Hinzufügen von Temperaturmessfunktionen zum Energieentnahmedesign drahtloser Temperatursensoren

　　Die Temperaturüberwachung spielt in einer Vielzahl von Anwendungen eine wichtige Rolle. Bei elektronischen Systemen können Temperaturen über oder unter den Spezifikationen die nominale Leistung von Schaltungen und Systemen beeinflussen. Über diese traditionellen Anwendungen des thermischen Managements hinaus hat sich die Temperaturmessung von einer gelegentlichen Systemüberwachungsfunktion zu einer Kernfunktion für Anwendungen wie das Internet der Dinge (IoT) entwickelt. Hier basieren drahtlose Temperatursensoren auf Energiegewinnungstechnologie, um Energie für die Messung von Sensordaten und die drahtlose Übertragung bereitzustellen. Für diese energiesparenden Designs finden Ingenieure integrierte Sensor-ICs von Unternehmen wie ADI, Maxim Integrated, Microchip Technology und Texas Instruments.

　　Für allgemeine Temperaturmessungsanwendungen können Ingenieure aus verschiedenen Temperatursensoren wählen, darunter Thermoelemente, RTDs, Thermistoren und IC-Sensoren. Thermoelemente werden typischerweise für Hochtemperaturmessungen verwendet; RTD eignet sich für niedrigere Temperaturbereiche; und Thermistoren sind die bevorzugten Sensoren für präzise Detektion innerhalb eines engen Temperaturbereichs. Jeder Typ kann für die meisten Anwendungen ausreichend genaue Messungen liefern, aber Ingenieure stehen vor einer Reihe von Herausforderungen bei der Erstellung zuverlässiger und genauer Temperaturdaten.

　　Temperaturmessung

　　Für Konstrukteure erfordert die Implementierung von Sensoranwendungen den Bau von Signalaufbereitungsschaltungen, um geeignete Daten für nachgelagerte Anwendungen bereitzustellen. Typischerweise müssen Signalaufbereitungsschaltungen Verstärker, Filter, Komparatoren, Spannungsreferenzen und ADCs im Signalweg enthalten. Zusätzlich müssen Entwickler je nach Sensortyp die Kompensation der Kältetemperatur berücksichtigen, Strom- oder Spannungsanregungsquellen bereitstellen und Nachschlagtabellen zur Linearisierung verwalten (Abbildung 1).

　　Hinzufügen von Temperaturmessfunktionen zum Energiegewinnungsdesign drahtloser Temperatursensoren Abbildung 1: Mit herkömmlichen Temperatursensoren müssen Ingenieure Anforderungen an Sensoranregung und -belastung erfüllen und eine Signalkette aufbauen, die nichtlineare Sensorwerte in präzise Temperaturdaten umwandeln kann (bereitgestellt von Maxim Integrated). Obwohl diese Geräte sehr komplex sind und für komplexe Temperaturüberwachungsoperationen auf Systemebene eingesetzt werden können, finden Ingenieure grundlegendere Temperatursensor-ICs. Diese Geräte sind speziell für Temperaturmessungen konzipiert und vereinfachen das Design, indem sie On-Chip-Temperatursensoren mit integrierten Signalaufbereitungsschaltungen kombinieren, wodurch die Entwickler die Notwendigkeit überflüssig machen, wichtige Details der Signalaufbereitung und Datenumwandlung in einfachen Sensoranwendungen zu lösen. Diese integrierten Geräte bieten entweder analogen oder digitalen Ausgang, einschließlich aller Signalverarbeitungsfunktionen, die notwendig sind, um eine präzise lineare Ausgabe über einen großen Temperaturbereich zu erzeugen. Diese Geräte reduzieren typischerweise den Gesamtenergieverbrauch der Sensoren und bieten typischerweise ultra-energieeffiziente Modi, die für drahtlose Sensordesigns mit Energiegewinnungstechnologie erforderlich sind.

