Adaptación de los factores del sensor de temperatura a las necesidades de la aplicación

Elegir el sensor de temperatura óptimo para una aplicación puede ser un desafío, dada la variedad de tecnologías de sensores disponibles y los diversos requisitos de la industria. Sin embargo, muchas aplicaciones requieren lecturas exactas, por lo que es esencial examinar la amplia gama de opciones disponibles.

Seleccionar un sensor de temperatura implica equilibrar múltiples factores para cumplir los requisitos de diseño, como la precisión, el tiempo de respuesta, el protocolo de comunicación, la robustez ambiental, el consumo de energía, el costo y la integración del sistema. Por lo general, los sensores pertenecen a cuatro categorías de salida de tensión analógica y a una quinta que utiliza una salida de señal digital:

• Los termopares tienen un amplio rango de temperatura y durabilidad, midiendo desde temperaturas criogénicas hasta más de +1,800°C. Son resistentes y pueden soportar entornos difíciles y responder rápidamente a los cambios bruscos de temperatura. Sin embargo, son menos precisos y estables que otras opciones y requieren acondicionamiento de la señal. Son muy adecuadas para la industria pesada, como la producción de acero y vidrio, y los electrodomésticos y aparatos comerciales con mucho calor.
• Los detectores de temperatura de resistencia (RTD) son muy precisos y estables. Son ideales para la automatización industrial y el control de procesos, donde la precisión es crucial. Las RTD se utilizan habitualmente en las industrias alimentaria y farmacéutica para un control estricto de la temperatura en procesos como la elaboración de cerveza, la esterilización y la fritura. Proporcionan mediciones de temperatura precisas para sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado, y en equipos médicos y de laboratorio como incubadoras e instrumentos analíticos. Los RTD pueden resultar caros en comparación con otras alternativas, como los termopares, y son frágiles debido a su dependencia de elementos sensores de alambre fino o película delgada. A menudo se utilizan con un circuito de medición de precisión que aumenta la complejidad y el costo del diseño.
• Los termistores son resistencias dependientes de la temperatura fabricadas con semiconductores que presentan una alta sensibilidad. Los grandes cambios de resistencia para pequeños cambios de temperatura permiten la detección de fluctuaciones diminutas y una alta resolución. los termistores son pequeños, rápidos y económicos, y están disponibles en varios tamaños, desde minúsculas perlas hasta sondas de mayor tamaño. Destacan en aplicaciones con intervalos de temperatura limitados, normalmente entre -50 °C y 150 °C. Los termistores son muy versátiles y se utilizan en dispositivos médicos y electrónica de consumo, donde la temperatura ambiente o corporal es relevante, así como en aplicaciones de automoción, sistemas de gestión de baterías, electrodomésticos y detección de fuego y humo. Sin embargo, su curva de resistencia no lineal requiere fórmulas de conversión o tablas de consulta para traducir la resistencia a la temperatura exacta, y pueden experimentar deriva con el tiempo en comparación con los RTD.
• Los sensores de temperatura basados en diodos ofrecen tiempos de respuesta rápidos y son más pequeños que los otros tres tipos analógicos. Pueden interactuar fácilmente con un microcontrolador, convertidores analógico-digitales (ADC) y circuitos integrados de aplicación específica (ASIC). Son rentables con un rango de temperatura limitado de -55 °C a +150 °C, y se utilizan en una amplia gama de aplicaciones que abarcan la electrónica de consumo, la automatización industrial, los sistemas de almacenamiento de centros de datos, la automoción y muchas otras. Presentan una precisión menor que los RTD, son susceptibles al ruido del sistema y a menudo requieren calibración para garantizar lecturas coherentes entre distintos dispositivos.
• Los sensores digitales de temperatura son circuitos integrados (CI) que miden la temperatura y proporcionan una salida digital directa, normalmente a través de protocolos de comunicación como SMBus, I²C, SPI o 1-Wire. No requieren el acondicionamiento externo de la señal, la amplificación y la conversión analógico-digital de las opciones analógicas.

Directrices de selección

Elegir el sensor de temperatura adecuado implica encontrar un equilibrio entre precisión, tiempo de respuesta, durabilidad y costo. Los requisitos específicos del sector también pueden orientar la selección de un componente adecuado.

El entorno operativo de la aplicación desempeña un papel crucial. Las condiciones duras requieren sensores robustos como los termopares o los RTD recubiertos, mientras que los termistores o los sensores semiconductores son más adecuados para entornos controlados. El costo y la escalabilidad también son factores a tener en cuenta en la producción en serie: los termistores son económicos, pero los RTD y los termopares de gama alta ofrecen estabilidad a largo plazo.

