Detecte la temperatura con eficacia en aplicaciones de IoT usando tecnología de estado sólido

Por Bill Schweber

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

El crecimiento de las aplicaciones de la IoT (Internet de las cosas) incrementó la necesidad de sensores de temperatura para consumidores, residencias, comercios y sitios industriales. Mientras la temperatura podría ser la variable física más comúnmente determinada, medirla a veces presenta desafíos en términos de tipos de sensor así como también mantener el rendimiento en el tiempo y con los cambios ambientales.

Las tecnologías clásicas de detección de temperatura incluyen termistores, termopares y RTD (detectores de temperatura resistivos ). Este artículo describe los desafíos que enfrentan los diseñadores en relación con la detección de la temperatura y compara estas tres opciones de detección. Después se describirá una cuarta opción: sensores de temperatura en estado sólido.

Se procederá a presentar soluciones adecuadas de temperatura de estado sólido y se mostrará cómo se pueden usar para cumplir con los requisitos de medición de temperatura de la IoT.

El desafío permanente de medir la temperatura

Aunque la temperatura se puede medir fácilmente en principio, hacerlo eficazmente puede resultar difícil en la práctica debido a la precisión del sensor, la ubicación, el consumo de energía y la cantidad de ubicaciones que se deben medir.

  • Precisión: Algunas aplicaciones de la IoT necesitan un rendimiento de ±2 °C, mientras que ±1°C es lo más común, a pesar de que algunas aplicaciones de precisión podrían requerir resultados más altos de ±0.5 °C o más.
  • Colocación: La colocación efectiva del sensor a veces es un dilema, incluida la distancia a la que se puede encontrar del punto de interés sin afectar la integridad de la lectura, mientas se tiene en cuenta la longitud de los cables.
  • Consumo de energía: Muchas de las aplicaciones de la IoT operan con fuentes de alimentación limitadas, como baterías de larga duración y recolección de energía.
  • Cantidad de ubicaciones controladas: En algunos sitios se deben controlar solo uno o dos puntos, mientras en otros se necesitan medir muchos más. Esto genera problemas de comunicación y de costos, además de preocupaciones con respecto a la complejidad de la colocación y el consumo de energía.

Los sensores tradicionales podrían no ser una buena opción

Los termopares, los RTD y los termistores se usan ampliamente y son ideales para aplicaciones conectadas por cable no vinculadas a la IoT, así como aquellas donde la potencia está disponible. Sin embargo, sus características principales podrían ser incompatibles con instalaciones de la IoT diversas y dispersas. Este es el caso a pesar de las CI de interfaz de alto rendimiento disponibles para soportarlas y la experiencia sólida de los diseñadores en la aplicación.

Cada uno de estos enfoques tiene ventajas y desventajas:

  • Los termopares pueden proporcionar una excelente precisión en un amplio rango de temperaturas de miles de grados, pero necesitan un sensor auxiliar de temperatura ambiente para la CJC (compensación de soldadura en frío). También necesitan un sistema de circuitos de interfaz sofisticado.
  • Los RTD (detectores de temperatura resistivos) son bastante precisos y tienen una temperatura relativamente lineal en comparación con una función de transferencia de resistencia. Sin embargo, requiere decenas de miliamperios de corriente del controlador y un sistema de circuitos sofisticado de controlador y lectura. También es relativamente costoso debido al uso de platino.
  • Los termistores tienen un alto incremento de resistencia por grado del cambio de temperatura, lo que proporciona una resolución mejorada. Son precisos y estables y su tamaño reducido da lugar a una pequeña masa térmica, lo que da como resultado un tiempo de respuesta rápido. Sin embargo, a diferencia de los termopares y los RTD, no existen estándares industriales para sus curvas de respuesta, lo que es bueno y malo. Existen muchos tipos de termistores y rangos para elegir, pero su carácter intercambiable y el reemplazo podrían ser un asunto problemático.

En la Tabla 1 se resumen las características clave y los atributos de los termopares, los RTD y los termistores, mientras que en la Tabla 2 se comparan las fortalezas y debilidades relativas. Como de costumbre, no existe un solo sensor de temperatura que sea considerado el mejor, ya que cada tipo representa un intercambio de características dependiendo de los objetivos y prioridades de la aplicación.

