La Unión PN

Un dispositivo que tiene la capacidad de medir la temperatura es la unión PN o diodo. El diodo se está convirtiendo en un dispositivo muy popular para medir la temperatura porque es preciso y lineal.

Los diodos se utilizan con frecuencia como sensores de temperatura en una amplia variedad de aplicaciones de medición de temperatura de moderada precisión. El coeficiente de temperatura lineal, como -2mV/°C a lo largo de las temperaturas de funcionamiento, hace que los diodos sean una excelente solución para aplicaciones flexibles y de bajo costo. La circuitería puede ser bastante simple, pero la creación de un sistema de medición de temperatura con un diodo requerirá excitación, ajuste y amplificación.

El diodo de unión PN consta de una región p y una región n separadas por una región de depleción donde se almacena la carga. El efecto descrito se logra sin aplicar ninguna tensión externa a la unión PN real, lo que hace que la unión esté en un estado de equilibrio.

Sin embargo, si hiciéramos conexiones eléctricas en los extremos de ambos materiales de tipo N y de tipo P y luego los conectáramos a una fuente de batería, ahora existe una fuente de energía adicional para superar la barrera de potencial.

El efecto de agregar esta fuente de energía adicional hace que los electrones libres puedan cruzar la región de depleción de un lado a otro. El comportamiento de la unión PN con respecto a la anchura de la barrera de potencial produce un dispositivo de dos terminales asimétrico conductor, conocido como el Diodo de Unión PN.

Un Diodo de Unión PN es uno de los dispositivos semiconductores más simples que existen y tiene la característica eléctrica de permitir que la corriente fluya a través de sí mismo en una dirección solamente. Sin embargo, a diferencia de una resistencia, un diodo no se comporta de manera lineal con respecto a la tensión aplicada. En su lugar, tiene una relación corriente-tensión exponencial (I-V), por lo que no podemos describir su funcionamiento simplemente utilizando una ecuación como la Ley de Ohm. Si se aplica una tensión positiva adecuada (polarización directa) entre los dos extremos de la unión PN, puede suministrar electrones libres y huecos con la energía adicional que necesitan para cruzar la unión a medida que se reduce la anchura de la capa de depleción alrededor de la unión PN.

La aplicación de una tensión negativa (polarización inversa) hace que las cargas libres se alejen de la unión, lo que resulta en un aumento de la anchura de la capa de depleción. Esto tiene el efecto de aumentar o disminuir la resistencia efectiva de la unión misma, permitiendo o bloqueando el flujo de corriente a través de la unión PN.

Luego, la capa de depleción se ensancha con un aumento en la aplicación de una tensión inversa y se estrecha con un aumento en la aplicación de una tensión directa. Esto se debe a las diferencias en las propiedades eléctricas de los dos lados de la unión PN, lo que provoca cambios físicos. Uno de los resultados es la rectificación, como se ve en las características estáticas corriente-tensión (I-V) del diodo de unión PN.

Cuando se utiliza un diodo de silicio como sensor de temperatura, se hace pasar una corriente constante a través del diodo. La Figura 1 ilustra este tipo de circuito.

Fig. 1 - Generador de corriente constante

En este circuito, la resistencia R1 limita el flujo de corriente a través del transistor y el diodo sensor. El valor de R1 también determina la cantidad de corriente que fluye a través del diodo. El diodo D1 es un zener de 5.1 voltios que se utiliza para producir una caída de voltaje constante entre la base y el emisor del transistor PNP. La resistencia R2 limita la cantidad de corriente que fluye a través del diodo zener y la base del transistor. D1 es un diodo de silicio común. Se utiliza como sensor de temperatura para el circuito. Si se conecta un voltímetro digital al diodo, se puede ver una caída de voltaje entre 0.8 y 0 voltios. La cantidad de caída de voltaje está determinada por la temperatura del diodo.

Otro circuito que se puede utilizar como generador de corriente constante se muestra en la Figura 2. En este circuito, se utiliza un transistor de efecto de campo (FET) para producir un generador de corriente. La resistencia R1 determina la cantidad de corriente que fluirá a través del diodo. El diodo D1 es el sensor de temperatura.

