În controlul industrial şi de proces senzorii de temperatură sunt aproape la fel de des întâlniţi ca amplificatoarele operaţionale în aplicaţiile analogice. Uzual, senzori cum ar fi dioda, termistorul sau termocuplul sunt folosiţi pentru a capta informaţii termice diverse. Funcţie de aplicaţie, nivelul de precizie cerut şi gama de temperatură variază în mod semnificativ. Totuşi, dacă se cere doar o plajă de temperatură de aproximativ 50°C şi o eroare de +/-1,5°C, o soluţie de complexitate extrem de redusă reprezintă abordarea cea mai bună. De exemplu, combinaţia câtorva rezistoare cu un condensator şi un microprocesor (microcontroler) dă rezultate foarte bune în practică.
Măsurarea temperaturii
Soluţia cea mai simplă este să se plaseze senzorul în imediata apropiere a microcontrolerului. Acest tip de interfaţă este prezentat în figura 1. Senzorul de temperatură este un termistor NTC. Un rezistor obişnuit (cu caracteristică liniară) este plasat în paralel cu termistorul, pentru a introduce o liniarizare de ordinul întâi a caracteristicii acestuia. Gruparea paralel RPAR-RNTC oferă o caracteristică liniară într-o plajă de peste 50°C şi o eroare în domeniul +/-1,5°C.
Rezistorul RPAR este ales astfel încât să prezinte o valoare egală cu cea a termistorului în punctul median al domeniului de temperatură. De exemplu, se consideră o aplicaţie în care este nevoie de domeniul 25 … 75°C, iar ca senzor de temperatură este utilizat un termistor NTC de 10kW (valoare nominală), cu o rezistenţă de aproximativ 3,6kW la 50°C. Pentru a realiza liniarizarea în domeniul de mai sus, rezistorul RPAR trebuie să fie tot de 3,6kW. După determinarea valorii lui RPAR, rezistorul de referinţă (RREF) poate fi ales uşor. În vederea atingerii performanţelor optime, acest rezistor este selectat să fie echivalent cu rezistenţa termistorului NTC în paralel la temperatura nominală (RREF = 3,6kW)
Implementarea circuitului
Pentru a realiza conversia A/D cu acest circuit, GP1 şi GP2 trebuie setate ca intrări. În plus, GP0 trebuie setată ca ieşire în starea “low” pentru a descărca condensatorul CINT. Când condensatorul s-a descărcat complet, GP0 trebuie schimbată din ieşire în intrare şi GP1 ca ieşire în starea “high”. Microcontrolerul numără apoi perioadele de ceas înainte ca GP0 să comute în “high”, măsurând constanta de timp (tNTC) a structurii pasive (RNTC//RPAR)-CINT.
Cu această numărare în memorie, GP1 şi GP2 trebuie setate din nou ca intrări şi GP0 trebuie setată ca ieşire în starea “low” (pentru o nouă descărcare a condensatorului). La încheierea acesteia, GP0 trebuie încă o dată comutată din ieşire în intrare şi GP2 ca ieşire “high”. Microcontrolerul va număra perioadele de ceas înainte ca GP0 să comute în “high”, măsurând de data aceasta constanta de timp (tREF) al circuitului RREF-CINT.
Analiza rezultatelor
Constanta de timp a unei reţele RC ca cea din figura 1 este:
t= -R×C×ln(1-Vth/VDD), unde:
Vth – tensiunea de prag a porţii GP0;
VDD – tensiunea de alimentare a microcontrolerului;
R – rezistenţa rezistorului din circuit;
C – capacitatea condensatorului din circuit.
Relaţia dintre cele două constante de timp este dată în figura 2. Dacă raportul Vth/VDD (pentru poarta GP0) este constant, relaţia dintre constantele de timp ale grupărilor RC conţinând RREF şi RNTC//RPAR este egal cu:
RNTC//RPAR = (t1/t2) × RREF
sau
RNTC=(t1 × RREF × RPAR)/(t2 × RPAR – t1 × RREF)
Alegerea condensatorului
În acest circuit precizia de conversie este independentă de tensiunea de alimentare (VDD) şi de pragul porţii de intrare GP0. În plus, deoarece se compară constantele de timp ale celor două grupări, sunt minimizate erorile datorate neliniarităţii şi pierderilor în condensator. Rezultate optime se obţin utilizând condensatoare de bună calitate (cu polipropilenă sau ceramice de tip NP0). Atenţie, însă, chiar şi cele mai bune condensatoare vor prezenta fenomenul de “memorie”. Combinaţia dintre absorbţia în dielectric şi tensiunea de descărcare va determina cantitatea de sarcină remanentă. Pentru minimizarea acestui efect se poate utiliza o tehnică ce presupune descărcarea condensatorului până într-un acelaşi punct de fiecare dată.
Păstrarea simplităţii circuitului
Dacă proiectantul are în vedere păstrarea unui nivel de complexitate cât mai redus, circuitul din cadrul acestui articol este ideal. Necesarul hardware este minim şi include un microcontroler (cu un numărător configurat intern), un termistor, două rezistoare şi un condensator.
Numărătorul este utilizat pentru măsurarea circuitului ce include senzorul de temperatură şi apoi a unui circuit de referinţă. Aceste două măsurători sunt utilizate pentru obţinerea temperaturii finale.
de Bonnie C. Baker, Microchip Technology Inc.
www.microchip.com