Thêm chức năng đo nhiệt độ vào thiết kế thu năng lượng của cảm biến nhiệt độ không dây

　　Giám sát nhiệt độ đóng một vai trò quan trọng trong một loạt các ứng dụng. Đối với các hệ thống điện tử, nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn thông số kỹ thuật có thể ảnh hưởng đến hiệu suất danh nghĩa của mạch và hệ thống. Ngoài các ứng dụng quản lý nhiệt truyền thống này, đo nhiệt độ đã chuyển từ chức năng giám sát hệ thống không thường xuyên sang chức năng cốt lõi cho các ứng dụng như Internet vạn vật (IoT). Tại đây, cảm biến nhiệt độ không dây dựa vào công nghệ thu hoạch năng lượng để cung cấp năng lượng cho phép đo dữ liệu cảm biến và truyền dẫn không dây. Đối với các thiết kế công suất thấp này, các kỹ sư có thể tìm thấy IC cảm biến tích hợp từ các công ty như ADI, Maxim Integrated, Microchip Technology và Texas Instruments.

　　Đối với các ứng dụng đo nhiệt độ chung, các kỹ sư có thể chọn từ các cảm biến nhiệt độ khác nhau, bao gồm cặp nhiệt điện, RTD, nhiệt điện trở và cảm biến IC. Cặp nhiệt điện thường được sử dụng để cảm biến nhiệt độ cao; RTD phù hợp với phạm vi nhiệt độ thấp hơn; và nhiệt điện trở là cảm biến ưa thích để phát hiện chính xác trong phạm vi nhiệt độ hẹp. Mỗi loại có thể cung cấp các phép đo đủ chính xác cho hầu hết các ứng dụng, nhưng các kỹ sư phải đối mặt với một loạt thách thức trong việc tạo ra dữ liệu nhiệt độ đáng tin cậy và chính xác.

　　Đo nhiệt độ

　　Đối với các nhà thiết kế, việc triển khai các ứng dụng cảm biến đòi hỏi phải xây dựng các mạch điều hòa tín hiệu để cung cấp dữ liệu thích hợp cho các ứng dụng hạ lưu. Thông thường, mạch điều hòa tín hiệu cần bao gồm bộ khuếch đại, bộ lọc, bộ so sánh, tham chiếu điện áp và ADC trong đường dẫn tín hiệu. Ngoài ra, tùy thuộc vào loại cảm biến, các nhà thiết kế cần giải quyết bù nhiệt độ lạnh, cung cấp nguồn kích thích dòng điện hoặc điện áp và quản lý các bảng tra cứu để tuyến tính hóa (Hình 1).

　　Thêm chức năng đo nhiệt độ vào thiết kế thu năng lượng của cảm biến nhiệt độ không dây Hình 1: Sử dụng cảm biến nhiệt độ truyền thống trong thiết kế, các kỹ sư cần đáp ứng các yêu cầu kích thích và tải cảm biến và xây dựng chuỗi tín hiệu có khả năng chuyển đổi các giá trị cảm biến phi tuyến thành dữ liệu nhiệt độ chính xác (do Maxim Integrated cung cấp). Mặc dù các thiết bị này rất phức tạp và có thể được sử dụng cho các hoạt động giám sát nhiệt độ cấp hệ thống phức tạp, nhưng các kỹ sư có thể tìm thấy các IC cảm biến nhiệt độ cơ bản hơn. Các thiết bị này được thiết kế đặc biệt để đo nhiệt độ, đơn giản hóa thiết kế bằng cách kết hợp cảm biến nhiệt độ trên chip với mạch điều hòa tín hiệu tích hợp, loại bỏ nhu cầu của các nhà thiết kế để giải quyết các chi tiết chính của điều hòa tín hiệu và chuyển đổi dữ liệu trong các ứng dụng cảm biến đơn giản. Các thiết bị tích hợp này cung cấp đầu ra tương tự hoặc kỹ thuật số, bao gồm tất cả các chức năng xử lý tín hiệu cần thiết để tạo ra đầu ra tuyến tính chính xác trong phạm vi nhiệt độ rộng. Các thiết bị này thường làm giảm yêu cầu tiêu thụ điện năng tổng thể của cảm biến và thường cung cấp các chế độ năng lượng cực thấp cần thiết cho các thiết kế cảm biến không dây sử dụng công nghệ thu hoạch năng lượng.

