Adição de funcionalidade de medição de temperatura ao projeto de coleta de energia dos sensores de temperatura sem fio

　　O monitoramento de temperatura desempenha um papel importante em uma ampla gama de aplicações. Para sistemas eletrônicos, temperaturas acima ou abaixo das especificações podem afetar o desempenho nominal de circuitos e sistemas. Além dessas aplicações tradicionais de gestão térmica, a medição de temperatura passou de uma função ocasional de monitoramento de sistemas para uma função central para aplicações como a Internet das Coisas (IoT). Aqui, sensores de temperatura sem fio dependem da tecnologia de captação de energia para fornecer energia para medição de dados e transmissão sem fio. Para esses projetos de baixo consumo, os engenheiros podem encontrar CIs de sensores integrados de empresas como ADI, Maxim Integrated, Microchip Technology e Texas Instruments.

　　Para aplicações gerais de medição de temperatura, os engenheiros podem escolher entre vários sensores de temperatura, incluindo termopares, RTDs, termistores e sensores de CI. Termopares são tipicamente usados para detecção de altas temperaturas; RTD é adequado para faixas de temperatura mais baixas; e termistores são os sensores preferidos para detecção precisa dentro de uma faixa estreita de temperatura. Cada tipo pode fornecer medições suficientemente precisas para a maioria das aplicações, mas os engenheiros enfrentam uma série de desafios para gerar dados de temperatura confiáveis e precisos.

　　Medição de temperatura

　　Para projetistas, implementar aplicações de sensores exige a construção de circuitos de condicionamento de sinal para fornecer dados apropriados para aplicações posteriores. Normalmente, circuitos de condicionamento de sinal precisam incluir amplificadores, filtros, comparadores, referências de tensão e ADCs no caminho do sinal. Além disso, dependendo do tipo de sensor, os projetistas precisam abordar a compensação de temperatura fria, fornecer fontes de excitação de corrente ou tensão e gerenciar tabelas de consulta para linearização (Figura 1).

　　Adição de funcionalidade de medição de temperatura ao projeto de captação de energia de sensores de temperatura sem fio Figura 1: Utilizando sensores de temperatura tradicionais no projeto, os engenheiros precisam atender aos requisitos de excitação e carga do sensor e construir uma cadeia de sinal capaz de converter valores não lineares dos sensores em dados precisos de temperatura (fornecidos pela Maxim Integrated). Embora esses dispositivos sejam amplamente complexos e possam ser usados para operações complexas de monitoramento de temperatura em nível de sistema, engenheiros podem encontrar CIs de sensores de temperatura mais básicos. Esses dispositivos são especificamente projetados para medição de temperatura, simplificando o design ao combinar sensores de temperatura integrados no chip com circuitos integrados de condicionamento de sinal, eliminando a necessidade de projetistas resolver detalhes essenciais do condicionamento de sinal e conversão de dados em aplicações simples de sensores. Esses dispositivos integrados oferecem saída analógica ou digital, incluindo todas as funções de processamento de sinal necessárias para produzir saída linear precisa em uma ampla faixa de temperaturas. Esses dispositivos normalmente reduzem os requisitos gerais de consumo de energia dos sensores e normalmente fornecem modos de consumo ultra-baixo necessários para projetos de sensores sem fio usando tecnologia de captação de energia.

　　O sensor de temperatura LM74 da Texas Instruments integra um sensor de intervalo de banda e um ADC ΔΣ de 12 bits, com lógica de controle relacionada, registradores e uma interface serial de três fios compatível com SPI (Figura 2). Por padrão, o dispositivo liga em modo de comutação contínua,

　　Consuma 265μA (valor típico) para adicionar funcionalidade de medição de temperatura ao projeto de captação de energia dos sensores de temperatura sem fio. Figura 2: Sensores de temperatura de CI simplificam o projeto de aplicações de sensores de temperatura ao integrar sensores, regulação e circuitos de conversão no chip (fornecidos pela Texas Instruments). No entanto, como aplicações de detecção de temperatura exigem amostragem periódica, os engenheiros podem ajustar o LM74 para modo de desligamento de baixo consumo, com consumo de energia abaixo de 10μA (valor típico para pacotes DSBGA a 3,3 V, e 8μA para pacotes SOIC a 5 V). Nesse modo, a interface serial permanece ativa, e o dispositivo mantém as leituras de temperatura mais recentes em seus registradores internos. Portanto, os engenheiros podem acionar o LM74, completar as leituras de temperatura e restaurar o dispositivo para o modo de desligamento. A qualquer momento, inclusive durante o modo de desligamento, MCUs individuais podem usar interfaces seriais para coletar os dados de temperatura mais recentes.

　　Configurações diversas

　　Os engenheiros podem encontrar uma grande variedade de sensores de temperatura de CI que integram cadeias completas de sinal com diferentes zonas (veja novamente a Figura 1), assim como cadeias de sinal que fornecem funções adicionais. A AD22100 do ADI fornece uma cadeia de sinal analógica completa sem circuitos analógicos adicionais para ajuste fino, bufferização ou linearização. Com esse tipo de dispositivo, os engenheiros precisam fornecer capacidades de conversão separadas, muitas vezes dependendo de MCUs com ADCs integrados.

