Kablosuz sıcaklık sensörlerinin enerji toplama tasarımına sıcaklık ölçüm işlevselliğinin eklenmesi

　　Sıcaklık izleme, çok çeşitli uygulamalarda önemli bir rol oynar. Elektronik sistemler için, spesifikasyonların üstünde veya altında olan sıcaklıklar, devrelerin ve sistemlerin nominal performansını etkileyebilir. Bu geleneksel termal yönetim uygulamalarının ötesinde, sıcaklık ölçümü ara sıra kullanılan bir sistem izleme fonksiyonundan Nesnelerin İnterneti (IoT) gibi uygulamalar için temel bir fonksiyona dönüştü. Burada, kablosuz sıcaklık sensörleri, sensör veri ölçümü ve kablosuz iletim için güç sağlamak amacıyla enerji toplama teknolojisine dayanır. Bu düşük güç gerektiren tasarımlar için mühendisler ADI, Maxim Integrated, Microchip Technology ve Texas Instruments gibi şirketlerden entegre sensör IC'leri bulabilirler.

　　Genel sıcaklık ölçüm uygulamaları için mühendisler, termokupllar, RTD'ler, termistörler ve IC sensörleri dahil olmak üzere çeşitli sıcaklık sensörleri arasından seçim yapabilirler. Termokupllar genellikle yüksek sıcaklık algılama için kullanılır; RTD, daha düşük sıcaklık aralıkları için uygundur; ve termistörler, dar bir sıcaklık aralığında hassas algılama için tercih edilen sensörlerdir. Her tip çoğu uygulama için yeterli doğru ölçüm sağlayabilir, ancak mühendisler güvenilir ve doğru sıcaklık verisi üretmede bir dizi zorlukla karşı karşıyadır.

　　Sıcaklık ölçümü

　　Tasarımcılar için, sensör uygulamalarının uygulanması, aşağı akış uygulamaları için uygun veri sağlayacak sinyal koşullandırma devreleri oluşturulmasını gerektirir. Genellikle, sinyal koşullandırma devrelerinde sinyal yolunda amplifikatörler, filtreler, karşılaştırıcılar, gerilim referansları ve ADC'ler bulunmalıdır. Ayrıca, sensör tipine bağlı olarak, tasarımcıların soğuk sıcaklık telafisini ele alması, akım veya voltaj uyarılma kaynakları sağlaması ve doğrusallaştırma için arama tablolarını yönetmesi gerekir (Şekil 1).

　　Kablosuz sıcaklık sensörlerinin enerji toplama tasarımına sıcaklık ölçüm işlevselliğinin eklenmesi Şekil 1: Tasarımda geleneksel sıcaklık sensörleri kullanılarak, mühendislerin sensör uyarılma ve yükleme gereksinimlerini karşılaması ve doğrusal olmayan sensör değerlerini kesin sıcaklık verilerine dönüştürebilen bir sinyal zinciri kurmaları gerekir (Maxim Integrated tarafından sağlanmıştır). Bu cihazlar oldukça karmaşık ve karmaşık sistem düzeyinde sıcaklık izleme işlemlerinde kullanılabilse de, mühendisler daha temel sıcaklık sensörü IC'leri bulabilirler. Bu cihazlar, özellikle sıcaklık ölçümü için tasarlanmıştır; çip üzerindeki sıcaklık sensörlerini entegre sinyal koşullandırma devreleriyle birleştirerek tasarımı basitleştirir; böylece tasarımcıların sinyal koşullandırma ve veri dönüşümünün temel detaylarını basit sensör uygulamalarında çözme ihtiyacını ortadan kaldırır. Bu entegre cihazlar, geniş bir sıcaklık aralığında hassas doğrusal çıkış sağlamak için gereken tüm sinyal işleme fonksiyonlarını içeren analog veya dijital çıkış sunar. Bu cihazlar genellikle sensörlerin genel güç tüketimini azaltır ve enerji toplama teknolojisi kullanılarak kablosuz sensör tasarımları için ultra düşük güç modlarını sağlar.

