Incorporación de funcionalidad de medición de temperatura al diseño de la recogida de energía de sensores inalámbricos de temperatura

　　La monitorización de la temperatura desempeña un papel importante en una amplia variedad de aplicaciones. En sistemas electrónicos, temperaturas superiores o inferiores a las especificaciones pueden afectar al rendimiento nominal de circuitos y sistemas. Más allá de estas aplicaciones tradicionales de gestión térmica, la medición de temperatura ha pasado de ser una función ocasional de monitorización de sistemas a una función central para aplicaciones como el Internet de las Cosas (IoT). Aquí, los sensores inalámbricos de temperatura dependen de la tecnología de captación de energía para proporcionar energía para la medición de datos de los sensores y la transmisión inalámbrica. Para estos diseños de bajo consumo, los ingenieros pueden encontrar integrados circuitos integrados de sensores de empresas como ADI, Maxim Integrated, Microchip Technology y Texas Instruments.

　　Para aplicaciones generales de medición de temperatura, los ingenieros pueden elegir entre diversos sensores de temperatura, incluyendo termopares, RTDs, termistores y sensores de CI. Los termopares se utilizan típicamente para la detección de altas temperaturas; RTD es adecuado para rangos de temperatura más bajos; y los termistores son los sensores preferidos para la detección precisa dentro de un rango de temperatura muy limitado. Cada tipo puede proporcionar mediciones suficientemente precisas para la mayoría de las aplicaciones, pero los ingenieros se enfrentan a una serie de desafíos para generar datos de temperatura fiables y precisos.

　　Medición de temperatura

　　Para los diseñadores, implementar aplicaciones de sensores requiere construir circuitos de acondicionamiento de señal para proporcionar datos adecuados para aplicaciones posteriores. Normalmente, los circuitos de acondicionamiento de señal deben incluir amplificadores, filtros, comparadores, referencias de voltaje y ADCs en el camino de la señal. Además, dependiendo del tipo de sensor, los diseñadores deben abordar la compensación de temperatura fría, proporcionar fuentes de excitación de corriente o voltaje y gestionar tablas de consulta para la linealización (Figura 1).

　　Añadir funcionalidad de medición de temperatura al diseño de captación de energía de sensores inalámbricos Figura 1: Utilizando sensores de temperatura tradicionales en el diseño, los ingenieros deben cumplir con los requisitos de excitación y carga del sensor y construir una cadena de señales capaz de convertir valores no lineales de los sensores en datos precisos de temperatura (proporcionados por Maxim Integrated). Aunque estos dispositivos son muy complejos y pueden usarse para operaciones complejas de monitoreo de temperatura a nivel de sistema, los ingenieros pueden encontrar circuitos integrados de sensores de temperatura más básicos. Estos dispositivos están diseñados específicamente para la medición de temperatura, simplificando el diseño al combinar sensores de temperatura integrados con circuitos integrados de acondicionamiento de señal, eliminando la necesidad de que los diseñadores resuelvan detalles clave del acondicionamiento de señal y la conversión de datos en aplicaciones simples de sensores. Estos dispositivos integrados ofrecen salida analógica o digital, incluyendo todas las funciones de procesamiento de señales necesarias para producir una salida lineal precisa en un amplio rango de temperaturas. Estos dispositivos suelen reducir los requerimientos totales de consumo energético de los sensores y suelen proporcionar modos de ultra bajo consumo necesarios para los diseños inalámbricos de sensores utilizando tecnología de captación de energía.

　　El sensor de temperatura LM74 de Texas Instruments integra un sensor de temperatura de banda prohibida y un ADC ΔΣ de 12 bits, con lógica de control relacionada, registros y una interfaz serial de tres cables compatible con SPI (Figura 2). Por defecto, el dispositivo se enciende en modo de conmutación continua,

　　Consume 265μA (valor típico) para añadir funcionalidad de medición de temperatura al diseño de captación de energía de sensores inalámbricos de temperatura. Figura 2: Los sensores de temperatura de CI simplifican el diseño de aplicaciones de detección de temperatura integrando sensores, regulación y circuitos de conversión en el chip (proporcionados por Texas Instruments). Sin embargo, dado que las aplicaciones de detección de temperatura requieren muestreo periódico, los ingenieros pueden configurar el LM74 en modo de apagado de bajo consumo, con un consumo de energía inferior a 10μA (valor típico para paquetes DSBGA a 3,3 V, y 8μA para paquetes SOIC a 5 V). En este modo, la interfaz serie permanece activa y el dispositivo mantiene las últimas lecturas de temperatura en sus registros internos. Por lo tanto, los ingenieros pueden activar el LM74, completar las lecturas de temperatura y restaurar el dispositivo a modo de apagado. En cualquier momento, incluso durante el modo de apagado, los MCUs individuales pueden usar interfaces seriales para recopilar los datos de temperatura más recientes.

　　Diversas configuraciones

　　Los ingenieros pueden encontrar una gran variedad de sensores de temperatura de CI que integran cadenas de señal completas con diferentes zonas (véase de nuevo la Figura 1), así como cadenas de señales que proporcionan funciones adicionales. El AD22100 de ADI proporciona una cadena de señal analógica completa sin circuitos analógicos adicionales para ajustes finos, almacenamiento búfer o linealización. Con este tipo de dispositivo, los ingenieros deben proporcionar capacidades de conversión separadas, a menudo confiando en MCUs con ADCs integrados.