　　Cảm biến nhiệt độ Texas Instruments LM74 tích hợp cảm biến nhiệt độ dải và ADC ΔΣ 12 bit, với logic điều khiển, thanh ghi liên quan và giao diện nối tiếp ba dây tương thích với SPI (Hình 2). Theo mặc định, thiết bị bật nguồn ở chế độ chuyển đổi liên tục,

　　Tiêu thụ 265μA (giá trị điển hình) để thêm chức năng đo nhiệt độ vào thiết kế thu năng lượng của cảm biến nhiệt độ không dây. Hình 2: Cảm biến nhiệt độ IC đơn giản hóa việc thiết kế các ứng dụng cảm biến nhiệt độ bằng cách tích hợp các cảm biến, mạch điều chỉnh và chuyển đổi trên chip (do Texas Instruments cung cấp). Tuy nhiên, vì các ứng dụng cảm biến nhiệt độ yêu cầu lấy mẫu định kỳ, các kỹ sư có thể đặt LM74 ở chế độ tắt nguồn công suất thấp, với mức tiêu thụ điện năng dưới 10μA (giá trị điển hình cho gói DSBGA ở 3,3 V và 8μA cho gói SOIC ở 5 V). Ở chế độ này, giao diện nối tiếp vẫn hoạt động và thiết bị giữ lại các chỉ số nhiệt độ mới nhất trong các thanh ghi bên trong của nó. Do đó, các kỹ sư có thể gọi LM74, hoàn thành các chỉ số nhiệt độ và khôi phục thiết bị về chế độ tắt máy. Bất cứ lúc nào, kể cả trong chế độ tắt máy, các MCU riêng lẻ có thể sử dụng giao diện nối tiếp để thu thập dữ liệu nhiệt độ mới nhất.

　　Cấu hình đa dạng

　　Các kỹ sư có thể tìm thấy nhiều loại cảm biến nhiệt độ IC tích hợp các chuỗi tín hiệu hoàn chỉnh với các vùng khác nhau (xem lại Hình 1), cũng như các chuỗi tín hiệu cung cấp các chức năng bổ sung. AD22100 của ADI cung cấp một chuỗi tín hiệu tương tự hoàn chỉnh mà không cần thêm mạch tương tự để tinh chỉnh, đệm hoặc tuyến tính hóa. Với loại thiết bị này, các kỹ sư phải cung cấp khả năng chuyển đổi riêng biệt, thường dựa vào MCU có ADC tích hợp.

　　AD22100 cung cấp đầu ra tỷ lệ, với điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với nhiệt độ điện áp cung cấp của thiết bị: khi thiết bị được cấp nguồn bằng một nguồn cung cấp +5.0 V duy nhất, thiết bị dao động từ 0.25 V ở -50 ° C đến + 4.75 V ở + 150 ° C. Sử dụng cảm biến tỷ lệ giúp đơn giản hóa việc sử dụng ADC vì cùng một nguồn điện có thể đóng vai trò là tham chiếu cho ADC mà không cần tham chiếu điện áp chính xác riêng biệt, đắt tiền (Hình 3).

　　Thêm chức năng đo nhiệt độ vào thiết kế thu năng lượng của cảm biến nhiệt độ không dây Hình 3: AD22100 của ADI là IC cảm biến nhiệt độ tỷ lệ, cho phép cung cấp điện +5 V giống nhau cho cả điện áp tham chiếu AD22100 và ADC mà không cần tham chiếu điện áp chính xác riêng biệt (do Analog Devices cung cấp). Những thay đổi nhỏ về điện áp nguồn điện có ít tác động vì cả AD22100 và ADC đều sử dụng nguồn điện làm tham chiếu. Đối với các ứng dụng thu hoạch năng lượng điển hình dựa trên MCU tích hợp, các kỹ sư có thể sử dụng ADC tích hợp MCU tương tự mà không cần tham chiếu điện áp chính xác, mặc dù có thể cần một bộ lọc RC đơn giản để cung cấp khả năng miễn nhiễm với các đột biến tốc độ cao. Chân đầu vào MCU ADC.