Tipo de sensor Termistor RTD Termopar
Rango de temperatura (normal) De -100 °C a +325 °C De -200 °C a +650 °C De +200 °C a +1750 °C
Precisión (normal) De 0.05 °C a 1.5 °C De 0.1 °C a 1 °C De 0.5 °C a 5 °C
Estabilidad duradera a 100 °C 0.2 °C/año 0.05 °C/año Variable
Linealidad Exponencial Relativamente lineal No lineal
Potencia requerida Voltaje o corriente constante Voltaje o corriente constante Autoalimentado
Tiempo de respuesta Rápido: De 0.12 s a 10 s Generalmente lento: De 1 s a 50 s Rápido: De 0.10 s a 10 s
Susceptibilidad al ruido eléctrico Raramente susceptible
Solo alta resistencia
Raramente susceptible Susceptible/Compensación de soldadura en frío
Costo De bajo a moderado Alto Bajo

Tabla 1: Los tres sensores de temperatura tradicionales más usados (termopares, RTD y termistores) tienen atributos básicos de rendimiento muy diferentes. (Fuente de la imagen: Omega Engineering Inc.)

Tipo de sensor Ventajas Desventajas
Termopar
  • Rango de temperatura
  • Autoalimentado
  • No se autocalienta
  • Resistentes
  • Compensación de soldadura en frío
  • Precisión
  • Estabilidad
  • Conductores de extensión de termopar
RTD
  • Precisión
  • Estabilidad
  • Linealidad
  • Error de resistencia de los conductores
  • Tiempo de respuesta
  • Resistencia a vibraciones
  • Tamaño
Termistor
  • Sensibilidad
  • Precisión
  • Costo
  • Resistentes
  • Sello hermético
  • Montaje en superficie
  • No linealidad
  • Autocalentable
  • Rangos limitados

Tabla 2: Una comparación de atributos básicos muestra que los termopares, los RTD y los termistores deben cumplir una función de acuerdo con los requisitos de la aplicación. (Fuente de la imagen: Omega Engineering Inc.)

La no linealidad inherente de los termopares y los termistores significa que necesitan una linealización (Figura 1). Esta se puede obtener a través de un sistema de circuitos completamente analógico (poco frecuente en la mayoría de los diseños nuevos), una tabla de consulta en la memoria o un algoritmo que proporcione el cálculo correcto. Sin embargo, el uso en aplicaciones multicanales y de la IoT básicas representa aún más desafíos.

Gráfico de un sistema que usa un termopar, RTD o termistor

Figura 1: Un sistema que usa un termopar, RTD o termistor debe compensar por su no linealidad inherente, que difiere tanto en la forma general de cada tipo como en los modelos específicos. (Fuente de la imagen: Omega Engineering Inc.)

Mientras cada una de las ventajas de los termistores, RTD o termopares los hacen ideales para las aplicaciones específicas, los diseñadores de las aplicaciones de la IoT necesitan una solución más genérica. Esto implica que se puede implementar uno fácilmente con un costo bajo y puede mantener la precisión, el rendimiento y la respuesta a tiempo en los entornos típicos de aplicación del semiconductor. A media que aumenta la cantidad de sensores que deben conectarse, se necesita una facilidad de comunicación y configuración.

Estas son algunas de las razones por las que los diseñadores de dispositivos de la IoT encuentran atractivo adoptar un enfoque de estado sólido para la detección.

Los sensores de estado sólido se adaptan a la plantilla de la IoT

El concepto de sensores de estado sólido no es nuevo, pero se ha desarrollado y ha mejorado radicalmente con el paso de los años. Los sensores comienzan con la conocida ecuación ideal de diodo que define la relación entre la corriente, el voltaje y la temperatura del diodo, según la Ecuación 1:

Ecuación 1Ecuación 1

El voltaje térmico Vt de un diodo es el voltaje que se desarrolla en toda la unión P-N debido al efecto de la temperatura. Hay aproximadamente 26 mV (milivoltios) a temperatura ambiente. Esta relación entre el voltaje térmico y la temperatura permite que se use un diodo como el núcleo de un sensor de temperatura.

Sin embargo, la no linealidad inherente e inevitable de esta relación hace que sea difícil que un diodo básico se use y funcione como un sensor calibrado. La adición de un sistema de circuitos de linealización incorporada en chip permite que los sensores de estado sólido sean una opción efectiva para las aplicaciones de la IoT. Al sumar componentes en torno al diodo, estas dificultades se pueden superar hasta un punto donde el sensor basado en diodo se convierte en una opción atractiva.

El primer IC (circuito integrado) de temperatura basado en diodo de gran consumo era el AD590 de Analog Devices (Figura 2). Esto se implementó por primera vez hace varias décadas, pero demostró ser tan útil que aún está disponible en la actualidad en una amplia gama de paquetes, incluido un flatpack de conexión pasante de dos terminales, el DIP (paquete en línea dual) y un pequeño receptáculo de montaje en superficie.

