Proyecto de Sensor de Temperatura: ICs de Sensor de Temperatura Digital

Proyecto de Sensor de Temperatura: ICs de Sensor de Temperatura Digital

Mark Harris

/ & nbsp Creado: 26 de octubre de 2020 & nbsp / &nbsp Actualizado: Marzo 16, 2021

Los sensores digitales de temperatura ofrecen la forma más sencilla de medir e introducir una lectura de temperatura de alta precisión en un microcontrolador u otro dispositivo lógico. En el último artículo de esta serie de sensores de temperatura, analizamos los sensores de temperatura analógicos. Si bien estos pueden parecer más fáciles de implementar con solo tomar una lectura simple de ADC, para obtener la medición más precisa, deberá calibrar el ADC de cada dispositivo durante la producción, lo cual no siempre es factible. En este artículo, analizamos varias opciones de sensores de temperatura digitales diferentes. Los sensores de temperatura digitales suelen ser más caros que un simple sensor de temperatura analógico. Sin embargo, la facilidad y conveniencia de la producción con estos dispositivos a menudo hacen que el costo adicional valga la pena cuando se requieren altos niveles de precisión de medición.

Los sensores de temperatura digitales son el quinto tipo de sensor que estamos viendo en esta serie. Concluimos esta serie con el artículo final, que comparará todos los sensores que hemos probado entre sí en un concurso cara a cara sobre una amplia gama de condiciones ambientales para permitirnos comparar su funcionalidad, precisión y comportamiento. Comenzamos la serie con un artículo introductorio en el que construimos un conjunto de plantillas para tarjetas de sensores de temperatura estándar. Las versiones analógica y digital se pueden apilar mediante el uso de conectores de entresuelo o leer independientemente de sus conectores de borde. Construiremos tarjetas host para todos estos sensores más adelante en la serie, que nos permitirán leer datos de un solo sensor para validar su funcionalidad o leer toda la pila de tarjetas para registrar los datos de todos ellos juntos.

En esta serie, vamos a echar un vistazo a una amplia gama de sensores de temperatura, hablando de sus ventajas y desventajas, así como algunas topologías típicas para su implementación. La serie cubrirá los siguientes tipos de sensores:

• Termistores de Coeficiente de Temperatura negativo (NTC)
• Termistores de Coeficiente de Temperatura positivo (PTC)
• Detectores de temperatura de resistencia (RTD)
• IC de Sensor de Temperatura Analógico
• IC de Sensor de temperatura digital
• Termopares

Al igual que con mis proyectos, puede encontrar los detalles del proyecto, los esquemas y los archivos de la placa en GitHub junto con las otras implementaciones de sensores de temperatura. El proyecto se publica bajo la licencia MIT de código abierto, que le permite usar los diseños o cualquier parte de ellos para fines personales o comerciales, según lo desee.

Circuitos integrados de sensor de temperatura digital

Supongamos que solo está interesado en leer la salida de un sensor de temperatura utilizando un microcontrolador u otro dispositivo lógico. En ese caso, un sensor de temperatura digital es eléctricamente la opción más sencilla de implementar. Los sensores de temperatura digitales pueden ofrecer excelentes niveles de precisión, ya que todos los sensores, la compensación y la conversión se realizan en chip. No es necesario calibrar el ADC de su microcontrolador (o ADC externo). Además, no necesita preocuparse por la interferencia electromagnética de rastros cercanos u otros dispositivos instalados en las conexiones entre el sensor de temperatura analógico y el microcontrolador que podrían influir involuntariamente en la lectura de temperatura.