Fig. 2 - Transistor de efecto de campo utilizado para producir un generador de corriente constante

Si el diodo se somete a una temperatura más baja, por ejemplo, tocándolo con un trozo de hielo, la caída de voltaje a través del diodo aumenta. Si la temperatura del diodo aumenta, la caída de voltaje disminuye porque el diodo tiene un coeficiente de temperatura negativo. A medida que su temperatura aumenta, su caída de voltaje se vuelve menor. En la Figura 3, se utilizan dos diodos conectados en serie para construir un termostato electrónico. Se utilizan dos diodos para aumentar la cantidad de caída de voltaje a medida que cambia la temperatura. Se utiliza un transistor de efecto de campo y una resistencia para proporcionar una corriente constante a los dos diodos utilizados como sensor de calor. Un amplificador operacional se utiliza para encender o apagar un relé de estado sólido a medida que cambia la temperatura. En el ejemplo mostrado, el circuito funciona como un termostato de calefacción. La salida del amplificador se enciende cuando la temperatura disminuye lo suficiente. El circuito se puede convertir en un termostato de enfriamiento invirtiendo las conexiones de las entradas inversoras y no inversoras del amplificador.

Fig. 3 - Termostato de estado sólido que utiliza diodos como sensores de calor.

Sensor de Temperatura de Semiconductores

Este tipo de sensor también puede denominarse sensor de temperatura de banda prohibida, sensor de temperatura de diodo, sensor de temperatura basado en chip o sensor de temperatura IC. A veces se utiliza el término desafortunado de sensor integrado basado en silicio, que puede generar confusión con el sensor de temperatura de silicio (también conocido como silistor), que es un tipo de termistor PTC.

Algunos proveedores no dividen los sensores de temperatura en categorías claras. Los sensores de temperatura de semiconductores pueden clasificarse como sensores de temperatura para montaje en placa, aunque muchos de ellos tienen cables y no están diseñados específicamente para montarse en placas de circuito.

A veces, un sensor de temperatura de semiconductores con salida digital se describe como un sensor de temperatura digital o termómetro digital. Esto puede ser confuso, ya que las salidas de otros tipos de sensores de temperatura se pueden digitalizar con componentes adecuados.

Lo Que Hace

Un sensor de temperatura de semiconductores es un circuito integrado que incorpora un elemento sensor compuesto por uniones de transistores. Tiene una respuesta aproximadamente lineal y es fácil de usar, en algunos casos diseñado para conectarse directamente a un microcontrolador, sin necesidad de componentes adicionales. En las variantes analógicas, la salida consiste en voltaje o corriente que varía con la temperatura. Estos componentes tienen un coeficiente de temperatura positivo, excepto en algunas variantes CMOS donde la salida de voltaje disminuye a medida que aumenta la temperatura.

Las variantes digitales son cada vez más comunes, proporcionando una salida numérica accesible por un microcontrolador.

En casi todos los sensores de temperatura de semiconductores, las características del dióxido de silicio limitan el rango de temperatura a aproximadamente -50 a +150 grados Celsius (a veces menos). Este tipo de componente aún no es tan económico como un termistor, pero puede incluir su propia amplificación, procesamiento de señales y (opcionalmente) conversión analógica a digital en un solo chip.

Aplicaciones de los Sensores de Temperatura de Semiconductores

Cuando un sensor de temperatura de semiconductores se utiliza en formato de montaje superficial, puede medir la temperatura de la placa en la que está montado. Esto permite la protección contra el sobrecalentamiento, a menudo en fuentes de alimentación. Debido a que los elementos de detección y los circuitos de procesamiento de señales son todos basados en chips, pueden ser transplantados a otros tipos de sensores. Por ejemplo, un sensor de presión de gas o un sensor de proximidad pueden tener una compensación a bordo utilizando un sensor de temperatura de semiconductores. También se han incorporado en unidades centrales de procesamiento de computadoras, como la serie Pentium de Intel.

Algunas variantes se fabrican en un paquete TO-92 de tres terminales, que aparecen superficialmente similares a los transistores bipolares. Son adecuados para la detección de temperatura a distancia y tienen aplicaciones automotrices, como la medición de la temperatura de la transmisión, el aceite del motor o el interior de la cabina. También se pueden encontrar en algunos sistemas de calefacción y aire acondicionado, así como en algunos equipos de cocina.

Símbolo Esquemático

No se ha desarrollado un símbolo esquemático único para un sensor de temperatura de semiconductores. Puede representarse mediante un rectángulo que contiene abreviaturas de texto para representar las funciones de los pines, similar a otros tipos de circuitos integrados. En el caso de un sensor con una salida que consiste en corriente que varía con la temperatura, el sensor puede mostrarse como una fuente de corriente, utilizando el símbolo que se muestra en la Figura 4. Sin embargo, este símbolo no es específico para sensores de temperatura; se utiliza para cualquier componente que sea una fuente de corriente.

Figura 4. Un sensor de temperatura cuya salida consiste en corriente que varía con la temperatura puede representarse en un esquema como una fuente de corriente, utilizando este símbolo.