　　AD22100 fornece saída proporcional, com a tensão de saída proporcional à temperatura da tensão de alimentação do dispositivo: quando o dispositivo é alimentado por uma única fonte de +5,0 V, ele varia de 0,25 V a -50°C para +4,75 V a +150°C. O uso de sensores de razão simplifica o uso do ADC porque a mesma fonte de alimentação pode servir como referência para o ADC sem a necessidade de uma referência de tensão de precisão separada e cara (Figura 3).

　　Adição da funcionalidade de medição de temperatura ao projeto de captação de energia dos sensores de temperatura sem fio Figura 3: A AD22100 do ADI é o CI de sensor de temperatura proporcional, permitindo a mesma fonte de alimentação de +5 V para as tensões de referência de AD22100 e ADC, sem a necessidade de uma referência de tensão de precisão separada (fornecida pela Analog Devices). Pequenas mudanças na tensão da fonte de alimentação têm pouco impacto porque tanto o AD22100 quanto o ADC usam a fonte de alimentação como referência. Para aplicações típicas de captação de energia baseadas em MCUs integradas, engenheiros podem usar ADCs integrados em MCUs sem precisar referências precisas de tensão, embora um filtro RC simples possa ser necessário para fornecer imunidade a picos de alta velocidade. Pino de entrada do ADC do MCU.

　　Da mesma forma, a série Microchip Technology MCP9700 oferece uma solução simples para medição de temperatura. Baseada na tecnologia de termistor ativo linear da Microchip, a série de CI do sensor depende da dependência de temperatura dos diodos internos para gerar níveis de tensão de saída dependentes da temperatura. O coeficiente de temperatura do diodo interno faz com que a tensão de saída esteja relacionada à temperatura ambiente relativa entre -40° e 150°C. Para MCP9700, as variações de tensão dentro dessa faixa de temperatura podem ser ajustadas para um coeficiente de temperatura de 10,0 mV/°C (valor típico). Embora circuitos integrados de gerenciamento térmico altamente complexos possam ser usados, a maioria oferece funções para monitoramento de grandes sistemas, além do escopo exigido pelos projetos típicos de sensores sem fio. No entanto, mesmo aplicações simples de detecção de temperatura podem apresentar o risco de operar com desvios de temperatura além dos limites de projeto. Para essas aplicações, os projetistas podem escolher circuitos integrados com sensor de temperatura, como o Texas Instruments (TI) LM75A, que oferecem funcionalidade de monitor térmico sem a sobrecarga de equipamentos de monitoramento térmico mais complexos.

　　Engenheiros podem usar dispositivos como o LM75A para medir temperatura, mas circuitos sensíveis são desativados em caso de superaquecimento. De forma semelhante, a Tecnologia de Microchip TCN75A não só permite que os projetistas meçam a temperatura, mas também monitora sinais de saída de alarme disparados quando a temperatura ultrapassa um limite estabelecido.

　　Circuitos integrados com sensor de temperatura podem simplificar significativamente a implementação de aplicações de medição de temperatura. Por outro lado, eles usam sensores de temperatura integrados no chip, o que significa que, se o caminho térmico ideal passar pelos pinos, as medições do dispositivo refletem a temperatura da PCB onde está montado (ou até mesmo do próprio chip). Por isso, os fabricantes geralmente recomendam o uso de componentes encapsulados em plástico, pois o plástico atua como um isolante térmico mais eficaz entre o sensor e a placa de circuito impresso. Para maior isolamento, engenheiros podem instalar CIs de sensores em um invólucro termocondutor selado e colocá-los em ambientes de interesse.

　　Para aplicações que exigem isolamento completo da medição térmica, os engenheiros ainda podem encontrar dispositivos que integram uma cadeia de sinal completa, mas dependem de sensores externos. Os MAX6682 integrados Maxim e MAX6674 utilizam termistores externos e termopares para gerar dados digitais de temperatura, respectivamente. Os projetistas só precisam conectar a entrada do dispositivo ao sensor de temperatura apropriado e conectar a saída de três fios compatível com SPI do dispositivo ao MCU para alcançar um sensor de temperatura completo (Figura 4).

　　Adição de funcionalidade de medição de temperatura ao projeto de captação de energia de sensores de temperatura sem fio Figura 4: Aplicações que não podem usar sensores de temperatura integrados podem ser recorridas a CIs integrados, como o Maxim Integrated MAX6682 e MAX6674, que integram uma cadeia completa de sinal, mas dependem de termistores externos e termopares, respectivamente (fornecidos pela Maxim Integrated). » Resumo: Os CIs sensores de temperatura fornecem uma solução simples e de baixo consumo para aplicações básicas de medição de temperatura. Ao integrar sensores de temperatura no chip com o nível analógico ou até digital de toda a cadeia de sinal, esses dispositivos podem tratar medições de temperatura como saída de voltagem ou valores digitais finais. Com circuitos integrados de sensores disponíveis, os engenheiros podem facilmente adicionar capacidades de medição de temperatura a projetos de sensores sem fio de baixo consumo que utilizam tecnologia de captação de energia.