Assim como o LMT87, o LM62 é capaz de ser alimentado a partir de um pino IO de qualquer microcontrolador ou dispositivo lógico; embora seu consumo de corrente seja significativamente maior, ainda é uma pequena fração da potência que um pino de microcontrolador pode fornecer.

Assim como o LMT87 acima, estou implementando os capacitores opcionais para o LM62. O LM62 não precisa de um capacitor de desacoplamento instalado na entrada ou saída; no entanto, a folha de dados tem uma sugestão para um filtro para uso em ambientes ruidosos. As placas de avaliação que construímos não estarão de fato situadas em um ambiente eletromagneticamente ruidoso. No entanto, o tempo de resposta do LM62 é significativamente mais lento do que a constante de tempo do filtro RC na saída, formado pelo capacitor de 1 uF. Como resultado, a resposta geral do LM62 não será significativamente afetada.

Mencionei no início deste artigo que você pode preferir usar um sensor analógico em vez de um digital, pois pode ser mais conveniente para integrar em circuitos de controle analógico. Já que estamos falando sobre opções de implementação e recomendações de datasheets - o datasheet do LM62 tem um bom exemplo de termostato, que pode ter muitas aplicações em circuitaria de controle, até mesmo apenas para ligar um ventilador ou um aquecedor sem a necessidade da intervenção de um microcontrolador.

O layout da placa é muito semelhante ao do LM87, com o capacitor de desacoplamento da fonte de alimentação ao lado do IC do sensor, e a tensão de saída do sensor desacoplada perto dos conectores de empilhamento.

Implementação de Sensor Analógico: Maxim Integrated MAX6605MXK

O MAX6605 da Maxim Integrated é outro sensor de temperatura moderno no mesmo pequeno pacote SC70 que o LMT87. A 25°C, o MAX6605 tem um erro de temperatura de +/- 0,75°C. No entanto, em sua faixa completa, esse erro aumenta para um máximo de +/- 5,8°C, o que pode não parecer fantástico, embora isso seja para uma faixa de detecção de -55°C a 125°C. Na faixa de 0°C a 70°C, onde a maioria dos dispositivos domésticos comumente opera, seu erro de temperatura é de +/- 3,0°C.

Ao alimentar um ADC típico, o sensor de temperatura consumiria cerca de 10 uA de corrente, o que se relaciona a um aumento da temperatura do die acima do ambiente de apenas 0,0162°C, muito melhor do que o LM62 que analisamos anteriormente. Esse baixo consumo de energia também torna o MAX6605 capaz de ser alimentado diretamente por um pino de microcontrolador ou outro dispositivo lógico, o que pode facilitar seu acionamento autônomo para otimizar o consumo de energia.

Ao ler a ficha técnica, achei interessante que ela afirma que há 572 transistores no dispositivo. A Texas Instruments não possui esse nível de informação em suas fichas técnicas de sensores de temperatura. Ainda assim, isso mostra o quanto mais está acontecendo dentro de um sensor de temperatura de circuito integrado em comparação com os circuitos que analisamos anteriormente com um elemento resistivo e um amplificador operacional. Para comparação, o amplificador operacional LM741 contém apenas 20 transistores. Isso mostra que, embora os sensores de temperatura possam parecer ser dispositivos bastante simples, eles são na verdade bastante complicados.

O MAX6605 recomenda um capacitor de desacoplamento de entrada de 0,1 uF, enquanto os outros sensores que analisamos podem operar satisfatoriamente sem um capacitor de entrada.

Como não há sugestão na ficha técnica para adicionar um capacitor de saída, então não adicionarei um para o MAX6605.

A PCB para o MAX6605 é agradável e direta, com apenas o capacitor de desacoplamento e o IC do sensor para adicionar.

Conclusão

Os ICs de sensor de temperatura analógicos são uma maneira fácil de adicionar um sensor relativamente preciso à sua placa de circuito, seja para detectar a temperatura ambiente ou a temperatura de um componente específico ou área da sua placa. Com muitas opções que não requerem circuitos externos, eles oferecem uma solução altamente compacta e custo-efetiva.

Neste artigo, nós só olhamos para três sensores dentre as centenas de dispositivos que são regularmente estocados pelos principais fornecedores. Você deveria dar uma olhada nos sensores de temperatura analógicos disponíveis no Octopart para ter uma ideia da gama de capacidades oferecidas. Há uma opção adequada para cada orçamento e aplicação que você possa imaginar, seja você querendo uma saída de tensão similar ao que olhamos aqui, ou uma fonte de corrente que varia com a temperatura.

Na minha opinião, com a vasta gama de interfaces de comunicação disponíveis em microcontroladores modernos e outros dispositivos lógicos, um sensor de temperatura analógico normalmente só seria útil com outros circuitos analógicos, ou se o orçamento fosse a principal preocupação. Sensores de temperatura analógicos são perfeitos para criar termostatos para ligar um ventilador quando uma placa de circuito fica muito quente, ou para ligar um aquecedor quando uma placa fica muito fria. Construir essa funcionalidade com circuitos em vez de firmware pode reduzir o tempo de desenvolvimento para opções não configuráveis, economizar ciclos de relógio e também aumentar a confiabilidade. Ao não ter que depender de código para fazer o que precisa ser feito quando precisa ser feito, podemos garantir que o gerenciamento térmico da placa continuará a funcionar sem problemas, não importa o que o dispositivo lógico esteja fazendo. Não precisamos nos preocupar se, por exemplo, o código travou ou está muito ocupado para lidar com uma interrupção causada por um problema térmico de maneira oportuna.

No próximo artigo, estaremos analisando os sensores de temperatura digitais. Eles são perfeitos para integrar leituras de temperatura de alta precisão no processamento de um microcontrolador. Seja para relatar/registrar uma temperatura, exibi-la para um usuário ou realizar algumas outras ações baseadas em temperatura absoluta ou mudanças de temperatura. Ter um sensor de temperatura digital pode permitir que você pule calibrações de ADC e obtenha a temperatura sentida exata transferida diretamente para a memória.

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