Cree rápidamente un circuito preciso de detección de temperatura basado en termistores

Los sensores de temperatura son uno de los sensores más utilizados en la industria electrónica con aplicaciones que van desde la calibración y la seguridad hasta la calefacción, la ventilación y el aire acondicionado (HVAC). A pesar de su amplio uso, los sensores de temperatura y su implementación pueden constituir un desafío para los diseñadores a la hora de alcanzar el rendimiento con la mayor precisión y al menor costo posible.

Hay varias formas de detectar la temperatura. Los métodos más comunes utilizan sensores de temperatura, como el termistor, el detector de temperatura de resistencia (RTD), el termopar o un termómetro de silicona. Sin embargo, seleccionar el sensor adecuado es solo una parte de la solución. Luego, ese sensor se debe conectar a una cadena de señal que mantiene la integridad de esa señal, mientras que también compensa con precisión las características únicas de la tecnología de detección en cuestión para garantizar una representación digital precisa de la temperatura.

Este artículo presenta una solución de circuito alimentado por USB para realizar esta tarea. Utiliza un termistor de coeficiente de temperatura negativo (NTC) en combinación con el microcontrolador analógico de precisión ADuC7023BCPZ62I-R7 de Analog Devices para controlar la temperatura con precisión.

Características del termistor NTC

Un termistor es una resistencia sensible al calor, de la cual hay dos tipos: el termistor de coeficiente de temperatura positivo (PTC) y el termistor NTC. El termistor PTC de cerámica policristalina tiene un PTC alto y se usa normalmente en aplicaciones de conmutación. El termistor semiconductor cerámico NTC tiene un NTC de alta resistividad, por lo que su resistencia disminuye cuando aumenta la temperatura. Esto lo hace apropiado para la medición precisa de la temperatura.

Hay tres modos de funcionamiento del termistor NTC: resistencia frente a temperatura, voltaje frente a corriente y corriente en el tiempo. El modo que explota las características de resistencia frente a temperatura del termistor proporciona los resultados con mayor precisión.

Los circuitos de resistencia frente a temperatura configuran el termistor en una condición de "potencia cero". La condición de "potencia cero" supone que la excitación de corriente o voltaje del dispositivo no hace que el termistor se autocaliente.

En un termistor NTC típico, como el dispositivo NCP18XM472J03RB de 4.7 kiloohmios (kΩ) de Murata Electronics en un paquete 0603, la respuesta de la resistencia frente a temperatura es altamente no lineal (Figura 1).

Figura 1: La respuesta de la resistencia frente a temperatura de un termistor NTC típico es altamente no lineal, por lo que los diseñadores deben encontrar una manera de controlar esta no linealidad para un rango de temperatura definido. (Fuente de la imagen: Bonnie Baker, calculada y dibujada en base a los valores de resistencia de Murata)

El gráfico en la Figura 1 muestra el alto grado de no linealidad del termistor de 4.7 kΩ. El índice en el que la resistencia de un termistor NTC disminuye con la temperatura es una constante conocida como beta (ß) (no aparece en la Figura). Para el termistor de 4.7 kΩ de Murata, β = 3500.

La corrección de la respuesta no lineal del termistor se puede lograr en un software con un convertidor de analógico a digital de alta resolución (ADC) y un polinomio empírico de tercer grado o una tabla de consulta.

Sin embargo, existe una técnica de hardware razonable, más simple y menos costosa que, cuando se aplica antes de alcanzar el ADC, puede controlar el problema de linealización del termistor para un rango de temperatura de ±25 °C.

Solución de linealización de hardware

Un enfoque simple para una linealización de primer nivel de la salida del termistor es colocar el termistor en serie con una resistencia estándar (1 %, película metálica) y una fuente de voltaje. El valor de la resistencia en serie determina la mediana de la región lineal del circuito del termistor. El valor de resistencia del termistor (R_TH) y la ecuación de Steinhart-Hart determinan la temperatura del termistor (Figura 2). Se ha descubierto que la ecuación de Steinhart-Hart es la mejor expresión matemática para determinar la temperatura de un termistor NTC.