En este proyecto, implementaremos cuatro opciones de sensores de temperatura digitales diferentes de diferentes resoluciones y rangos de detección.

he incluido el EMC1833T porque, para mí, es una fascinante sensor. Es un dispositivo de detección remota de temperatura, lo que significa que no utiliza un sensor ubicado dentro del componente. En cambio, detecta la temperatura convirtiendo la salida de un sensor externo, que en este caso es un transistor, en una señal digital. No estoy seguro de que pertenezca necesariamente a esta categoría de «sensor de temperatura digital», ya que no encaja del todo con los otros sensores que estamos viendo. Sin embargo, los transistores no suelen ser conocidos como sensores de temperatura, por lo que no tenía idea de dónde ponerlos. Lo que me fascina de este sensor es que puede medir la temperatura usando casi cualquier transistor. Si está diseñando un ASIC, entonces podría incluir fácilmente un transistor adicional en la matriz para este propósito. A continuación, puede utilizar este transistor, que puede ser leído por un sensor como el EMC1833T, para tomar una medición externa de la temperatura de la matriz sin necesidad de agregar complejidad adicional a su silicio. Otra forma de ver esto es que puede monitorear la temperatura de su matriz sin incurrir en ningún riesgo de ingeniería asociado con el diseño y la construcción de un sensor de temperatura digital a medida en el silicio.

Implementación de sensor digital: MAX31826MUA+T

El primer sensor que implementaremos es el MAX31826 producido por Maxim Integrated. Este sensor funciona en un bus de 1 cable en lugar del bus I2C o SPI más típico. Un problema potencial es que es poco probable que el microcontrolador en el que se basa su proyecto ofrezca 1 cable como protocolo de comunicaciones. Sin embargo, es un protocolo simple de bit-bang y tiene una ventaja considerable sobre las opciones más populares, ya que solo necesita dos cables para operar el sensor. Incluyendo el suministro de energía, I2C requiere cuatro cables, y SPI necesita cinco cables. Por el contrario, 1 cable solo requiere una conexión a tierra y una línea de datos para la mayoría de las aplicaciones, ya que puede desconectarse de la línea de datos mediante una técnica de alimentación parásita. Integrado en el sensor hay un condensador que puede sostener la fuente de alimentación para el circuito integrado durante los períodos en que la línea de datos está en estado bajo, lo que elimina la necesidad de una fuente de tensión dedicada en la mayoría de las condiciones de funcionamiento normales. Esta puede ser una solución muy conveniente para placas que tienen un espacio disponible extremadamente limitado.

Otra característica interesante del sensor y su bus de 1 cable es la capacidad de establecer una dirección de 4 bytes para el dispositivo utilizando pines seleccionables manualmente instalados en el paquete del dispositivo. Esto permite la instalación de hasta 16 sensores de temperatura en un solo bus de datos de 1 cable al dar a cada dispositivo una dirección única. Esta puede ser una opción muy conveniente si tiene pocos pines de microcontrolador y, al mismo tiempo, requiere capacidades de detección con un gran número de sensores de temperatura.

En comparación con los sensores que hemos visto en los artículos anteriores de esta serie, el MAX31826 no solo es altamente preciso, sino que también ofrece datos de alta resolución. El sensor ofrece + / – 0.precisión de 5°C entre -10 ° C y + 85°C, con precisión de +/- 2°C en todo su rango de temperatura de -55°C a +125°C. Todas las lecturas del sensor se entregan como valores de 12 bits, que es una resolución más alta que la que ofrecen la mayoría de los microcontroladores.

Como sensor de temperatura, el MAX31826 tiene mucho que ofrecer, pero también está equipado con una EEPROM integrada de 1 kB como característica adicional. Supongo que les quedaba algo de espacio libre en el dado. Si su microcontrolador no tiene una EEPROM integrada y necesita almacenar algunos datos de configuración para su aplicación, este sensor de temperatura lo tiene cubierto. Si necesita almacenamiento no volátil adicional, este sensor de temperatura reducirá el número de componentes y ahorrará espacio en la placa.

La hoja de datos recomienda alimentar directamente el dispositivo en lugar de usar energía de bus parásita cuando las temperaturas pueden exceder los 100°C. Si bien la mayoría de las aplicaciones típicas no necesitarán alcanzar estos niveles de temperatura, las pruebas a las que pasaremos el sensor superarán los 100°C. Por lo tanto, para este ejercicio, seguiremos la recomendación de alimentar directamente el dispositivo en lugar de explorar la fascinante opción de energía parásita.