Fig. 5 - Sensores de temperatura semiconductores

Características

Las características deseables de un sensor de temperatura de semiconductores incluyen:

• Fácil de usar. Pocos o ningún componente externo pueden ser necesarios, y un procesamiento de señal mínimo o nulo.

• Calibrados en fábrica, con una respuesta casi lineal.

• Las versiones con salida digital son fáciles de agregar a cualquier sistema que ya tenga un bus I2C.

Las características no deseadas de los sensores de temperatura de semiconductores incluyen:

• Rango de temperatura limitado, igual que los termistores.

• Problemas de auto-calentamiento, especialmente en versiones donde las funciones de procesamiento de señal están integradas en el mismo chip.

• No tan robustos como algunos tipos de sensores de temperatura.

Cómo Funciona

Fig. 6 - Izquierda, un circuito básico para demostrar la sensibilidad a la temperatura de un diodo. Derecha, se puede sustituir un transistor NPN para emular el diodo.

Cuando fluye una corriente constante a través de una unión p-n en un diodo, el voltaje a través del diodo cambiará aproximadamente 2 mV por cada cambio en la temperatura de 1 grado Celsius. Esto se puede demostrar mediante el circuito simple que se muestra en la sección 1 de la Figura 6. Del mismo modo, el voltaje a través de la unión p-n en un transistor NPN varía con la temperatura, si la corriente es constante. Un transistor puede sustituir a un diodo como se sugiere en la sección 2 de la Figura 6. Los chips de circuitos integrados que contienen transistores pueden medir la temperatura explotando este fenómeno.

Salida de Voltaje Analógico. Serie LM35

El LM35 es un sensor de temperatura semiconductor típico y ampliamente utilizado, disponible en Analog Devices, Texas Instruments y otros fabricantes. Su voltaje de salida cambia en 10 mV por grado Celsius en un rango de aproximadamente -50 grados a +150 grados. La precisión se indica como más o menos 0.25 grados a temperatura ambiente y más o menos 0.75 grados en todo el rango.

Fig. Esta versión del LM35 se puede utilizar para medir la temperatura de la superficie cuando se fija con un tornillo. La cuadrícula de fondo está en milímetros.

El sensor se puede obtener encapsulado como un transistor, en una cápsula de plástico TO-92 o una cápsula de metal. También está disponible como un componente montado en superficie o en un paquete TO-220, similar a un regulador de voltaje de 5V. Este es un componente de tres patas, dos patas de soldadura se utilizan para la fuente de alimentación, mientras que la tercero sirve como salida del sensor. El voltaje de alimentación típicamente oscila entre 4V y 30V. El consumo de corriente necesario es solo de 60µA, lo que minimiza el auto calentamiento. Debido a que este dispositivo está diseñado específicamente para el rango de temperatura Celsius, su salida está escalada a 0mV a 0 grados. Se puede agregar una resistencia de pull-down para medir temperaturas por debajo de cero. Se recomienda una resistencia de derivación de 200 ohmios entre la salida y tierra como precaución contra efectos capacitivos en el cableado. El LM34 es casi idéntico al LM35, excepto que su salida cambia en 10mV por grado Fahrenheit en lugar de 10mV por grado Celsius.

Serie LM135

Aunque este sensor contiene múltiples uniones NPN, el fabricante lo describe como si se comportara como un diodo zener en el que la tensión de ruptura es directamente proporcional a la temperatura absoluta. La salida aumenta en 10 mV por grado en un rango desde -55 hasta +150 grados Celsius.

Para el LM135, el fabricante afirma un error de menos de más o menos 1 grado Celsius entre 0 y 100 grados. Para el LM235 y el LM335, en la misma serie de productos, el rango de temperatura es más estrecho, la precisión es menor y el precio también es más bajo. Un sensor LM335 se muestra en la Figura

Fig. : Una muestra del sensor de temperatura LM335 en un encapsulado TO-92. La cuadrícula de fondo está en milímetros.

El sensor está disponible en un encapsulado TO-92 (plástico, similar a un transistor) o un TO-46 (cápsula de metal). También se fabrica en formato montaje superficial. El terminal negativo se conecta directamente a tierra, mientras que el terminal positivo se conecta a través de una resistencia en serie al lado positivo de una fuente de alimentación que puede variar desde 5V hasta 40V. El tercer terminal, etiquetado como "ADJ" en las hojas de datos, permite ajustar la salida. La Figura siguiente muestra el circuito básico. El valor de R1 se puede elegir para establecer una corriente óptima de 1mA a través del sensor, aunque se tolera un rango de 400µA a 5mA.