　　Der Temperatursensor LM74 von Texas Instruments integriert einen Bandlückentemperatursensor und einen 12-Bit-ΔΣ-ADC mit zugehöriger Steuerlogik, Registern und einer SPI-kompatiblen dreidrahtigen seriellen Schnittstelle (Abbildung 2). Standardmäßig schaltet sich das Gerät im kontinuierlichen Schaltmodus ein,

　　Verbrauchen Sie 265 μA (typischer Wert), um Temperaturmessfunktionen für das Energiegewinnungsdesign drahtloser Temperatursensoren hinzuzufügen. Abbildung 2: IC-Temperatursensoren vereinfachen das Design von Temperaturmessanwendungen, indem sie Sensoren, Regelung und Umwandlungsschaltungen auf dem Chip integrieren (bereitgestellt von Texas Instruments). Da jedoch Temperaturmessanwendungen periodische Probenahmen erfordern, können Ingenieure das LM74 auf den Energiesparmodus mit Stromabschaltung einstellen, mit einem Stromverbrauch unter 10 μA (typischer Wert für DSBGA-Gehäuse bei 3,3 V und 8 μA für SOIC-Gehäuse bei 5 V). In diesem Modus bleibt die serielle Schnittstelle aktiv, und das Gerät behält die neuesten Temperaturwerte in seinen internen Registern. Daher können Ingenieure das LM74 aufrufen, die Temperaturmessungen durchführen und das Gerät wieder in den Abschaltmodus versetzen. Jederzeit, auch während des Abschaltmodus, können einzelne MCUs serielle Schnittstellen verwenden, um die neuesten Temperaturdaten zu erfassen.

　　Vielfältige Konfigurationen

　　Ingenieure finden eine Vielzahl von IC-Temperatursensoren, die vollständige Signalketten mit verschiedenen Zonen integrieren (siehe Abbildung 1 erneut), sowie Signalketten, die zusätzliche Funktionen bieten. Das AD22100 von ADI bietet eine vollständige analoge Signalkette ohne zusätzliche analoge Schaltungen zur Feinabstimmung, Pufferung oder Linearisierung. Bei diesem Gerätetyp müssen Ingenieure separate Konvertierungsmöglichkeiten bereitstellen und verlassen sich oft auf MCUs mit integrierten ADCs.

　　AD22100 bietet einen proportionalen Ausgangsausgang, wobei die Ausgangsspannung proportional zur Versorgungsspannungstemperatur des Geräts ist: Wenn das Gerät von einer einzelnen +5,0 V Versorgung betrieben wird, schwankt sie von 0,25 V bei -50°C auf +4,75 V bei +150°C. Die Verwendung von Übersetzungssensoren vereinfacht den ADC-Verbrauch, da dieselbe Stromversorgung als Referenz für den ADC dienen kann, ohne dass eine separate, teure Präzisionsspannungsreferenz benötigt wird (Abbildung 3).

　　Hinzufügen von Temperaturmessfunktionen zum Energiegewinnungsdesign drahtloser Temperatursensoren Abbildung 3: Das AD22100 von ADI ist der proportionale Temperatursensor-IC, der dieselbe +5-V-Stromversorgung für sowohl AD22100- als auch ADC-Referenzspannungen ermöglicht, ohne dass eine separate Präzisionsspannungsreferenz erforderlich ist (bereitgestellt von Analog Devices). Kleine Änderungen der Stromversorgungsspannung haben wenig Auswirkung, da sowohl der AD22100 als auch der ADC das Netzteil als Referenz verwenden. Für typische Anwendungen zur Energiegewinnung auf Basis integrierter MCUs können Ingenieure ähnlich MCU-integrierte ADCs ohne präzise Spannungsreferenzen verwenden, obwohl ein einfacher RC-Filter benötigt werden kann, um Immunität gegen Hochgeschwindigkeitsspitzen zu gewährleisten. MCU-ADC-Eingangspin.

