Soluzioni per il monitoraggio della temperatura

Nell'ambito della progettazione elettronica, così come nelle applicazioni industriali e medicali, gli ingegneri devono affrontare alcune importanti sfide, quali l’aumento delle prestazioni, l'aggiunta di funzionalità e al contempo la riduzione dei fattori di forma. Contemporaneamente deve essere garantito un monitoraggio costante della temperatura per la sicurezza, al fine di proteggere i sistemi e i consumatori da eventuali danni conseguenti ai guasti che possono interessare una o più parti del sistema. 

Il rilevamento ed il monitoraggio della temperatura sono tuttora settori ricchi di sfide e soluzioni per la progettazione di sensori di temperatura. In questo articolo viene analizzato il rilevamento della temperatura e le varie soluzioni proposte da TME per il temperature sensing, quali termistori, termocoppie e sensori IC. Una tendenza che abbraccia numerosi settori è la necessità di elaborare più dati provenienti da diversi sensori, rendendo necessaria così la misurazione della temperatura, non solo per monitorare le condizioni del sistema o dell'ambiente, ma anche per compensare altri componenti sensibili alla temperatura, e per mantenere la precisione del sensore e del sistema. Come ulteriore vantaggio, un monitoraggio accurato della temperatura può aumentare le prestazioni e ridurre i costi eliminando la necessità di progettazione per compensare misurazioni imprecise.

I parametri legati ad una corretta progettazione termica rientrano in tre macro aree di appartenenza:

  • Monitoraggio della temperatura: i sensori di temperatura forniscono dei dati preziosi per il monitoraggio continuo delle condizioni termiche e offrono feedback ai sistemi di controllo. Questo può riguardare il monitoraggio della temperatura del sistema o il monitoraggio della temperatura ambientale. In diverse applicazioni possiamo vedere sfide di progettazione in cui entrambe devono essere implementate nel circuito di controllo. Le applicazioni includono il monitoraggio della temperatura del sistema, il monitoraggio della temperatura ambiente e il monitoraggio della temperatura corporea o del fluido.
  • Protezione della temperatura: diverse applicazioni richiedono un'azione quando il sistema supera le soglie di temperatura funzionale. I sensori di temperatura forniscono avvisi di uscita al rilevamento di condizioni definite per prevenire danni. I sistemi spesso avviano un arresto termico sicuro troppo presto, perdendo efficacemente fino a 5 °C o addirittura 10 °C di prestazione. Quando vengono superate le soglie di temperatura funzionale, gli ingegneri possono avviare autonomamente azioni per la protezione in tempo reale.
  • Compensazione della temperatura: i sensori possono massimizzare le prestazioni di un sistema al variare della temperatura durante le normali operazioni. Il monitoraggio e la correzione della deriva di altri componenti critici durante il riscaldamento e il raffreddamento riducono sensibilmente il rischio di guasti.

EFFICIENZA DEL MONITORAGGIO DELLA TEMPERATURA

Nei sistemi embedded vi è una domanda costante di prestazioni sempre più elevate e di maggiori funzionalità operative, il tutto in un fattore di forma più piccolo. Questa richiesta impone che i progettisti elettronici monitorino la temperatura complessiva per garantire la sicurezza e proteggere sia i sistemi sia gli utenti. L'integrazione di più sensori nelle applicazioni determina ulteriormente la necessità di misurare la temperatura non solo per monitorare le condizioni ambientali, ma anche per compensare i componenti sensibili alla temperatura e poter mantenere in tal modo la precisione complessiva.

Gli aspetti fondamentali da tenere in considerazione nella fase progettuale per un corretto ed efficiente monitoraggio e protezione della temperatura includono:

  • Precisione: la precisione del sensore corrisponde alla vicinanza della temperatura misurata al valore reale;
  • Taglia: le dimensioni del sensore incidono sul design complessivo e determinano anche il tempo di risposta termica;
  • Posizionamento del sensore: il package e il posizionamento del sensore possono influire sul tempo di risposta e sul percorso di conduzione, entrambi i parametri sono fondamentali per un'efficace progettazione termica.
IC sensors Thermistors RTDs Thermocouples
Range -55°C to +200°C -100°C to +500°C -240°C to 600°C -260°C to +2,300°C
Accuracy Good/best Calibration-dependent Best Better
Footprint/size Smallest Small Moderate Large
Complexity Easy Moderate Complex Complex
Linearity Best Low Best Better
Topology Point-to-point, multidrop, daisy chain Point-to-point Point-to-point Point-to-point
Price Low to moderate Low to moderate Expensive Expensive

Tabella 1: confronto tra differenti tecnologie di rilevamento della temperatura per diverse applicazioni progettuali

I termistori sono componenti passivi, con una resistenza fortemente dipendente dalla temperatura. Appartengono a due categorie: coefficiente di temperatura positivo (positive temperature coefficient, PTC) e coefficiente di temperatura negativo (negative temperature coefficient, NTC). I termistori PTC a base di silicio offrono linearità, mentre i termistori NTC sono non lineari e spesso hanno costi di calibrazione e costi generali del software maggiori. Sebbene i termistori offrano una varietà di opzioni di package per il rilevamento della temperatura a bordo e fuori bordo, l'implementazione tipica richiede più componenti di sistema rispetto a un sensore IC.

Figura 1. Termistore PTC ceramico (Fonte: TME Electronic Components)

Le termocoppie sono costituite da due conduttori elettrici diversi che formano giunzioni elettriche a differenti temperature. Una termocoppia produce una tensione dipendente dalla temperatura a causa dell'effetto termoelettrico di Seebeck. Questa tensione si traduce in
differenza di temperatura tra giunzione calda e giunzione fredda. È necessario conoscere la temperatura della giunzione fredda per ricavare la temperatura della giunzione calda.

Figura 2. Termocoppia J (Fonte: TME Electronic Components)

Gli RTD sono sensori di temperatura realizzati in un materiale puro come platino, nichel o rame, con una relazione resistenza/temperatura altamente prevedibile. Gli RTD Platinum possono essere estremamente precisi e molto lineari in un intervallo di temperatura molto ampio fino a 600 °C.

I sensori di temperatura IC si basano sulla dipendenza predittiva dalla temperatura di un gap di banda di silicio.
Dato il comportamento prevedibile del silicio, i circuiti integrati offrono elevata linearità e precisione (fino a ± 0.1 °C) in un ampio intervallo di temperature. Questi sensori possono integrare funzionalità di sistema come convertitori analogico digitale (ADC) o comparatori che riducono la complessità del sistema e offrono un ingombro complessivo ridotto. In genere sono disponibili in confezioni per montaggio superficiale e fori passanti.

Figura 3. Sensore di temperatura IC digitale ad alta precisione (Fonte: TME Electronic Components)

Considerazioni conclusive

Nella progettazione si rende necessario monitorare componenti ad alta potenza al fine di garantire la sicurezza del sistema complessivo e dell'utente. Anche la precisione della lettura della temperatura è importante dal momento che consente ai progettisti di avvicinare le prestazioni ai limiti di sicurezza e ridurre così i costi. I sistemi precisi comportano un'analisi complessa degli errori a causa del maggior numero di componenti che incidono anche sulla dimensione complessiva.
Il portafoglio di TME Electronic Components fornisce ai progettisti sensori di temperatura compatti per effettuare misurazioni più accurate, consentire il posizionamento più vicino ai componenti critici e massimizzare l'efficienza.

Puoi accedere all'intera gamma dei sensori di temperatura TME visitando il sito tme.eu 

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