Figura 2: Una configuración (R_TH y R₂₅) del divisor de voltaje linealiza la respuesta del termistor. El rango lineal en ADC0 (en la entrada ADC) está dentro de un rango de temperatura de aproximadamente 50 °C. (Fuente de la imagen: Bonnie Baker)

La derivación del valor real de la resistencia del termistor, R_TH, comienza con la definición de la salida del divisor de voltaje (V_ADC0). Luego, V_ADC0 se utiliza para encontrar el código decimal de la salida digital del ADC, D_OUT, donde D_OUT depende de la cantidad de bits del ADC (N), el voltaje de entrada máximo del ADC (V_REF) y el voltaje de entrada del ADC (V_ADC0). El tercer y último paso para encontrar R_TH es multiplicar R₂₅ (o el valor R_TH de 25 °C) por la relación entre la cantidad de códigos ADC y el código decimal de salida digital del ADC. Este proceso de cálculo del tercer paso comienza con la Ecuación 2 a continuación.

El paso final en el cálculo es convertir la resistencia del termistor a temperatura en unidades kelvin usando la ecuación de Steinhart-Hart mencionada anteriormente. El microcontrolador analógico de precisión ADuC7023 determina la temperatura del sensor usando la Ecuación 4:

  Ecuación 4

Donde:

T₂ = temperatura del termistor que se está midiendo (en unidades kelvin)

T₁ = 298 kelvin (25 °C)

β = parámetro β del termistor a 298 kelvins o 25 °C β = 3500

R₂₅ = resistencia del termistor a 298 kelvin o 25 °C R₂₅ = 4.7 kΩ

R_TH = resistencia del termistor a una temperatura desconocida, como se calculó en la Ecuación 3

En la Figura 2, la resistencia del termistor (R_TH) es igual a 4.7 kΩ a 25 °C. Dado que el valor de R₂₅ es igual al valor de 25 °C del termistor, la región lineal del divisor de voltaje se centra alrededor de 25 °C (Figura 3).

Figura 3: Respuesta lineal de un termistor de 4.7 kΩ en serie con una resistencia estándar de 4.7 kΩ y 2.4 voltios a través del divisor de voltaje. (Fuente de la imagen: Bonnie Baker, calculada y dibujada en base a los valores de resistencia de Murata)

En la Figura 3, el sistema de termistor en serie responde a la temperatura linealmente en un rango de temperatura limitado de aproximadamente 0 °C a +50 °C. En este rango, el error de temperatura delta es de ±1 °C. El valor de linealización de la resistencia (R₂₅) debe ser igual a la magnitud del termistor en el punto medio del rango de temperatura de interés.

Generalmente, este circuito adquiere un nivel de precisión de12 bits en un rango de temperatura de ±25 °C, con la temperatura nominal del termistor en el valor R₂₅.

Monitor de temperatura basado en USB

La ruta de la señal en la solución del circuito comienza con el termistor de bajo costo de 4.7 kΩ seguido por el microcontrolador ADuC7023 de bajo costo de Analog Devices. El microcontrolador integra cuatro convertidores de digital a analógico (DAC) de 12 bits, un ADC de registro de aproximaciones sucesivas (SAR) multicanal de 12 bits, y una referencia interna de 1.2 voltios, así como también un núcleo ARM7^®, memoria flash de 126 kB, memoria estática de acceso aleatorio (SRAM) de 8 kB y varios periféricos digitales, como un UART, temporizadores, Interfaz periférica serial (SPI) y dos interfaces I²C (Figura 4).

Figura 4: El circuito de detección de temperatura utiliza una conexión USB para la alimentación y la interfaz I²C del microcontrolador ADuC7034 para la comunicación digital. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

En la Figura 4, la alimentación y la conexión a tierra del circuito provienen completamente de la interfaz USB de cuatro cables. El regulador lineal de baja caída ADP3333ARMZ-5-R7 de Analog Devices utiliza el suministro de 5 voltios USB para generar una salida de 3.3 voltios. La salida ADP3333 regulada suministra el voltaje DVDD de ADuC7023. El suministro AVDD de ADuC7023 requiere un filtrado adicional como se muestra. El regulador lineal también tiene un filtro entre la fuente USB y el pin IN.

El intercambio de datos de temperatura también se realiza a través de los pines de interfaz USB D + y D-. El ADuC7023 es capaz de usar el protocolo I²C para transmitir y recibir datos. Este circuito de aplicación utiliza la interfaz I²C de dos cables para transmitir datos y recibir comandos de configuración.

