انتخاب سنسور دما در طراحی مدار

   ما هر روز از سنسورهای دما برای کنترل دما در ساختمان ها ، تنظیم دمای آب و کنترل یخچال ها استفاده می کنیم. سنسورهای دما همچنین در بسیاری از کاربرد های دیگر مانند الکترونیک مصرفی ، پزشکی و صنعتی بسیار حیاتی هستند. هر کاربرد ممکن است نیاز سنجش دما متفاوت باشد. این اختلافات شامل مواردی است که اندازه گیری می شود (هوا ، جرم یا مایع) ، مکان اندازه گیری آن (داخل یا خارج) و دامنه دمای در حال اندازه گیری. چهار نوع سنسور دما وجود دارد که اغلب در طراحی مدار استفاده می شود: ترموکوپل ها ، RTD ، ترمیستورها و مدارهای مجتمع مبتنی بر نیمه هادی. این مقاله به این چهار نوع اصلی سنسور دما ، ملاحظات مربوط به هر نوع ، مزایا و معایب پرداخته است.

   ترموکوپل ها

   ترموکوپل ها متداول ترین سنسور دما هستند. از آنها در کاربردهای صنعتی ، خودرویی و روزمره استفاده می شود. ترموکوپل ها درخود انرژی تولید مینمایند ، به هیچ تحریکی احتیاج ندارند ، می توانند در دامنه دمایی گسترده کار کنند و زمان پاسخ سریع دارند. ترموکوپل ها با اتصال دو سیم فلزی غیر مشابه به یکدیگر ساخته می شوند. این باعث ایجاد اثر Seebeck می شود. اثر Seebeck پدیده ای است که در آن اختلاف دما از دو رسانای غیر مشابه باعث ایجاد اختلاف ولتاژ بین دو ماده می شود. این اختلاف ولتاژ است که می تواند اندازه گیری و برای محاسبه دما استفاده شود. انواع مختلفی از ترموکوپل وجود دارد که از انواع مختلفی از مواد ساخته می شوند ، که دامنه های مختلف دما و حساسیت های مختلف را امکان پذیر می کند. انواع مختلف توسط حروف انتخاب شده شناسایی میشوند. بیشترین استفاده برای طراحی مدار از آن نوع K است. جدول زیر مشخصات چند نوع ترموکوپل متداول را نشان می دهد.

   برخی از معایب ترموکوپل ها شامل این موارد است که اندازه گیری دما می تواند به دلیل ولتاژ خروجی کم آنها چالش برانگیز باشد ، که به تقویت دقیق نیاز دارد ، حساسیت به نویز خارجی مخصوصا در استفاده از سیم های طولانی و اتصال سرد نیاز بالاست. محل اتصال سرد جایی است که سیمهای ترموکوپل با مسی از مدار سیگنال روبرو می شوند. این اثر Seebeck دیگری ایجاد می کند که باید جبران شود و به آن جبران اتصال سرد گفته می شود. ماکسیم به عنوان یک تولید کنند ای سی ترموکوپل های خروجی دیجیتال مانند MAX31855 و MAX31856 را ارائه می دهد. این دستگاه ها با ترکیب مبدل آنالوگ به دیجیتال با وضوح بالا (ADC) ، مرحله تقویت کم نویز سیگنال و همچنین جبران اتصال سرد ، به اندازه گیری سیگنال کمک می کنند. این دستگاه ها با ارائه راه حل های دقیق برای اندازه گیری سیگنال در یک پکیج کوچک ، به طراحان مدارهای ترموکوپل کمک می کنند. آنها با بسیاری از انواع محبوب ترموکوپل کار می کنند.

   RTD (مقاومت های متغییر با دما)

   با تغییر دما ، مقاومت هر فلز نیز تغییر می کند. این تفاوت مقاومت همان چیزی است که سنسورهای دما RTD بر اساس آن ساخته شده اند. RTD یک مقاومت با مقاومت کاملاً مشخص در برابر مشخصات دما است. پلاتین رایج ترین و دقیق ترین ماده ای است که برای ساخت RTD استفاده می شود. از RTD های پلاتین به عنوان PRTD نیز یاد می شود. آنها اغلب با مقاومت 100 اهم و 1000 اهم در 0 درجه سانتیگراد را دارند. از آنها به ترتیب با نام های PT100 و PT1000 یاد می شود. پلاتین اغلب مورد استفاده قرار می گیرد زیرا تقریباً به صورت خطی به تغییرات دما پاسخ می دهند ، پایدار و دقیق هستند ، پاسخ های قابل تکرار را ارائه می دهند و دامنه دمایی گسترده ای دارند. RTD به دلیل دقت و تکرارپذیری اغلب در کاربردهای دقیق مورد استفاده قرار می گیرد. عناصر RTD معمولاً جرم حرارتی بالاتری دارند و بنابراین نسبت به ترموکوپل ها کندتر به تغییرات دما پاسخ می دهند. پردازش سیگنال در RTDs مهم است. آنها همچنین برای عبور جریان نیاز به منبع تحریک دارند. اگر این جریان مشخص باشد ، می توان مقاومت را محاسبه کرد. انواع سیم بندی شامل دو ، سه و چهار گزینه سیم است. گزینه دو سیم زمانی مفید است که طول سیم به اندازه کافی کوتاه باشد که تغییر مقاومت به طور قابل توجهی بر دقت اندازه گیری تأثیر نگذارد. در یک مدل سه سیمه یک سیم جریان تحریک را حمل می کند. این راهی برای حذف مقاومت سیم فراهم می کند. چهار سیم دقیقترین است ، زیرا سیم های جداگانه برای تحریک و اندازه گیری اثر مقاومت سیم ها را از بین می برند. شکل زیر نمونه هایی از پیکربندی های RTD دو ، سه و چهار سیم را نشان می دهد. MAX31865 مدار اندازه گیری سیگنال RTD اختصاصی را برای هر پیکربندی با وضوح 15 بیتی ارائه می دهد و یک راه حل سریع طراحی مدار برای PT100 و PT1000 ارائه می دهد.