Imagen del AD590 de Analog Devices

Figura 2: El AD590 de Analog Devices es un sensor de temperatura de fuente de corriente de dos terminales que produce una corriente lineal de 1 μA/K proporcional a la temperatura absoluta. A continuación se muestra en un paquete de encapsulado con extremidades del hilo. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El sensor actúa como una fuente simple de corriente dependiente de temperatura que produce una corriente de salida analógica de 1 μA/K PTAT (proporcional a la temperatura absoluta ). Esta salida se ajusta por láser para calibrar el dispositivo y que este proporcione una lectura de 298.2 μA a 298.2 K (25 °C). La salida de la corriente es relativamente inmune al ruido y se puede usar en cableados largos, similar a un bucle de corriente de 4 - 20 mA.

El AD590 funciona con una fuente de +4 a +30 voltios, que se aplica por medio de conductores de salida de corriente. Las versiones cumplen con las especificaciones que van desde ±2 °C hasta ±0.5 °C, en un rango de funcionamiento de -55 °C a 150 °C. Muchas de las aplicaciones de la IoT solo requieren una lectura limitada o menos precisa, por lo que sería ideal usar una versión más económica.

Desde la implementación de la serie AD590, se presentaron muchas variaciones basadas en el concepto original. Por ejemplo, en muchos diseños, la salida básica de la corriente es conveniente porque requiere una conversión de corriente-voltaje o de corriente-digital para que sea útil.

Estos factores dieron lugar a la implementación de ciertos sensores como el AD22100 de Analog Devices. Esto proporciona una salida de voltaje lineal proporcional a la temperatura × V+, con un coeficiente de temperatura de 22.5 mV/ °C (Figura 3). No se requieren ajustes en un rango de-55 °C a 150 °C. La precisión es al menos de ±2% de la escala total, mientras la linealidad es mayor a ±1% de la escala total.

Diagrama de bloques funcionales de AD22100 de Analog Devices

Figura 3: Este diagrama de bloques funcionales de AD22100 muestra cómo la corriente que salida que depende de la temperatura se convierte en un voltaje correctamente graduado por medio de su amplificador operacional interno. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Debido a su naturaleza radiométrica, es fácil conectar el AD22100 a un ADC (convertidor digital-analógico) usando el suministro de energía de 5 voltios del AD22100 como referencia para el ADC (Figura 4). Esto descarta la necesidad de una referencia de voltaje de precisión. Con un solo suministro de +5.0 V, la salda ronda entre 0.25 V a −50 °C y +4.75 V a +150 °C.

Diagrama del sensor de estado sólido del AD22100 de Analog Devices

Figura 4: La salida del voltaje del sensor de estado sólido del AD22100 de Analog Devices es ideal para conectarlo directamente a un ADC. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Otros sensores de estado sólido basados en diodo están disponibles, incluido el convertidor D-A, generalmente con una interfaz de I2C o SMBus conectada a un procesador de sistema. Debido a que la temperatura es una variable que cambia lentamente, el convertidor puede ser lento con una alta resolución (de 18 a 22 bits) y puede operar con muy poca energía. Estas pueden ser soluciones efectivas cuando solo se necesitan uno o pocos canales.

En aplicaciones donde se necesitan varios canales, como controlar muchos posibles puntos críticos en un sistema, podría ser sensato implementar sensores de bajo costo y compartir el sistema de circuitos de conversión. El sensor más económico disponible es el diodo básico (en práctica la unión de diodo de un transistor de bajo rendimiento), pero su no linealidad dificulta su uso.

Para abordar estas preocupaciones, los IC como la serie EMC181x de Microchip Technology  admiten transistores múltiples y agregan características necesarias para transformar la salida del diodo del transistor en lineal y precisa, al mismo tiempo que lo digitaliza. Cuando se agregan transistores externos, los dispositivos de esta familia (EMC1812/13/14/15/33) actúan como sensores de temperatura de multicanales de 2 hilos de alta precisión con una interfaz de SMBus/I2C (Figura 5).

Diagrama de la familia de IC de interfaz EMC181x de Microchip Technology

Figura 5: La familia de IC de interfaz EMC181x de Microchip Technology tiene un sensor (transistor) interno de diodo y entre uno y cuatro sensores externos de diodo. Esto facilita notablemente la tarea de medición de multicanal al minimizar los componentes del cableado y la interfaz. (Fuente de la imagen: Microchip Technology Inc.)

Cada IC de la serie incluye un sensor interno de temperatura (precisión máxima de ±1 °C, de -40 °C a +125 °C) así también como las conexiones para canales de detección externa. El EMC1812 tiene un canal externo de diodo, excepto el EMC1815 que tiene cuatro canales externos.

