Los sensores de temperatura son uno de los tipos más importantes de sensores físicos, ya que muchos procesos (incluso en nuestra vida diaria) están regulados por la temperatura. Además, las mediciones de temperatura pueden determinar indirectamente otros parámetros físicos, como caudales de materiales, niveles de fluidos, etc. Los sensores suelen convertir el valor físico medido en una señal analógica y los sensores de temperatura no son una excepción. La señal de temperatura analógica debe convertirse a forma digital para ser procesada por una CPU o computadora. Los costosos convertidores de analógico a digital (ADC) se usan comúnmente para tales conversiones.
El propósito de este artículo es desarrollar y presentar una técnica simplificada para convertir directamente una señal analógica de un sensor de temperatura a una señal digital de frecuencia proporcional usando un GreenPAK IC. La frecuencia de una señal digital que varía con la temperatura puede medirse más fácilmente con una precisión mucho mayor y convertirse a las unidades de medida deseadas. Tal conversión directa no requiere el uso de costosos ADC. Además, la transmisión de señales digitales es más confiable que la analógica.
Diseño y análisis de circuitos.
Se pueden utilizar diferentes tipos de sensores de temperatura y sus circuitos de acondicionamiento de señal, principalmente en función de los requisitos específicos de rango de temperatura y precisión. El más utilizado es el termistor NTC, cuya resistencia disminuye al aumentar la temperatura (ver Figura 1). Tienen un coeficiente de resistencia a la temperatura mucho más alto y un costo mucho menor en comparación con los sensores de resistencia de metal (RTD). El principal inconveniente de los termistores es la dependencia no lineal de la característica “resistencia frente a temperatura”. En nuestro caso esto no juega un papel importante. Esto se debe a que durante la conversión, la frecuencia y la resistencia del termistor, y por lo tanto la temperatura, se corresponden exactamente.
FIGURA 1: GRÁFICO DE RESISTENCIA DEL TERMISTOR VS TEMPERATURA
La Figura 1 muestra la dependencia gráfica de la resistencia del termistor con la temperatura (esto se toma de la hoja de datos del fabricante). Este diseño utilizó dos termistores NTC similares con una resistencia típica de 10 kΩ a 25 °C.
TABLA 1: TIPOS DE TERMISTOR UTILIZADOS
La idea básica de convertir directamente una señal de temperatura en una señal digital de salida de frecuencia proporcional es utilizar un termistor R1 con un condensador C1 en el circuito de ajuste de frecuencia del generador R1C1 como parte de un oscilador de anillo convencional. Utiliza tres elementos lógicos “NAND”. La constante de tiempo de R1C1 depende de la temperatura. Esto se debe a que a medida que cambia la temperatura, la resistencia del termistor cambia en consecuencia.
La frecuencia de la señal digital de salida se puede calcular utilizando la siguiente fórmula:
FIGURA 2: ESQUEMA DEL SENSOR ACTIVO
Este tipo de oscilador generalmente agrega la resistencia R2 para limitar la corriente a través del diodo de entrada y reducir la carga de los elementos de entrada del circuito. Si la resistencia de R2 es mucho menor que la resistencia de R1, no tendrá efecto en la frecuencia generada.
por lo tanto, SLG46108V, se construyeron dos variaciones del convertidor de temperatura a frecuencia (ver Fig. 5). El circuito de aplicación de estos sensores se muestra en la Figura 3.
Figura 3: Circuito eléctrico del sensor activo (para SLG46108V)
Como ya se mencionó, el diseño es muy simple. Una entrada digital (pin 3) y dos salidas digitales (pin 6 y pin 8 para conexión a circuitos externos).
Figura 4: Esquema del diseñador GreenPAK
La Figura 5 muestra un sensor de temperatura activo (la moneda de diez centavos es para la escala).
FIGURA 5: FOTO DEL SENSOR DE TEMPERATURA ACTIVO
Se tomaron medidas para evaluar el correcto funcionamiento de estos sensores de temperatura activos. Nuestro sensor de temperatura se colocó en una cámara controlada que podía cambiar la temperatura interna con una precisión de 0,5 °C. Se registró la frecuencia de la señal digital de salida y el resultado se muestra en la Figura 6.
Figura 6: Comparación de frecuencias calculadas y medidas
Como se puede ver en los gráficos que se muestran, las mediciones de frecuencia (triángulos verde y azul) concuerdan casi perfectamente con los valores teóricos (líneas negras y rojas) de la ecuación anterior. Entonces, este método de convertir temperatura a frecuencia funciona correctamente.
También se construyó un tercer sensor de temperatura activo (consulte la Figura 7), lo que demuestra la viabilidad de un procesamiento sencillo con una pantalla de temperatura visible.usando SLG46620Vcontiene 10 elementos de retardo y se construyen 10 detectores de frecuencia (consulte la Figura 9), cada uno configurado para detectar señales en una frecuencia específica. Así construí un termómetro simple con 10 indicaciones personalizables.
Figura 7: Foto del sensor de temperatura activo con indicador LED
Figura 8: Circuito eléctrico del sensor activo (para SLG46620V)
La Figura 8 muestra el esquema de nivel superior de un sensor activo con indicadores de pantalla para 10 puntos de temperatura. Esta característica adicional es útil porque permite la estimación visual de los valores de temperatura sin tener que analizar las señales digitales generadas por separado.
Figura 9: Esquema del diseñador SLG46620V GreenPAK
Conclusión
En este artículo, propuse cómo usar el SLG46620 para convertir la señal analógica de un sensor de temperatura en una señal digital modulada en frecuencia. El uso de termistores junto con circuitos integrados GreenPAK permite mediciones predecibles sin costosos ADC, lo que elimina la necesidad de medir señales analógicas. Este circuito es una solución ideal para el desarrollo de este tipo de sensor personalizable y se muestra en un prototipo de ejemplo que se ha construido y probado. Los circuitos integrados contienen numerosos elementos funcionales y bloques de circuitos necesarios para implementar varias soluciones de circuitos, lo que reduce en gran medida la cantidad de componentes externos en el circuito de aplicación final. El bajo consumo de energía, el tamaño pequeño del chip y el bajo costo son bonificaciones por elegir los circuitos integrados GreenPAK como el controlador principal para muchos diseños de circuitos.
Encuentre archivos completos de diseño de circuitos integrados creados con el software gratuito GreenPAK Designer. aquí.
Oleksiy Kravchenko