התאמת גורמי חיישני טמפרטורה לצורכי היישום

בחירת חיישן הטמפרטורה האופטימלי עבור יישום יכולה להיות מאתגרת, בהתחשב במגוון טכנולוגיות החיישנים הזמינות ובדרישות התעשייה המגוונות. עם זאת, יישומים רבים דורשים קריאות מדויקות, ולכן חיוני לבחון את המגוון הרחב של האפשרויות הקיימות.

בחירת חיישן טמפרטורה כרוכה באיזון של מספר גורמים כדי לעמוד בדרישות התכנון, כגון דיוק, זמן תגובה, פרוטוקול תקשורת, חוסן סביבתי, צריכת הספק, עלות ושילוב מערכת. חיישנים נופלים בדרך כלל בתוך ארבע קטגוריות יציאת מתח אנלוגי, וחמישית המשתמשת ביציאת אות דיגיטלי:

• צמדים תרמיים הם בעלי תחום טמפרטורות רחב ועמידות, הנמדדים מטמפרטורות סירוגניות (Cryogenic‏) ועד מעל C‏°‏1,800‏+. הם חסונים ויכולים לעמוד בסביבות קשות ולהגיב במהירות לשינויי טמפרטורה מהירים. אך הם פחות מדויקים ויציבים מאשר אפשרויות אחרות ודורשים אכשור אותות. הם מתאימים היטב עבור תעשייה כבדה, כגון ייצור פלדה וזכוכית, ומכשירים ביתיים ומסחריים עם חום גבוה.
• גלאי טמפרטורה התנגדותיים (RTDs) הם מדויקים ויציבים ביותר. הם אידיאליים עבור אוטומציה תעשייתית ובקרת תהליכים שבהם הדיוק הוא חיוני. RTDs הם בשימוש נפוץ בתעשיות המזון והתרופות לבקרת טמפרטורה צרה בתהליכים כמו חליטה, עיקור וטיגון. הם מעניקים מדידות טמפרטורה מדויקות עבור מערכות HVAC, ובציוד מעבדה ורפואה כמו אינקובטורים ומכשירים אנליטיים. RTDs יכולים להיות יקרים בהשוואה לאלטרנטיבות כמו צמדים תרמיים והם שבירים בשל הסתמכותם על רכיבי חישה של פילם דק או חוט עדין. הם משמשים לעתים עם מעגל מדידה מדויק המוסיף למורכבות התכנון ולעלות.
• תרמיסטורים הם נגדים תלויי-טמפרטורה העשויים ממוליכים-למחצה המציגים רגישות גבוהה. שינויי התנגדות גדולים עבור שינויי טמפרטורה קטנים מאפשרים גילוי של פלוקטואציות קלות ברזולוציה גבוהה. תרמיסטורים קטנים, מהירים ובעלות נמוכה זמינים בגדלים שונים, החל מחרוזים זעירים ועד בחונים גדולים יותר. הם מצטיינים ביישומים עם תחומי טמפרטורה מוגבלים, בדרך כלל בין 50°C- עד 150°C. תרמיסטורים הם ורסאטיליים ביותר, ומשמשים בהתקנים רפואיים ואלקטרוניקה לצרכנים, שבהם טמפרטורת הסביבה או הגוף היא רלוונטית, כמו גם ביישומי רכב, מערכות ניהול סוללות, מכשירי חשמל ביתיים וגילוי אש ועשן. עם זאת, עקומת ההתנגדות הלא-לינארית שלהם דורשת נוסחאות המרה או טבלאות חיפוש כדי לתרגם התנגדות לטמפרטורה מדויקת, והם עלולים לחוות סחיפה לאורך זמן בהשוואה ל-RTDs.
• חיישני טמפרטורה מבוססי דיודה מעניקים זמני תגובה מהירים וקצרים יותר לעומת שלושת הסוגים האנלוגיים האחרים. הם יכולים להתממשק בקלות עם מיקרו-בקרים, ממירים אנלוגיים-לדיגיטליים (ADC) ומעגלים משולבים ספציפיים-ליישום (ASIC). הם יעילים וחסכוניים עם תחום טמפרטורות מוגבל של 55°C- עד 150°C+, והם משמשים במגוון רחב של יישומים הכוללים מוצרי אלקטרוניקה, אוטומציה תעשייתית, מערכות אחסון מרכזי נתונים, רכב ועוד רבים אחרים. הם מציגים דיוק נמוך יותר מאשר RTDs, הם רגישים לרעשי מערכת, ולעתים קרובות דורשים כיול כדי להבטיח קריאות עקביות בין התקנים שונים.
• חיישני טמפרטורה דיגיטליים הם מעגלים משולבים (ICs) המודדים טמפרטורה ומספקים יציאה דיגיטלית ישירה, בדרך כלל על פני פרוטוקולי תקשורת כמו SMBus, I²C, SPI או ‎1-Wire‏. הם אינם דורשים אכשור אותות חיצוני, הגברה והמרת אנלוגי-לדיגיטלי של האפשרויות האנלוגיות.