Fig. : Esquema básico para usar un LM135, incluyendo el ajuste de la salida. Dado que el elemento sensor se comporta como un diodo zener, se representa con el símbolo del zener.

Salida de corriente analógica

Existen pocos componentes que utilizan la corriente de salida para medir la temperatura. La salida se aplica a una resistencia a tierra, y la tensión a través de la resistencia luego cambia con la corriente del sensor. El aspecto útil de una salida de corriente es que su precisión no se ve afectada por un funcionamiento con cable de hasta 60 o 90 metros. Por lo tanto, este tipo de componente es apropiado como un sensor remoto.

Serie LM234-3

Este es un sensor de tres patas, dos patas se utilizan para la alimentación de polarización y tierra (etiquetados como V+ y V- en la hoja de datos) y un tercero (etiquetado como R) que entrega corriente proporcional a la temperatura. La corriente del pin R pasa a través de una resistencia externa a tierra, y la tensión a través de esta resistencia varía en 214µV por grado Kelvin. Se requiere un voltaje de polarización que varía de 1V a 40V.

Fig. Usando un sensor LM243-3 con una salida de corriente que varía con la temperatura.

Si el componente se utiliza para la detección remota, la resistencia debe ser de 230 ohmios y se puede conectar directamente entre el pin R y el pin V- del sensor en el extremo lejano de una ejecución de cable. En el extremo de salida principal, la salida de medición de temperatura se toma por encima de una resistencia de 10K que se coloca entre el cable de retorno y tierra, como se muestra en la Figura. Con estos valores de componentes, la tensión de salida cambiará en 10mV por grado Kelvin. El LM234-3 puede estar encapsulado en un paquete de plástico TO-92 o un encapsulado de metal TO-46. También está disponible una versión de montaje superficial. La precisión estimada es de más o menos 3 grados. El rango de temperatura es de -25 grados a +100 grados.

Serie AD590

La serie AD590 de Analog Devices es un sensor de salida de corriente que utiliza solo dos cables. Al igual que el LN234-3, está disponible en un encapsulado metálico TO-46, pero con un terminal que no tiene conexión interna. También se puede comprar en un "flatpack" de dos cables o como un chip montado en superficie (con ocho almohadillas de soldadura, de las cuales solo dos están conectadas).

Utilizando una tensión de suministro de 4V a 30V, la salida de alta impedancia del sensor cambia en 1µA por grado Kelvin. Las variaciones en la tensión de suministro producen errores muy pequeños en la corriente de salida; sustituir 10V por 5V crea una desviación de solo 1µA.

Salida digital

Algunos de los ejemplos más populares de sensores de temperatura de semiconductores con salida digital incluyen la serie TMP102 de Texas Instruments, la serie MCP9808 de Microchip, la serie LM73 de Texas Instruments y National Semiconductor, y la serie DS18B20 de Maxim. Todos estos componentes pueden medir un rango típico de temperatura para sensores de semiconductores, desde aproximadamente -50 hasta +150 grados Celsius. La mayoría de ellos afirman tener una precisión en la región de más o menos 1 grado en todo el rango o 0.5 grados en el rango de 0 a 100 grados. Con la excepción del Maxim DS18B20, que utiliza su propio protocolo único, los componentes se comunican a través de los protocolos I2C o SMBus.

Sensores de temperatura de semiconductores CMOS

Los sensores de temperatura de semiconductores CMOS han aparecido relativamente recientemente en comparación con las variantes bipolares. Consumen una corriente en reposo muy baja (típicamente, unos pocos microamperios) y pueden funcionar con una fuente de alimentación desde 5.5VDC hasta 2.2VDC, lo que los hace adecuados para dispositivos portátiles alimentados por batería. Una salida analógica es común en estos sensores. Ejemplos populares son las series LM20 y LMT86.

Al igual que los sensores bipolares, los sensores LMT86 tienen un rango de temperatura limitado, aproximadamente entre -50 y +150 grados Celsius. Nuevamente, al igual que los sensores bipolares, están disponibles opcionalmente en encapsulados TO-92 y montaje superficial. Una diferencia significativa es que la salida tiene un coeficiente de temperatura negativo, disminuyendo en 10mV por grado Kelvin debido a las características de los semiconductores CMOS.

La precisión declarada es de más o menos 0.25 grados Celsius. El voltaje de salida cubre un rango de aproximadamente 2V, disminuyendo desde 0.5V por debajo de la fuente de alimentación a -50 grados Celsius.