　　AD22100 proporciona una salida proporcional, con el voltaje de salida proporcional a la temperatura de alimentación del dispositivo: cuando el dispositivo se alimenta con una única fuente de +5,0 V, oscila entre 0,25 V a -50°C a +4,75 V a +150°C. El uso de sensores de relación simplifica el uso del ADC porque la misma fuente de alimentación puede servir de referencia para el ADC sin necesidad de una referencia de voltaje de precisión separada y costosa (Figura 3).

　　Añadir funcionalidad de medición de temperatura al diseño de captación de energía de sensores inalámbricos de temperatura Figura 3: El AD22100 de ADI es el circuito integrado proporcional del sensor de temperatura, que permite la misma fuente de alimentación de +5 V tanto para el voltaje de referencia de AD22100 como para el del ADC sin necesidad de una referencia de tensión de precisión separada (proporcionada por Analog Devices). Pequeños cambios en el voltaje de la fuente de alimentación tienen poco impacto porque tanto el AD22100 como el ADC utilizan la fuente de alimentación como referencia. Para aplicaciones típicas de captación de energía basadas en MCUs integradas, los ingenieros pueden utilizar de forma similar ADCs integrados en MCU sin necesidad de referencias precisas de voltaje, aunque puede ser necesario un filtro RC simple para proporcionar inmunidad a picos de alta velocidad. PIN de entrada del ADC del MCU.

　　De manera similar, la serie de MCP9700 Microchip Technology ofrece una solución sencilla para la medición de temperatura. Basada en la tecnología de termistor activo lineal de Microchip, la serie de circuitos integrados de sensores se basa en la dependencia de la temperatura de los diodos internos para generar niveles de tensión de salida dependientes de la temperatura. El coeficiente de temperatura del diodo interno hace que la tensión de salida esté relacionada con la temperatura ambiente relativa entre -40° y 150°C. Para MCP9700, los cambios de voltaje dentro de este rango de temperatura pueden ajustarse a un coeficiente de temperatura de 10,0 mV/°C (valor típico). Aunque se pueden utilizar circuitos integrados de gestión térmica muy complejos, la mayoría ofrece funciones para monitorizar grandes sistemas, más allá del alcance requerido por los diseños típicos de sensores inalámbricos. Sin embargo, incluso aplicaciones simples de detección de temperatura pueden conllevar el riesgo de operar con desviaciones de temperatura que excedan los límites de diseño. Para estas aplicaciones, los diseñadores pueden elegir circuitos integrados con sensor de temperatura como el Texas Instruments (TI) LM75A, que ofrecen funcionalidad de monitor térmico sin la sobrecarga de equipos de monitorización térmica más complejos.

　　Los ingenieros pueden usar dispositivos como el LM75A para medir la temperatura, pero los circuitos sensibles se desactivan en caso de sobrecalentamiento. De manera similar, la tecnología de microchip TCN75A no solo permite a los diseñadores medir la temperatura, sino que también monitoriza las señales de salida de alarma que se activan cuando la temperatura supera un umbral establecido.

　　Los circuitos integrados con sensor de temperatura pueden simplificar significativamente la implementación de aplicaciones de medición de temperatura. Por otro lado, utilizan sensores de temperatura integrados en el chip, lo que significa que si el camino térmico óptimo pasa por sus pines, las mediciones del dispositivo reflejan finalmente la temperatura de la PCB en la que está montado (o incluso del propio chip). Por ello, los fabricantes suelen recomendar el uso de componentes encapsulados en plástico, ya que el plástico actúa como un aislante térmico más eficaz entre el sensor y la PCB. Para mayor aislamiento, los ingenieros pueden instalar circuitos integrados de sensores en una carcasa termoconductiva sellada y colocarlos en entornos de interés.

　　Para aplicaciones que requieren aislamiento total de la medición térmica, los ingenieros aún pueden encontrar dispositivos que integran una cadena de señal completa pero que dependen de sensores externos. Los MAX6682 integrados Maxim y MAX6674 utilizan termistores externos y termopares para generar datos digitales de temperatura, respectivamente. Los diseñadores solo necesitan conectar la entrada del dispositivo al sensor de temperatura adecuado y conectar la salida de tres cables compatible con SPI del dispositivo al MCU para lograr un sensor de temperatura completo (Figura 4).

　　Añadir funcionalidad de medición de temperatura al diseño de captación de energía de sensores inalámbricos de temperatura Figura 4: Las aplicaciones que no pueden utilizar sensores de temperatura integrados pueden recurrir a circuitos integrados, como Maxim Integrated MAX6682 y MAX6674, que integran una cadena de señal completa pero dependen de termistores y termopares externos respectivamente (proporcionados por Maxim Integrated). » Resumen: Los CI con sensor de temperatura proporcionan una solución sencilla y de bajo consumo para aplicaciones básicas de medición de temperatura. Al integrar sensores de temperatura integrados en el chip con el nivel analógico o incluso digital de toda la cadena de señal, estos dispositivos pueden tratar las mediciones de temperatura como salidas de voltaje o valores digitales finales. Con los circuitos integrados de sensores disponibles, los ingenieros pueden añadir fácilmente capacidades de medición de temperatura a diseños inalámbricos de sensores inalámbricos de bajo consumo que utilizan tecnología de captación de energía.