　　Ebenso bietet die Microchip Technology MCP9700 Serie eine einfache Lösung zur Temperaturmessung. Basierend auf der linearen aktiven Thermistortechnologie von Microchip basiert die Sensor-IC-Serie auf der Temperaturabhängigkeit interner Dioden, um temperaturabhängige Ausgangsspannungsniveaus zu erzeugen. Der Temperaturkoeffizient der internen Diode bewirkt, dass die Ausgangsspannung mit der relativen Umgebungstemperatur zwischen -40° und 150°C zusammenhängt. Für MCP9700 können Spannungsänderungen innerhalb dieses Temperaturbereichs auf einen Temperaturkoeffizienten von 10,0 mV/°C (typischer Wert) eingestellt werden. Obwohl hochkomplexe Wärmemanagement-ICs verwendet werden können, bieten die meisten Funktionen zur Überwachung großer Systeme, die über den Umfang typischer drahtloser Sensordesigns hinausgehen. Allerdings können selbst einfache Temperaturmessanwendungen das Risiko bergen, mit Temperaturabweichungen außerhalb der Auslegungsgrenzen zu arbeiten. Für diese Anwendungen können Konstrukteure Temperatursensor-ICs wie das Texas Instruments (TI) LM75A wählen, die eine thermische Überwachungsfunktion ohne den Aufwand komplexerer thermischer Überwachungsgeräte bieten.

　　Ingenieure können Geräte wie das LM75A zur Temperaturmessung verwenden, aber empfindliche Schaltungen sind bei Überhitzung deaktiviert. Ebenso ermöglicht die Microchip Technology TCN75A nicht nur die Temperaturmessung der Entwickler, sondern überwacht auch Alarmsignale, die ausgelöst werden, wenn die Temperatur einen festgelegten Schwellenwert überschreitet.

　　Temperatursensor-ICs können die Implementierung von Temperaturmessanwendungen erheblich vereinfachen. Andererseits verwenden sie On-Chip-Temperatursensoren, das heißt, wenn der optimale thermische Weg durch ihre Pins führt, spiegeln die Messungen des Geräts letztlich die Temperatur der Leiterplatte wider, auf der es montiert ist (oder sogar des Chips selbst). Daher empfehlen Hersteller in der Regel Bauteile, die in Kunststoff verkapselt sind, da Kunststoff als effektiverer Wärmeisolator zwischen Sensor und PCB wirkt. Zur weiteren Isolierung können Ingenieure Sensor-ICs in einem abgedichteten thermisch leitfähigen Gehäuse installieren und sie in interessante Umgebungen platzieren.

　　Für Anwendungen, die eine vollständige Isolierung der thermischen Messung erfordern, finden Ingenieure weiterhin Geräte, die eine vollständige Signalkette integrieren, aber auf externe Sensoren angewiesen sind. Maxim Integrated MAX6682 und MAX6674 verwenden externe Thermistoren bzw. Thermoelemente, um digitale Temperaturdaten zu erzeugen. Entwickler müssen lediglich den Eingang des Geräts an den entsprechenden Temperatursensor anschließen und den SPI-kompatiblen Dreidrahtausgang des Geräts an das MCU anschließen, um einen vollständigen Temperatursensor zu erreichen (Abbildung 4).

　　Hinzufügen von Temperaturmessfunktionen zum Energiegewinnungsdesign drahtloser Temperatursensoren Abbildung 4: Anwendungen, die keine integrierten Temperatursensoren verwenden können, können auf integrierte ICs wie Maxim Integrated MAX6682 und MAX6674 umgewandelt werden, die eine vollständige Signalkette integrieren, aber auf externe Thermistoren bzw. Thermoelemente (bereitgestellt von Maxim Integrated) setzen. » Zusammenfassung: Temperatursensor-ICs bieten eine einfache, energiesparende Lösung für grundlegende Temperaturmessungsanwendungen. Durch die Integration von On-Chip-Temperatursensoren mit dem analogen oder sogar digitalen Pegel der gesamten Signalkette können diese Geräte Temperaturmessungen als Spannungsausgabe oder endgültige digitale Werte behandeln. Mit verfügbaren integrierten Sensor-ICs können Ingenieure einfach Temperaturmessmöglichkeiten zu stromsparenden drahtlosen Sensordesigns hinzufügen, die Energiegewinnungstechnologie verwenden.