　　Tương tự, dòng Microchip Technology MCP9700 cung cấp một giải pháp đơn giản để đo nhiệt độ. Dựa trên công nghệ nhiệt điện trở hoạt động tuyến tính của Microchip, dòng IC cảm biến dựa vào sự phụ thuộc nhiệt độ của điốt bên trong để tạo ra các mức điện áp đầu ra phụ thuộc vào nhiệt độ. Hệ số nhiệt độ của diode bên trong làm cho điện áp đầu ra có liên quan đến nhiệt độ môi trường tương đối từ -40 ° đến 150 ° C. Đối với MCP9700, voltage thay đổi trong phạm vi nhiệt độ này có thể được điều chỉnh thành hệ số nhiệt độ 10.0 mV / ° C (giá trị điển hình). Mặc dù có thể sử dụng các IC quản lý nhiệt rất phức tạp, nhưng hầu hết đều cung cấp các chức năng để giám sát các hệ thống lớn, vượt ra ngoài phạm vi yêu cầu của các thiết kế cảm biến không dây điển hình. Tuy nhiên, ngay cả các ứng dụng cảm biến nhiệt độ đơn giản cũng có thể có nguy cơ hoạt động với độ lệch nhiệt độ vượt quá giới hạn thiết kế. Đối với các ứng dụng này, các nhà thiết kế có thể chọn IC cảm biến nhiệt độ như Texas Instruments (TI) LM75A, cung cấp chức năng giám sát nhiệt mà không cần thiết bị giám sát nhiệt phức tạp hơn.

　　Các kỹ sư có thể sử dụng các thiết bị như LM75A để đo nhiệt độ, nhưng các mạch nhạy cảm sẽ bị vô hiệu hóa trong trường hợp quá nóng. Tương tự, Công nghệ vi mạch TCN75A không chỉ cho phép các nhà thiết kế đo nhiệt độ mà còn giám sát các tín hiệu đầu ra cảnh báo được kích hoạt khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng cài đặt.

　　IC cảm biến nhiệt độ có thể đơn giản hóa đáng kể việc triển khai các ứng dụng đo nhiệt độ. Mặt khác, họ sử dụng cảm biến nhiệt độ trên chip, có nghĩa là nếu đường dẫn nhiệt tối ưu đi qua các chân của chúng, các phép đo của thiết bị cuối cùng sẽ phản ánh nhiệt độ của PCB mà nó được gắn trên (hoặc thậm chí là chính chip). Do đó, các nhà sản xuất thường khuyên bạn nên sử dụng các thành phần được bọc trong nhựa, vì nhựa hoạt động như một chất cách nhiệt hiệu quả hơn giữa cảm biến và PCB. Để cách ly thêm, các kỹ sư có thể lắp đặt IC cảm biến trong vỏ dẫn nhiệt kín và đặt chúng trong môi trường quan tâm.

　　Đối với các ứng dụng yêu cầu cách ly hoàn toàn phép đo nhiệt, các kỹ sư vẫn có thể tìm thấy các thiết bị tích hợp một chuỗi tín hiệu hoàn chỉnh nhưng dựa vào cảm biến bên ngoài. Maxim Integrated MAX6682 và MAX6674 sử dụng nhiệt điện trở và cặp nhiệt điện bên ngoài để tạo dữ liệu nhiệt độ kỹ thuật số tương ứng. Các nhà thiết kế chỉ cần kết nối đầu vào của thiết bị với cảm biến nhiệt độ thích hợp và kết nối đầu ra ba dây tương thích SPI của thiết bị với MCU để đạt được cảm biến nhiệt độ hoàn chỉnh (Hình 4).

　　Thêm chức năng đo nhiệt độ vào thiết kế thu năng lượng của cảm biến nhiệt độ không dây Hình 4: Các ứng dụng không thể sử dụng cảm biến nhiệt độ tích hợp có thể được chuyển sang các IC tích hợp, chẳng hạn như Maxim Integrated MAX6682 và MAX6674, tích hợp một chuỗi tín hiệu hoàn chỉnh nhưng dựa vào nhiệt điện trở bên ngoài và cặp nhiệt điện tương ứng (do Maxim Integrated cung cấp). » Tóm tắt: IC cảm biến nhiệt độ cung cấp một giải pháp đơn giản, công suất thấp cho các ứng dụng đo nhiệt độ cơ bản. Bằng cách tích hợp cảm biến nhiệt độ trên chip với mức tương tự hoặc thậm chí kỹ thuật số của chuỗi tín hiệu hoàn chỉnh, các thiết bị này có thể xử lý các phép đo nhiệt độ dưới dạng đầu ra điện áp hoặc giá trị kỹ thuật số cuối cùng. Với các IC cảm biến tích hợp có sẵn, các kỹ sư có thể dễ dàng thêm khả năng đo nhiệt độ vào các thiết kế cảm biến không dây công suất thấp sử dụng công nghệ thu hoạch năng lượng.