Para garantizar la precisión y evitar la necesidad de calibración, estos IC incluyen varias características avanzadas. Por ejemplo, la REC (corrección de errores de resistencia) elimina automáticamente el error de temperatura causado por la resistencia en serie de terminales, lo que permite una mayor flexibilidad de enrutamiento de diodos de detección. Otra característica, denominada compensación beta, elimina los errores de temperatura causados por transistores beta variables y bajos que están ampliamente disponibles. El resultado es una precisión de medición de ±1 °C y una resolución de 0.125 °C para las lecturas externas de diodo.

La integración brinda mayor flexibilidad de procesamiento y configuración

La serie EMC181x va más allá de la medición y la notificación para un procesador de sistema. Incluyen características que liberan al procesador de la necesidad de controlar la temperatura, como las alertas de umbral que el usuario puede configurar por canal y alertas de medición de tasa de cambio, sin embargo, la complejidad interna de estos IC es transparente para el usuario (Figura 6). Como consecuencia, la carga del procesador de controlar y analizar la situación en varios puntos de lectura se reduce notoriamente mientras se conserva la flexibilidad del usuario.

Diagrama de la familia de IC EMC181x de Microchip (haga clic para ampliar)

Figura 6: Dentro de la familia de IC EMC181x existen registros para almacenar los valores por canal configurados por el usuario para las alarmas de umbrales y tendencias. (Fuente de la imagen: Microchip Technology Inc.)

Los IC de sensores de estado sólido pueden diseñarse para proporcionar una mayor precisión que el rango más común de ±0.5 a ±1 °C de la mayoría de los dispositivos. Un ejemplo de esto es el TMP117 de Texas Instruments (Figura 7).

Diagrama de TMP117 de Texas Instruments

Figura 7: Con una precisión garantizada de ±0.1 °C entre -20 °C y 50 °C, el TMP117 de Texas Instruments cuenta con la certificación necesaria para cumplir con los estándares de uso médico críticos; también es ideal para muchas aplicaciones de la IoT con necesidades de intervalos limitados. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Este es un sensor digital de temperatura de alta precisión diseñado (pero no exclusivo) para termómetros electrónicos detallados. Para esta aplicación se diseña y se califica para cumplir con los requisitos de ASTM E1112 e ISO 80601. Otras aplicaciones incluyen control ambiental, termostatos de alto rendimiento, localización de activos utilizables, control de cadena de frío y medidores térmicos y de gas.

El TMP117 proporciona un resultado de temperatura de 16 bits con una resolución de 0.0078°C °C (18 bits) y una exactitud de hasta ±0.1 °C en un rango de temperatura de -20 °C a 50 °C, sin ninguna calibración. Este es un rango relativamente limitado, pero es suficiente para muchas aplicaciones. Su precisión continúa siendo alta, con un máximo de error de ±0.3 °C, de –55 °C a +150 °C.

El TMP117 digitaliza la lectura de la temperatura en un rango de 1 Hz (hercio) y proporciona resultados a través de las interfaces compatibles de interconexión integrada de I2C y SMBus™. Un solo bus puede soportar hasta cuatro de estos IC. Para reducir la carga del procesador, incluye

una función de alerta de umbral programable. Debido a que muchas de las aplicaciones de destino funcionan con baterías con una capacidad limitada de energía, es importante tener en cuenta que el TMP117 funciona con un suministro de 1.8 a 5.5 voltios y generalmente hace una lectura de 3.5 µA (microamperios) con una corriente de cierre de 150 nA (nanoamperios). También es pequeño, alojado en un paquete WSON de 6 terminales de 2.00 mm por 2.00 mm.

Garantizar el rendimiento del sensor y del sistema

Elegir un sensor con las especificaciones correcta y usarlo adecuadamente son dos problemas independiente que se relacionan al mismo tiempo. Al elegir un sensor de temperatura, la pregunta básica siempre está relacionada con el rango de lecturas válidas que debe proporcionar.

Una vez que se logra determinar esto, hay preguntas vinculadas con la precisión y la resolución absolutas, y la linealidad del rango completo. Algunas aplicaciones están más centradas en detectar un pequeño cambio en la temperatura que en saber si se trata de un valor preciso; para otras, la precisión absoluta de la lectura es lo más importante. El diseñador debe tener en cuenta el nivel de rendimiento necesario para cada parámetro. La situación es más complicada cuando se necesita una mayor precisión en una zona limitada de interés, mientras se necesita menor precisión lejos de esa zona.