La forma de la placa y el diseño general provienen de la plantilla de proyecto que creamos en la introducción a esta serie. Como no estamos utilizando ninguno de los buses de comunicación habituales, he eliminado las redes asociadas y sus componentes de la placa. Aún así, he dejado las conexiones en el conector de apilamiento para asegurarme de que esto no cause ningún problema para otros sensores apilados. Con el bus de 1 cable, solo necesitamos usar el pin de selección de chip para comunicarnos de nuevo con el microcontrolador host.

Implementación del sensor digital: STS-30-DIS

He utilizado el STS-30-DIS producido por Sensirion en un proyecto anterior debido a su increíble precisión e indicaciones calibradas que se pueden rastrear hasta NIST. Esto era necesario ya que la instrumentación se desarrolló para una empresa de servicios de alimentos, que debía recopilar datos para fines de presentación de informes gubernamentales. Con un tamaño pequeño, un amplio rango de voltaje, una precisión increíble y una salida digital linealizada de 16 bits, este dispositivo tiene mucho que amar si solo requiere detección de temperatura positiva. Si necesita detectar temperaturas por debajo de cero, la variante STS-30A-DIS está calificada para automóviles y tiene un rango de detección de -40°C a 125°C. Sin embargo, este rango de detección aumentado tiene un ligero costo para la precisión general.

En el artículo anterior sobre sensores de temperatura analógicos, hablé de lo excelentes que son los sensores de temperatura analógicos para aplicaciones como la supervisión de procesos, para encender y apagar un ventilador u otros sistemas de gestión térmica que pueden funcionar sin la intervención de un microcontrolador. El STS-30 ofrece un pin DE ALERTA que se puede usar para cumplir una función similar. Está diseñado para la conexión a un pin de interrupción de un microcontrolador; sin embargo, también tiene una nota de aplicación completa dedicada a él, y se puede usar para conmutar cargas automáticamente. La capacidad de interactuar con la función de interrupción del microcontrolador puede ser crucial. Permite que el sensor notifique inmediatamente al microcontrolador con una señal de alta prioridad de que algo debe hacerse de inmediato, en lugar de depender del sondeo infrecuente del microcontrolador del sensor y la respuesta a los datos leídos. Si la salida de ALERTA está conectada a un transistor para permitirle manejar una carga, el sensor podría usarse tanto para fines de monitoreo/registro como para tener una función de gestión térmica autónoma. En comparación con las soluciones analógicas, esta configuración bien podría hacer que el STS-30 digital sea una opción más barata. No se requerirá un comparador separado, y el usuario puede configurar el umbral para el pin DE ALERTA a través de un microcontrolador/HMI sin necesidad de configurarlo de fábrica.

Todos los dispositivos de la serie STS-30 utilizan un bus I2C para las comunicaciones. El esquema que estamos implementando para este artículo no incluye ninguna de las resistencias pull-up que generalmente se requieren para que el bus de comunicaciones funcione correctamente. En su lugar, estas resistencias pull-up se instalarán en las placas anfitrionas. Como solo necesitamos un juego de resistencias pull-up por bus, agregar resistencias a cada sensor agregaría múltiples resistencias pull-up al bus y podría resultar en su mal funcionamiento. Además, todas las resistencias conectadas en paralelo reducirían su resistencia general.

El pin ADDR nos permite elegir entre dos direcciones diferentes para el dispositivo, lo que nos permite conectar dos componentes STS-30 al mismo bus I2C. Si bien esto puede no ser tan impresionante como las capacidades del dispositivo MAX31826 en el bus de 1 cable, aún es conveniente porque nos permite usar más de un dispositivo. Estoy tirando del pin ADDR a logic low (GND), ya que esto establece que la dirección predeterminada sea 0x4A, con logic tirado al estado alto, esto lo establece en la dirección alternativa de 0x4B.

Me gusta el paquete de la STS-30, ya que es compacto, pero no demasiado loco, por lo que puede ensamblar a mano su tabla si está utilizando una plantilla. El paquete de sensores más un condensador de desacoplamiento 0603 están juntos aproximadamente del mismo tamaño que el MAX31826 que vimos anteriormente. Con un condensador más pequeño, encajaría muy bien en una placa de alta densidad. La gran almohadilla de tierra debajo del IC proporciona un excelente camino para transferir calor desde un plano de tierra a la unión de detección de temperatura dentro del IC. Esto lo convierte en una opción perfecta para colocarlo junto a cualquier dispositivo, como un MOSFET grande o un regulador, que utiliza el plano de tierra para descargar el exceso de calor en la placa. Al colocar el CI muy cerca de la fuente de calor, se obtendrán resultados de detección de temperatura más precisos.