　　Texas Instruments LM74 sıcaklık sensörü, bant aralığı sıcaklık sensörü ve 12 bitlik bir ΔΣ ADC, ilgili kontrol mantığı, kayıtlar ve SPI uyumlu üç telli seri arayüz ile entegre eder (Şekil 2). Varsayılan olarak, cihaz sürekli anahtarlama modunda açılır,

　　Kablosuz sıcaklık sensörlerinin enerji toplama tasarımına sıcaklık ölçüm işlevselliği eklemek için 265μA (tipik değer) tüketin. Şekil 2: IC sıcaklık sensörleri, sensörler, düzenleme ve dönüşüm devrelerini çip üzerinde entegre ederek sıcaklık algılama uygulamalarının tasarımını basitleştirir (Texas Instruments tarafından sağlanmıştır). Ancak, sıcaklık algılama uygulamaları periyodik örnekleme gerektirdiğinden, mühendisler LM74'ü düşük güç kapanma moduna ayarlayabilirler ve güç tüketimi 10μA'nın altında (DSBGA paketleri için tipik değer 3.3 V, SOIC paketleri için ise 8μA 5 V). Bu modda, seri arayüz aktif kalır ve cihaz en güncel sıcaklık okumalarını iç kayıtlarında korur. Bu nedenle mühendisler LM74'ü çağırabilir, sıcaklık ölçümlerini tamamlayabilir ve cihazı kapatma moduna geri getirebilir. Her zaman, kapama modunda dahil, bireysel MCU'lar en son sıcaklık verilerini toplamak için seri arayüzler kullanabilir.

　　Çeşitli konfigürasyonlar

　　Mühendisler, farklı bölgelerle tam sinyal zincirlerini entegre eden çok çeşitli IC sıcaklık sensörleri bulabilirler (tekrar Şekil 1'e bakınız) ve ek işlevler sağlayan sinyal zincirleri de bulunabilir. ADI'nin AD22100, ince ayarlama, tamponlama veya doğrusallaştırma için ek analog devreler olmadan tam bir analog sinyal zinciri sağlar. Bu tür cihazlarda mühendisler, genellikle entegre ADC'lere sahip MCU'lara dayanarak ayrı dönüşüm yetenekleri sunmak zorundadır.

　　AD22100, çıkış voltajı cihazın besleme voltaj sıcaklığına orantılı olarak orantılı çıkış sağlar: cihaz tek bir +5.0 V besleme ile beslendiğinde, -50°C'de 0.25 V'dan +150°C'de +4.75 V'a kadar değişir. Oran sensörlerinin kullanılması, ADC kullanımını kolaylaştırır çünkü aynı güç kaynağı ayrı ve pahalı hassas voltaj referansına ihtiyaç duymadan ADC için referans olarak kullanılabilir (Şekil 3).

　　Kablosuz sıcaklık sensörlerinin enerji toplama tasarımına sıcaklık ölçüm işlevselliği eklenmesi Şekil 3: ADI'nin AD22100, hem AD22100 hem de ADC referans voltajları için aynı +5 V güç kaynağını ayrı bir hassas gerilim referansına ihtiyaç duymadan (Analog Devices tarafından sağlanan) sağlayan orantılı sıcaklık sensörü IC'dir. Güç kaynağı voltajındaki küçük değişiklikler pek etkili olmaz çünkü hem AD22100 hem de ADC güç kaynağını referans olarak kullanır. Entegre MCU'lara dayalı tipik enerji toplama uygulamaları için, mühendisler de hassas voltaj referanslarına ihtiyaç duymadan MCU entegre ADC'leri kullanabilirler, ancak yüksek hızlı yükselmelere karşı bağışıklık sağlamak için basit bir RC filtresi gerekebilir. MCU ADC giriş pini.