La tolerancia del diseñador entre precisión y practicidad también puede influir en la selección. Los RTD ofrecen una gran precisión pero son caros, mientras que los termopares son más versátiles pero menos precisos. El tiempo de respuesta y la ubicación también son importantes: los sensores pequeños y de poca masa, como los termopares y los termistores, responden con rapidez, pero su ubicación puede afectar al rendimiento.

El costo de un sensor y sus circuitos asociados puede influir mucho en la selección, sobre todo en productos de consumo o fabricación de gran volumen. Existe una gama de costos considerable entre los distintos tipos de sensores. Los sensores analógicos requieren acondicionamiento de la señal, mientras que los digitales simplifican la integración. Reducir los circuitos analógicos y la calibración puede minimizar los costos totales y justificar el uso de un sensor digital, incluso ligeramente más caro.

Opciones y características digitales

Los sensores digitales convierten internamente una señal analógica y transmiten los datos como un flujo digital, lo que a menudo proporciona una mejor inmunidad al ruido y permite un procesamiento de datos más complejo. Analog Devices, Inc. (ADI) ofrece una amplia cartera de sensores de temperatura analógicos y digitales, y los diseñadores deben evaluar cuidadosamente cuál se ajusta mejor a las necesidades de su aplicación. A continuación, se resumen brevemente algunos sensores digitales.

Cuando se necesitan lecturas exactas de la temperatura, la precisión es probablemente el principal factor de selección. El sensor digital MAX31888 de ADI presenta una precisión de ±0,25 °C en un rango de -20 °C a +105 °C y se comunica con un microcontrolador a través de un bus 1-Wire para permitir circuitos de monitorización de temperatura de alta precisión (Figura 1). Cada MAX31888 tiene programado su propio número de registro único de 64 bits, que actúa como dirección de nodo en una red 1-Wire multipunto.

Figura 1: Circuito de aplicación típico que utiliza el sensor de temperatura MAX31888. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

El MAX31888 utiliza una sola línea de datos para la comunicación, de la que puede extraer directamente la alimentación parásita, lo que permite a los diseñadores prescindir de una fuente de alimentación externa. Cuando se utilizan fuentes de alimentación externas, su rango de tensión es de 1.7 V a 3.6 V mientras consume solo 68 μA de corriente durante la medición.

El consumo de energía y el tamaño pueden ser las principales preocupaciones a la hora de diseñar dispositivos pequeños que funcionen con pilas. Para aplicaciones como los dispositivos de vestir, los dispositivos MAX31875 de ADI, como el MAX31875R0TZS+T (Figura 2), combinan un tamaño de encapsulado muy pequeño de 0.84 mm x 0.84 mm x 0.35 mm y un bajo consumo de corriente de alimentación con una precisión de medición de temperatura de ±1 °C.

Figura 2: Representación del factor de forma MAX31875R0TZS+T. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

La familia MAX31875 utiliza una interfaz serie compatible con I²C/SMBus que utiliza comandos estándar de escritura de bytes, lectura de bytes, envío de bytes y recepción de bytes para leer los datos de temperatura y configurar el comportamiento del sensor en un circuito típico (Figura 3). Utiliza <10 μA de corriente media de alimentación y puede medir temperaturas de -50 °C a +150 °C.

Figura 3: Circuito de aplicación que utiliza un sensor digital de temperatura MAX31875. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

ADI también ofrece circuitos integrados diseñados para medir con precisión la temperatura de los diodos térmicos y convertirla a formato digital, sustituyendo a los termistores o termopares convencionales. Estos sensores de diodos remotos miden la temperatura de uniones PN externas, como los diodos térmicos integrados en CPU, GPU, FPGA y ASIC. El MAX6654MEE+T mide un diodo térmico. Existen otras opciones para aplicaciones de 2, 3, 4 y 8 canales.

Los sensores de diodo remoto pueden emplearse ampliamente en entornos eléctricamente ruidosos con un filtrado interno y externo adecuado. El MAX31732ATG+T es un sensor de temperatura de 4 canales que monitoriza su propia temperatura junto con las temperaturas de hasta cuatro transistores externos conectados por diodos (Figura 4).

Figura 4: El MAX31732 de ADI puede monitorizar hasta cuatro transistores externos conectados por diodo, como en este circuito de aplicación. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

El sensor MAX31732 puede programarse para establecer umbrales de temperatura sin ningún software o firmware especial. Se puede utilizar una interfaz serie de 2 hilos para controlar las temperaturas y revisar los umbrales de temperatura.

Conclusión

Encontrar el sensor de temperatura óptimo puede garantizar un mejor rendimiento, fiabilidad y rentabilidad en una aplicación. La selección puede verse afectada por una serie de factores, como los requisitos y normas específicos del sector y la relación costo-rendimiento. La cartera de sensores digitales de temperatura de ADI ofrece soluciones para satisfacer las necesidades de una amplia variedad de aplicaciones.