Implementación del sensor Digital: EMC1833T

Como mencioné anteriormente, encuentro fascinante el dispositivo EMC1883 producido por Microchip no solo porque tiene una gama de características fantásticas, sino porque puede leer la temperatura detectada por una unión de transistores. El STS-30 que vimos anteriormente tenía un pin de interrupción de alerta activado por un valor absoluto; sin embargo, el EMC1883 se puede configurar para generar también una alerta basada en la velocidad de cambio de la temperatura detectada. Esta alerta de tasa de cambio puede permitir que las soluciones inteligentes de gestión térmica se activen automáticamente en previsión de su necesidad en lugar de después del evento. Esto tiene el potencial de mejorar la fiabilidad del dispositivo en su conjunto mediante la gestión cuidadosa de su temperatura de funcionamiento. Al igual que con el STS-30, es totalmente configurable por software, lo que ofrece ventajas considerables sobre cualquier opción configurada de fábrica que probablemente necesite implementar si estuviera utilizando un termostato completamente analógico para lograr los mismos resultados.

El modelo específico de la serie EMC8xx que estamos probando solo admite la detección de una sola unión. Sin embargo, hay otros modelos en la serie que pueden proporcionar sensores para hasta cinco uniones.

Al igual que el STS-30, este es un sensor basado en I2C que admite la instalación de varios sensores en un solo bus I2C. Una distinción es que la implementación del pin ADDR EMC1833T es diferente de la naturaleza binaria de encendido / apagado del dispositivo STS-30. Este dispositivo le permite configurar hasta seis direcciones separadas mediante el uso de diferentes valores de resistencia pull-up. El pin ADDR también funciona como uno de los pines de interrupción, actuando como el Pin de Advertencia Térmica (junto con el Pin de ALERTA/Advertencia térmica de 2). Al igual que la instalación anterior del dispositivo, no implementaré resistencias pull-up en las líneas I2C en la placa del sensor de temperatura. Sin embargo, se requiere que estén instalados en algún lugar dentro de su circuito para permitir que el bus de comunicaciones del sensor funcione correctamente.

La hoja de datos recomienda usar un transistor de unión bipolar 2N3904 como elemento de detección remota, ya que no tengo un transistor de CPU disponible para usar para mediciones. Estoy usando la variante de montaje en superficie de un 2N3904 para detectar la temperatura en esta placa. El MMBT3904 está disponible en prácticamente todas las empresas de fabricación de silicio que se ocupan de BJT; en este caso, elegí usar una pieza de semiconductor, ya que era la mejor almacenada. Había varios millones disponibles la última vez que miré Octopart.

Como he hecho en artículos anteriores de esta serie, he colocado el elemento sensor de temperatura, nuestro transistor, dentro de la rotura térmica. He colocado los elementos no sensores detrás de la rotura térmica. Esto evita que el EMC1833T pueda influir negativamente en la lectura de temperatura debido a cualquier calor que pueda generarse por sí mismo.

Implementación de sensores Digitales: Si7051-A20-IMR

Finalmente, tenemos los Laboratorios de Silicio Si7051-A20. Son los resultados de este dispositivo los que más me emociona ver en toda esta serie. El MAX31826 es un sensor bastante preciso; sin embargo, el Si7051-A20 ofrece una impresionante precisión de +/- 0,1°C con un consumo de energía increíblemente bajo de solo 195 nA al muestrear. El consumo de energía es al menos un orden de magnitud menor que todos los otros sensores de temperatura digitales y sustancialmente menor que los sensores de temperatura analógicos que vimos en el artículo anterior.