Las especificaciones para los sensores de temperatura vienen con algunas peticiones extensas, como “una precisión de ±1 °C, de –55 °C a +150 °C”, pero también deben proporcionar varias tablas y gráficos de rendimiento detallados. Estas expanden las peticiones de alto nivel para el usuario para proporcionar contexto e indicar, por ejemplo, cuáles especificaciones son cantidades normales y cuáles son las cantidades mínimas y máximas. También muestran la curva de linealidad del sensor, ya que el rendimiento variará en varias zonas de su rango completo. Además, en general, la precisión de la lectura es constante en todo el rango mientras que la precisión absoluta no lo es; esto no suele ser una preocupación cuando el objetivo del sistema es principalmente informar los pequeños cambios con respecto a los valores detectados.

La ubicación del sensor también es un asunto por tratar. Debe estar cerca del punto o área de interés, pero el tema a tratar es exactamente dónde y qué tan lejos. En algunos casos, el sensor se debe conectar físicamente a los elementos que se detectan (como el marco de un motor que podría recalentarse); en contraste, para una carcasa, debe colocarse en algún sitio dentro de la caja. Incluso eso puede ser difícil de determinar, ya que colocarlo directamente en el flujo de aire puede revelar una lectura que difiera considerablemente al encontrarse cerca de un componente caliente.

Por esta razón, muchos diseños avanzados cuentan con múltiples sensores para crear un mapa térmico en tiempo real del sistema en funcionamiento, midiendo los puntos críticos ubicados en lugares cruciales y la temperatura general del sistema. Este escenario no solo se aplica a los encapsulados o chasis pequeños. Las aplicaciones de la IoT que deben controlar uno o más puntos de detección de temperatura incluyen HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado), calentadores de agua, administración de la energía, seguridad, control de dispositivos y otros escenarios de recalentamiento. Las diferencias entre estas lecturas y especialmente los cambios en esas diferencias pueden indicar problemas.

Los sensores de estado sólido presentan otros dos beneficios para las aplicaciones de la IoT. En primer lugar, el tamaño pequeño y la masa reducida quieren decir que tienen un impacto mínimo en el punto u objeto que se está midiendo y no cambian de forma considerable la tasa de descenso y ascenso de la temperatura. En segundo lugar, la disipación reducida de potencia significa que el autocalentamiento también es insignificante, por lo que la lectura no se ve afectada por las emisiones térmicas propias del sensor.

Conclusión

Mientras que los sensores tradicionales presentan ventajas para las aplicaciones específicas, como temperaturas extremadamente altas en el caso de los termopares, dichos extremos raramente implican una complicación para la mayoría de las aplicaciones de la IoT.

Esto abre una puerta a los sensores de temperatura de estado sólido debido a su precisión y resolución relativamente altas, requisitos de potencia reducida, tamaño pequeño y altos niveles de funcionalidad. Tanto las aplicaciones de la IoT de canales únicos o múltiples se pueden conectar fácilmente con estos dispositivos de estado sólido, lo que proporciona lecturas precisas.

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Acerca de este autor

Bill Schweber

Bill Schweber es un ingeniero electrónico que ha escrito tres libros sobre sistemas de comunicaciones electrónicas, así como cientos de artículos técnicos, columnas de opinión y características del producto. Anteriormente, se desempeñó como administrador técnico de sitios web para diferentes sitios de temas específicos de EE Times, así como editor ejecutivo y editor analógico en EDN.

En Analog Devices, Inc. (un proveedor líder de circuitos integrados analógicos y de señales mixtas), Bill trabajó en comunicaciones de mercadeo (relaciones públicas); como consecuencia, ha estado en ambos lados de la función técnica de relaciones públicas, ha presentado productos, historias y mensajes de la compañía a los medios y también ha sido destinatario de estos.

Antes de ocupar el puesto de MarCom en Analog, Bill fue editor asociado de su respetada revista técnica y también trabajó en sus grupos de mercadeo de productos e ingeniería de aplicaciones. Antes de dichas funciones, Bill trabajó en Instron Corp., donde realizaba prácticas de diseño analógico y de circuitos de alimentación e integración de sistemas para los controles de máquinas de prueba de materiales.

Tiene una maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica (MSEE) (Universidad de Massachusetts) y una licenciatura en Ingeniería Eléctrica (BSEE) (Universidad de Columbia), es un ingeniero profesional registrado y posee una licencia de radio para aficionados de clase avanzada. Además, Bill planificó, escribió y presentó cursos en línea sobre una variedad de temas de ingeniería, incluidos los conceptos básicos de MOSFET, la selección de ADC y los LED de conducción.

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