Esta aplicación utiliza las siguientes características de ADuC7023:

• ADC SAR de 12 bits
• Un brazo ARM7TDMI con SRAM. 62 kB de flash integrados ejecutan el código de usuario que configura y controla el ADC, administra las comunicaciones a través de la interfaz USB y procesa las conversiones del ADC desde el sensor del termistor.
• Los terminales I²C son la interfaz de comunicación con la computadora personal central.
• Dos interruptores\botones externos (no se muestran) fuerzan a la parte a ejecutar el modo de inicio flash: Al mantener presionada la tecla DOWNLOAD y alternar el interruptor RESET, en lugar del modo de usuario normal, el ADuC7023 ingresa en el modo de inicio. La memoria flash interna se puede reprogramar en el modo de inicio utilizando la interfaz USB a través de la herramienta de software I2CWSD asociada al dispositivo.
• VREF es la referencia de banda prohibida. Esta referencia de voltaje está disponible para otras referencias de circuito en el sistema. Un capacitor de un mínimo de 0.1 microfaradios (μF) se conecta a estos pines para reducir el ruido.

Dado que el ADuC7023 viene en un paquete de escala de chip de 32 pines de factor de forma pequeño (5 mm × 5 mm), todo el circuito entra en una sección extremadamente pequeña de una placa de CI, lo que ahorra costos y espacio.

El ADuC7023 proporciona una solución de bajo consumo a pesar de que posee un potente núcleo ARM7 y un ADC SAR de alta velocidad. El circuito completo generalmente consume 11 miliamperios (mA), con el núcleo ARM7 que funciona a 5 megahercios (MHz) y el ADC primario que mide el termistor externo. El microcontrolador y/o el ADC se pueden apagar entre las mediciones de temperatura para ahorrar aún más en el consumo de energía.

Consideraciones de diseño

El sistema de procesamiento de señal que se muestra en la Figura 4 es sorprendentemente engañoso. Si se lo ve a la ligera, este sistema solo contiene tres dispositivos activos. Pero detrás de esta simplicidad hay algunos retos de diseño interesantes.

Por ejemplo, el microcontrolador ADuC7023 es un sistema analógico y digital complejo que requiere atención especial a las reglas de conexión a tierra. Si bien puede parecer que este sistema se está “moviendo lentamente” en el dominio analógico, su ADC de seguimiento y retención integrado es un dispositivo rápido de múltiples canales que muestrea a una velocidad de 1 millón de muestras por segundo, con una velocidad reloj máxima de 41.78 MHz. En este sistema, el tiempo de subida y bajada del reloj es de unos pocos nanosegundos. Estas velocidades colocan a esta aplicación en una categoría de alta velocidad.

Claramente, los circuitos de señal mixta requieren atención especial. Aquí hay una lista de control de cuatro puntos que abarca los aspectos clave:

1. El uso de capacitadores electrolíticos
2. La selección del capacitador más pequeño
3. Consideraciones del plano de tierra
4. Opcional: pequeñas perlas de ferrita

Un capacitador electrolítico grande se usa por lo general con un valor de entre 10 mF y 100 mF y se ubica a no más de dos pulgadas del chip. Estos capacitadores actúan como depósitos de carga para adaptarse a las necesidades de requisitos de carga instantánea que genera la inductancia de traza de potencia.

Los capacitadores más pequeños del circuito, que suelen oscilar entre 0.01 mF y 0.1 mF, se colocan lo más físicamente cerca posible de los pines de alimentación del dispositivo. El propósito de estos capacitadores es enviar rápidamente y sin demoras el ruido de alta frecuencia a tierra.

El plano de tierra, debajo de los capacitadores de desacoplamiento, desacopla las corrientes de alta frecuencia y minimiza las emisiones de EMI/RFI. Debe consistir en un área grande de baja impedancia. Para minimizar la inductancia, la conexión a tierra del capacitador es a través de una vía o una pequeña traza.

Además de los capacitadores de desacoplamiento de la Figura 4, la protección EMI/RFI del cable USB requiere el uso de ferrita. Las perlas de ferrita en este circuito son las BK2125HS102-T de Taiyo Yuden, que tienen una impedancia de 1000 Ω a 100 MHz.

Conclusión

Los sensores de temperatura son uno de los sensores más utilizados, pero los requisitos de diseño continúan desafiando a los diseñadores a reducir costos y tamaños, al tiempo que mejoran la precisión de la detección. A partir de estas consideraciones, este artículo describió la implementación de un sistema de termistor comercial basado en USB de baja potencia que utiliza un pequeño ADC de 12 bits y una solución de microcontrolador ADuC7023 de alta precisión de Analog Devices. La combinación utiliza con éxito una resistencia para adaptar un termistor NTC con un comportamiento no lineal para detectar y controlar con precisión la temperatura.