Cuando muchos sensores tienen precisiones anunciadas muy altas, las cifras generalmente solo se aplican a una porción limitada del rango de detección general. Por el contrario, el Si7051-A12 ofrece la precisión reportada en todo su rango de detección de -40°C a +125°C. Lo que es más, el error de 0,1°C es una precisión en el peor de los casos, no el promedio o el mínimo. Con su resolución de 14 bits seleccionada, el Si7051-A20 proporciona una lectura repetible de 0,01°C – ¡Me encantan los sensores precisos y repetibles!

Al igual que con los dos últimos sensores, el Si7051-A20 es un sensor compatible con I2C. Sin embargo, no ofrece un pin de dirección, lo que significa que solo puede tener una sola unidad conectada al bus I2C a menos que agregue un interruptor I2C o cambie la alimentación entre diferentes unidades conectadas en el mismo bus. Esto requeriría pines y agregar la complejidad de los circuitos, haciendo que el Si7051-A20 menos ideal para la detección de varias ubicaciones en su placa de circuito. El dispositivo tampoco tiene pines de alerta / interrupción, destinados a ser utilizados únicamente como sensor de temperatura digital. En general, si está buscando automatizar la gestión térmica de su placa de circuito, un sensor menos preciso y de menor costo será más que suficiente para dicha aplicación.

Una de las características que más me gustó del STS-20 la última vez que lo utilicé fue la calibración certificada NIST aplicada a cada dispositivo, ya que mi cliente requería esa característica. Si bien el Si7051-A20 no menciona esto en su hoja de datos, tiene un certificado de calibración disponible. También pude encontrar otro certificado de calibración más específico; sin embargo, esto no está en el sitio web de Silicon Labs y, por lo tanto, solo puede aplicarse a las unidades particulares que compró esta compañía. Si es así, establece una prioridad para los laboratorios de Silicio que emiten certificados específicos para sus clientes.

Al igual que las otras implementaciones de I2C que hemos cubierto en este artículo, las líneas de I2C para esta tarjeta no tienen resistencias pull-up instaladas en las líneas de datos/reloj. Tendrá que incluir una resistencia pull-up en cada línea en algún lugar de su circuito para permitir que el Si7051-A20 se comunique con éxito.

El paquete DFN de 6 pines también es el prototipo más fácil de entregar de todas las opciones sin plomo que hemos cubierto en este artículo. Al usar una plantilla o una herramienta de deposición de pasta como el Voltera V-One, este sensor sería increíblemente fácil de colocar y refluir a mano con herramientas básicas, lo que lo hace perfecto para la creación de prototipos en el laboratorio doméstico o de oficina.

Conclusión

Hemos analizado cuatro sensores de temperatura digitales diferentes en este artículo. Sin embargo, hay cientos de otras opciones de sensores de temperatura digitales disponibles que pueden satisfacer los requisitos específicos de su proyecto, que están bien surtidos y disponibles. Mientras que los sensores de temperatura analógicos son excelentes para la supervisión autónoma de procesos o para su uso con un convertidor analógico a digital, los sensores de temperatura digitales ofrecen una comodidad significativa al integrarse en un producto que tiene un microcontrolador. Como hemos visto en este artículo, hay sensores de temperatura digitales que pueden generar interrupciones y alertas en umbrales configurables, lo que permite aplicaciones emocionantes más allá de un termostato basado en comparador configurado de fábrica, como probablemente usaría con un sensor de temperatura analógico. La precisión y exactitud de los sensores de temperatura digitales modernos pueden ser excepcionalmente altas; sin embargo, muchas opciones consumen considerablemente más corriente que sus contrapartes analógicas, lo que puede proporcionar cierta compensación de temperatura del autocalentamiento.

Los sensores de temperatura digitales más populares y bien surtidos generalmente usan un bus I2C para comunicaciones; sin embargo, las opciones de bus SPI y de 1 cable también están disponibles para satisfacer la disponibilidad de buses de comunicaciones alternativos para su proyecto.

Como mencioné al principio del artículo, puedes encontrar detalles de cada una de estas placas de sensores y todas las demás implementaciones de sensores de temperatura en GitHub. Todos estos diseños se publican bajo la licencia MIT de código abierto, que le permite hacer prácticamente cualquier cosa con el diseño para uso personal o comercial.

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