   ترمیستور ها

   ترمیستورها از نظر تغییرات دما شبیه تغییرات RTD هستند که باعث ایجاد تغییرات مقاومت قابل اندازه گیری می شوند. ترمیستورها معمولاً از مواد پلیمری یا سرامیکی ساخته می شوند. در بیشتر موارد ، ترمیستورها ارزان ترند اما از دقت کمتری نیز نسبت به RTD برخوردار هستند. اکثر ترمیستورها در دو پیکربندی سیمی استفاده میگردند. ترمیستور NTC (ضریب دما منفی) متداول ترین ترمیستور برای کاربرد اندازه گیری دما است. مقاومت ترمیستور NTC با افزایش دما کاهش می یابد. ترمیستورها یک رابطه مقاومت دمایی غیر خطی دارند. این امر برای تفسیر صحیح داده ها به اصلاح قابل توجهی نیاز دارد. یک روش معمول استفاده از ترمیستور ، که در شکل زیر نشان داده شده است ، جایی است که یک ترمیستور و یک مقاومت با مقدار ثابت یک تقسیم ولتاژ را با خروجی تشکیل می دهند که توسط یک ADC خوانده میگردد.

   ای سی های اندازه گیری دما

   IC های سنسور دمای مبتنی بر نیمه هادی در دو نوع مختلف وجود دارند: سنسور دمای محلی و سنسور دمای دیجیتال از راه دور. سنسورهای دما محلی ، IC هایی هستند که با استفاده از خصوصیات فیزیکی ترانزیستور ، دمای خود را اندازه گیری می کنند. سنسورهای دما از راه دور دیجیتال ، دمای ترانزیستور خارجی را اندازه گیری می کنند. سنسورهای دما محلی می توانند از خروجی های آنالوگ یا دیجیتال استفاده کنند. خروجی های آنالوگ می توانند ولتاژ یا جریان باشند در حالیکه خروجی های دیجیتال را می توان در چندین استاندارد مانند I²C ، SMBus ، 1-Wire® و Serial Peripheral Interface (SPI) مشاهده شوند. سنسورهای دمایی محلی ، دما را در بورد های مدار چاپی یا هوای محیط اطراف حس می کنند. MAX31875 یک سنسور دمای محلی بسیار کوچک است و می تواند در چندین کاربرد از جمله کاربرد هایی که با باتری مدار تغذیه میشود، استفاده شود. سنسورهای دما از راه دور دیجیتال مانند سنسورهای دما محلی با استفاده از خصوصیات فیزیکی ترانزیستور کار می کنند. تفاوت این است که ترانزیستور به دور از تراشه سنسور قرار دارد. برخی از ریزپردازنده ها و FPGA ها شامل یک ترانزیستور سنجشی دو قطبی برای اندازه گیری درجه حرارت دمای IC مورد نظر هستند.

   نتیجه گیری

   ترموکوپل ها ، RTD ها ، ترمیستورها و IC های مبتنی بر نیمه هادی انواع اصلی سنسورهای دما هستند که امروزه برای طراحی مدار مورد استفاده قرار می گیرند. ترموکوپل ها ارزان ، بادوام هستند و می توانند طیف وسیعی از دما را اندازه گیری کنند. RTDs طیف وسیعی از اندازه گیری دما را ارائه می دهد (اگرچه کوچکتر از ترموکوپل است) و اندازه گیری دقیق و قابل تکرار را ارائه می دهد ، اما سرعت آنها کندتر است ، به جریان تحریک نیاز دارد و به پردازش سیگنال نیاز دارد. ترمیستورها بادوام و کوچک هستند ، اما از دقت کمتری نسبت به RTD برخوردار هستند و برای تفسیر دما به اصلاحات داده بیشتری نیاز دارند. IC های مبتنی بر نیمه هادی برای استفاده انعطاف پذیر هستند و می توانند درپکیج های بسیار کوچک عرضه شوند ، اما رنج دمایی محدودی دارند. در حالی که گزینه های سنسور دما دیگری نیز در دسترس است ، چهار گزینه مورد بحث در این مقاله برای اکثر طراحان کمکی برای یافتن راه حلی مناسب برای کاربرد آنها خواهد داشت.