הנחיות בחירה

בחירת חיישן הטמפרטורה המתאים כרוכה באיזון דיוק, זמן תגובה, עמידות ועלות. דרישות ספציפיות-לתעשייה יכולות גם להנחות את הבחירה של רכיב מתאים.

סביבת הפעולה של היישום משחקת תפקיד מכריע. תנאים קשים מחייבים חיישנים חסונים כמו צמדים תרמיים או RTDs מצופים, בעוד תרמיסטורים או חיישני מוליכים-למחצה מתאימים יותר עבור סביבות מבוקרות. עלות ומדרגיות הם גם גורמים שיש לקחת בחשבון בייצור המוני - תרמיסטורים הם חסכוניים, אך RTDs וצמדים תרמיים מתקדמים מציעים יציבות לטווח ארוך.

הטולרנס של המתכנן בין דיוק מול פרקטיות יכולה גם כן להשפיע על הבחירה. RTDs מעניקים דיוק גבוה אך הם יקרים, בעוד שצמדים תרמיים הם ורסאטיליים יותר אך פחות מדויקים. גם זמן התגובה והמיקום חשובים - חיישנים קטנים בעלי מסה נמוכה כמו צמדים תרמיים ותרמיסטורים מגיבים במהירות, אך המיקום שלהם יכול להשפיע על הביצועים.

עלות החיישן והמעגלים הנלווים לו יכולים להשפיע רבות על הבחירה, במיוחד במוצרי צריכה או בייצור בכמויות גדולות. ישנו טווח עלויות ניכר בין סוגי החיישנים. חיישנים אנלוגיים דורשים אכשור אותות, בעוד שחיישנים דיגיטליים מפשטים את האינטגרציה. צמצום המעגלים והכיול האנלוגיים יכולים למזער את העלויות הכוללות ולהצדיק את השימוש אפילו בחיישן דיגיטלי מעט יקר יותר.

אפשרויות ומאפיינים דיגיטליים

חיישנים דיגיטליים ממירים אות אנלוגי באופן פנימי ומשדרים נתונים כזרם דיגיטלי, לרוב מעניקים חסינות טובה יותר לרעש ומאפשרים עיבוד נתונים מורכב יותר. .Analog Devices, Inc‏ (ADI‏) מציעה מגוון רחב של חיישני טמפרטורה אנלוגיים ודיגיטליים, ועל המתכננים להעריך בקפידה מה המתאים ביותר לצורכי היישום שלהם. להלן סקירה קצרה של כמה חיישנים דיגיטליים.

כאשר יש צורך בקריאות טמפרטורה מדויקות, סביר להניח שהדיוק הוא שיקול הבחירה העליון. החיישן הדיגיטלי MAX31888‏ של ADI הוא בעל דיוק של ±0.25°C בתחום של 20°C- עד +105°C, ומתקשר עם מיקרו-בקר דרך אפיק ‎1-Wire‏ כדי לאפשר מעגלי ניטור טמפרטורה ברמת דיוק גבוהה (איור 1). בכל MAX31888 מתוכנת מספר רישום ייחודי משלו של bit‏-64‏, הפועל ככתובת הצומת ברשת ‎1-Wire‏ Multi-drop‏.