　　Benzer şekilde, Microchip Technology MCP9700 serisi sıcaklık ölçümü için basit bir çözüm sunar. Microchip'in doğrusal aktif termistör teknolojisine dayanan sensör IC serisi, sıcaklığa bağlı çıkış voltaj seviyeleri oluşturmak için iç diyotların sıcaklık bağımlılığına dayanır. İç diyotun sıcaklık katsayısı, çıkış voltajının -40° ile 150°C arasındaki göreli ortam sıcaklığıyla ilişkilendirilmesine neden olur. MCP9700 için, bu sıcaklık aralığındaki gerilim değişiklikleri tipik değer olarak 10.0 mV/°C sıcaklık katsayısına ayarlanabilir. Son derece karmaşık termal yönetim IC'leri kullanılabilse de, çoğu, tipik kablosuz sensör tasarımlarının gerektirdiği kapsamın ötesinde büyük sistemleri izleme işlevleri sunar. Ancak, basit sıcaklık algılama uygulamaları bile tasarım sınırlarının ötesindeki sıcaklık sapmalarıyla çalışma riski taşıyabilir. Bu uygulamalar için tasarımcılar, daha karmaşık termal izleme ekipmanlarının yükü olmadan termal monitör işlevi sağlayan Texas Instruments (TI) LM75A gibi sıcaklık sensörü IC'lerini seçebilirler.

　　Mühendisler LM75A gibi cihazları sıcaklık ölçmek için kullanabilir, ancak aşırı ısınma durumunda hassas devreler devre dışı bırakılır. Benzer şekilde, Microchip Technology TCN75A tasarımcıların sadece sıcaklığı ölçmesine izin vermekle kalmaz, aynı zamanda sıcaklık belirlenen eşiği aştığında tetiklenen alarm çıkış sinyallerini de izler.

　　Sıcaklık sensörü IC'leri, sıcaklık ölçüm uygulamalarının uygulanmasını önemli ölçüde basitleştirebilir. Öte yandan, çip içi sıcaklık sensörleri kullanıyorlar; yani optimal termal yol pinlerinden geçerse, cihazın ölçümleri sonunda monte edildiği PCB'nin (hatta çipinin) sıcaklığını yansıtıyor. Bu nedenle, üreticiler genellikle plastik kapsüllenmiş bileşenleri önerir; çünkü plastik sensör ile PCB arasında daha etkili bir termal yalıtma görevi görür. Daha fazla izolasyon için mühendisler, sensör IC'lerini kapalı bir termal iletken kabina yerleştirebilir ve onları ilgi çekici ortamlara yerleştirebilirler.

　　Termal ölçümün tamamen izolasyonu gerektiren uygulamalarda, mühendisler hâlâ tam bir sinyal zincirini entegre eden ancak harici sensörlere dayanan cihazlar bulabilirler. Maxim Entegre MAX6682 ve MAX6674, sırasıyla dijital sıcaklık verisi oluşturmak için harici termistörler ve termokupllar kullanır. Tasarımcılar, tam bir sıcaklık sensörü elde etmek için yalnızca cihazın girişini uygun sıcaklık sensörüne bağlamaları ve cihazın SPI uyumlu üç telli çıkışını MCU'ya bağlamaları yeterlidir (Şekil 4).

　　Kablosuz sıcaklık sensörlerinin enerji toplama tasarımına sıcaklık ölçüm işlevselliğinin eklenmesi Şekil 4: Entegre sıcaklık sensörlerini kullanamayan uygulamalar, tam bir sinyal zincirini entegre eden ancak sırasıyla harici termistörler ve termokupllara dayanan Maxim Integrated MAX6682 ve MAX6674 gibi entegre IC'lere yönlendirilebilir (Maxim Integrated tarafından sağlanmıştır). » Özet: Sıcaklık sensörü IC'leri, temel sıcaklık ölçüm uygulamaları için basit ve düşük güçlü bir çözüm sunar. Çip içi sıcaklık sensörlerini analog veya hatta dijital sinyal zincirinin seviyesiyle entegre ederek, bu cihazlar sıcaklık ölçümlerini voltaj çıkışı veya nihai dijital değerler olarak ele alabilir. Mevcut entegre sensör IC'leriyle mühendisler, enerji toplama teknolojisi kullanan düşük güçlü kablosuz sensör tasarımlarına kolayca sıcaklık ölçüm yetenekleri ekleyebilirler.