Posibles Problemas:

En electrónica, varios problemas o desafíos pueden surgir al utilizar sensores de temperatura de semiconductor. Aquí hay algunos de los problemas comunes:

1. Diferentes Escalas de Temperatura: Algunos sensores producen una salida que se puede convertir en grados Kelvin, mientras que otros utilizan grados Celsius. Esto puede causar confusión, ya que un mismo valor en milivoltios podría corresponder a diferentes temperaturas según la escala utilizada.

2. Interferencia en las Líneas de Cableado: Los sensores de salida de voltaje son susceptibles a la interferencia eléctrica. Para evitar esto, se recomienda el uso de cables trenzados o apantallados cuando los sensores se colocan a larga distancia de la electrónica de control.

3. Latencia: La encapsulación de los sensores en paquetes puede agregar masa térmica, lo que ralentiza su tiempo de respuesta. Esto puede ser problemático en aplicaciones que requieren una respuesta rápida a cambios de temperatura.

4. Tiempo de Procesamiento: En sensores con salida digital, el proceso de conversión analógico-digital puede introducir un pequeño retraso antes de que los datos estén disponibles. Durante este tiempo, el sensor no puede responder a nuevas fluctuaciones de temperatura.

5. Precisión y Calibración: Los sensores de temperatura pueden tener errores de precisión que deben ser tenidos en cuenta. La calibración adecuada es esencial para garantizar mediciones precisas.

6. Compensación de la Deriva: Algunos sensores pueden experimentar deriva con el tiempo, lo que significa que su precisión disminuye a medida que pasa el tiempo. La compensación de la deriva puede ser necesaria para mantener mediciones precisas.

7. Variaciones de Suministro de Energía: Cambios en la fuente de alimentación del sensor pueden afectar la precisión de las mediciones. Esto debe ser controlado y compensado según sea necesario.

8. Problemas de Interfaz: La comunicación entre el sensor y el sistema de adquisición de datos puede ser propensa a errores si no se configura correctamente. La elección de la interfaz y el protocolo adecuados es fundamental.

9. Efectos de la Ubicación: La ubicación física del sensor en relación con la fuente de calor o frío puede afectar la precisión de las mediciones. La ubicación debe ser cuidadosamente considerada.

10. Errores de Conexión: Problemas como conexiones sueltas o incorrectas pueden llevar a mediciones incorrectas. Es importante verificar las conexiones y el cableado.

Diferentes Escalas de Temperatura

Algunos sensores de salida de voltaje crean una salida convertible a grados Kelvin, mientras que otros utilizan grados Celsius. Si bien los grados de temperatura son los mismos en cada escala, un componente con una salida en milivoltios puede asignar 0 mV ya sea a 0 grados Celsius o a 0 grados Kelvin (equivalente a -273.15 grados Celsius). La ventaja de usar una escala Kelvin es que evita el problema de valores de temperatura negativos.

Rara vez, un sensor puede utilizar grados Fahrenheit.

Interferencia en las Líneas de Cableado

Los sensores con salida de voltaje son susceptibles a la interferencia eléctrica. Se recomiendan líneas de cables trenzados o apantallados cuando los sensores se colocan de forma remota.

Para el Maxim DS18B20, que utiliza un bus de 1 cable, varios sensores deben estar conectados a lo largo de una única línea de cable (topología lineal) en lugar de que cada sensor esté conectado a un punto central (topología en estrella). Si las longitudes de los cables son mayores que unos pocos metros, la topología comienza a ser importante.

Latencia

El encapsulado de los sensores de temperatura de semiconductores puede crear latencia en su tiempo de respuesta. Mientras que un termopar consiste solo en un par de cables unidos por un pequeño punto de metal fundido, un paquete semiconductor TO-92 agrega masa térmica que ralentizará considerablemente la respuesta. Además, los cables de cobre conducirán el calor desde una placa de circuito si la placa es más cálida que su entorno.

Los chips de montaje superficial tienen una masa muy baja, pero deben soldarse a algún tipo de placa, incluso si es muy pequeña. En general, otros tipos de sensores pueden ser apropiados cuando se requiere una respuesta rápida.

Tiempo de Procesamiento

En un sensor con una salida digital, el convertidor analógico-digital incorporado agregará un pequeño retraso antes de que los datos estén disponibles, y durante ese retraso, el componente no puede responder a una nueva temperatura. La salida de un dispositivo analógico puede ser más adecuada para la detección rápida de variaciones de temperatura.

En resumen, si bien los sensores de temperatura de semiconductor son valiosos y versátiles, es importante tener en cuenta estos posibles problemas y abordarlos adecuadamente para garantizar mediciones precisas y confiables.