איור 1: מעגל יישום טיפוסי המשתמש בחיישן הטמפרטורה MAX31888. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)

ה-MAX31888 משתמש רק בקו נתונים אחד עבור תקשורת, שממנו הוא יכול גם למשוך ישירות הספקת-כוח פרזיטית ולאפשר למתכננים לחסוך ספק-כוח חיצוני. בעת שימוש בספקי-כוח חיצוניים, תחום המתחים שלו נע בין 1.7 וולט ל-3.6 וולט תוך צריכת זרם של μA‏ 68‏ בלבד במהלך המדידה.

צריכת ההספק והגודל עשויים להיות השיקול העיקרי בעת תכנון התקנים קטנים מוזני-סוללות. עבור יישומים כגון לבישים, התקני MAX31875 של ADI, כגון ה-MAX31875R0TZS+T‏ (איור 2), משלבים גודל מארז קטן ביותר של 0.84 מ"מ x‏ 0.84 מ"מ x‏ 0.35 מ"מ וצריכת זרם הספקה נמוכה עם דיוק מדידת טמפרטורה של C‏°‏1‏±.

איור 2: ייצוג של גורם הצורה של ה-MAX31875R0TZS+T. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)

משפחת MAX31875 משתמשת בממשק טורי תואם SMBus‏/C‏^2‏I‏ המשתמש בפקודות סטנדרטיות של כתיבת בייטים, קריאה בייטים, שליחת בייטים וקליטת בייטים כדי לקרוא נתוני טמפרטורה ולהגדיר את התנהגות החיישנים במעגל טיפוסי (איור 3). הוא משתמש בזרם הספקת-כוח ממוצע של < μA‏ 10‏ ויכול למדוד טמפרטורות מ-50°C- עד 150°C+.

איור 3: מעגל יישום המשתמש בחיישן טמפרטורה דיגיטלי MAX31875. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)

ADI מציעה גם ICs המתוכננים למדוד במדויק את הטמפרטורה של דיודות תרמיות ולהמיר אותה לפורמט דיגיטלי, תוך החלפת תרמיסטורים או צמדים תרמיים קונבנציונליים. חיישני דיודות מרוחקים אלה מודדים את הטמפרטורה של צמתים PN חיצוניים, כמו דיודות תרמיות המובנות בתוך CPUs‏, GPUs, FPGAs ו-ASICs. ה-MAX6654MEE+T‏ מודד דיודה תרמית אחת. אפשרויות אחרות קיימות עבור יישומי 2, 3, 4 ו-8 ערוצים.

חיישני דיודה מרוחקים ניתנים לשימוש נרחב בסביבות רועשות חשמלית עם סינון פנימי וחיצוני מתאים. ה-MAX31732ATG+T‏ הוא חיישן טמפרטורה בעל 4 ערוצים המנטר את הטמפרטורה שלו יחד עם הטמפרטורות של עד ארבעה טרנזיסטורים חיצוניים מחוברי-דיודות (איור 4).

איור 4: ה-MAX31732‏ של ADI יכול לנטר עד ארבעה טרנזיסטורים חיצוניים מחוברי-דיודות כמו במעגל יישום זה. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)

את חיישן MAX31732‏ ניתן לתכנת כדי להגדיר את ספי הטמפרטורה ללא צורך בתוכנה או קושחה מיוחדות. ממשק טורי Wire‏-2‏ יכול לשמש לניטור טמפרטורות ולשינוי ספי טמפרטורות.

סיכום

מציאת חיישן הטמפרטורה האופטימלי יכולה להבטיח ביצועים טובים יותר, אמינות ויחס עלות-תועלת טוב יותר ביישום. הבחירה יכולה להיות מושפעת ממגוון של גורמים, כולל דרישות ותקנים ספציפיים לתעשייה, ופשרות של עלות לעומת ביצועים. פורטפוליו חיישני הטמפרטורה הדיגיטליים של ADI מציע פתרונות כדי לענות על הצרכים של מגוון רחב של יישומים.