Créer rapidement un circuit de détection de température précis basé sur une thermistance

Les capteurs de température figurent parmi les capteurs les plus utilisés dans le secteur de l'électronique, avec des applications s'étendant de l'étalonnage à la sécurité, en passant par le chauffage, la ventilation et la climatisation (CVC). Malgré leur utilisation répandue, les capteurs de température et leur implémentation peuvent présenter des défis pour les concepteurs pour atteindre les meilleures performances au coût le plus bas possible.

Il existe de nombreux moyens de détecter la température. Les méthodes les plus courantes utilisent des capteurs de température comme une thermistance, un capteur de température à résistance, un thermocouple ou un thermomètre au silicium. Cependant, le choix du capteur approprié ne constitue qu'une partie de la solution. En effet, ce capteur doit ensuite être connecté à une chaîne de signaux qui maintient l'intégrité de ces signaux, tout en fournissant une compensation précise pour les caractéristiques uniques de la technologie de détection spécifique pour garantir une représentation numérique précise de la température.

Cet article présente une solution à circuit alimenté par USB pour exécuter cette tâche. Cette solution utilise une thermistance à coefficient de température négatif (CTN) en combinaison avec le microcontrôleur analogique de précision ADuC7023BCPZ62I-R7 d'Analog Devices pour surveiller la température avec précision.

Caractéristiques d'une thermistance CTN

Une thermistance est une résistance thermosensible disponible sous deux formes : la thermistance à coefficient de température positif (CTP) et la thermistance CTN. La thermistance CTP en céramique polycristalline présente un coefficient de température positif élevé et est généralement utilisée dans des applications de commutation. La thermistance à semi-conducteurs en céramique CTN présente un coefficient de température négatif résistif élevé, ce qui fait que sa résistance diminue lorsque la température augmente. Cette caractéristique en fait un dispositif approprié pour la mesure de température de précision.

Une thermistance CTN possède trois modes de fonctionnement : résistance par rapport à la température, tension par rapport au courant, et courant par rapport au temps. Le mode qui exploite les caractéristiques de la résistance par rapport à la température fournit les résultats les plus précis.

Les circuits en mode résistance par rapport à la température configurent la thermistance dans une condition de « puissance nulle ». La condition de puissance nulle suppose que l'excitation de courant ou de tension du dispositif ne provoque pas d'auto-échauffement de la thermistance.

Dans une thermistance CTN typique, comme le dispositif NCP18XM472J03RB de 4,7 kilo-ohms (kΩ) en boîtier 0603 de Murata Electronics, la réponse en mode résistance par rapport à la température est hautement non linéaire (Figure 1).

Figure 1 : La réponse en mode résistance par rapport à la température d'une thermistance CTN typique est hautement non linéaire, ce qui oblige les concepteurs à trouver un moyen de maintenir sous contrôle cette non-linéarité pour une plage de températures définie. (Source de l'image : Bonnie Baker, calcul et courbe réalisés d'après des valeurs de résistance de Murata)

Le graphique de la Figure 1 montre le haut degré de non-linéarité de la thermistance de 4,7 kΩ. La vitesse à laquelle la résistance d'une thermistance CTN diminue avec la température est une constante appelée bêta (ß) (non illustrée dans la Figure). Pour la thermistance de 4,7 kΩ de Murata, β = 3500.

La correction de la réponse non linéaire de la thermistance peut être effectuée à l'aide d'un logiciel avec un convertisseur analogique-numérique (CAN) haute résolution et un polynôme de troisième degré empirique ou une table de correspondance.

Cependant, il existe une technique matérielle raisonnable, plus simple et moins coûteuse qui, lorsqu'elle est appliquée avant d'atteindre le CAN, permet de maintenir sous contrôle le problème de linéarisation de la thermistance pour une plage de températures de ±25°C.

Solution de linéarisation matérielle

Une approche simple de la linéarisation de premier niveau de la sortie de thermistance consiste à placer la thermistance en série avec une résistance standard (1 %, à couche métallique) et une source de tension. La valeur de la résistance série détermine la médiane de la région linéaire du circuit de thermistance. La valeur de résistance de la thermistance (R_TH) et l'équation de Steinhart-Hart déterminent la température de la thermistance (Figure 2). L'équation de Steinhart-Hart s'est avérée être la meilleure expression mathématique pour déterminer la température d'une thermistance CTN.

Figure 2 : Une configuration avec diviseur de tension (R_TH et R₂₅) permet de linéariser la réponse de la thermistance. La plage linéaire à ADC0 (à l'entrée du CAN) se trouve dans une plage de températures d'environ 50°C. (Source de l'image : Bonnie Baker)

La dérivation de la valeur réelle de la résistance de la thermistance, R_TH, commence par la définition de la sortie du diviseur de tension (V_ADC0). V_ADC0 est alors utilisée pour trouver le code décimal de la sortie numérique du CAN, D_OUT, où D_OUT dépend du nombre de bits du CAN (N), de la tension d'entrée maximum du CAN (V_REF) et de la tension d'entrée du CAN (V_ADC0). La troisième et dernière étape de la détermination de R_TH consiste à multiplier R₂₅ (ou la valeur R_TH à 25°C) par le ratio du nombre de codes du CAN par rapport au code décimal de sortie numérique du CAN. Le processus de calcul dans cette troisième étape commence par l'Équation 2 ci-dessous.

La dernière étape du calcul consiste à convertir la résistance de la thermistance en température en kelvins à l'aide de l'équation de Steinhart-Hart mentionnée précédemment. Le microcontrôleur analogique de précision ADuC7023 détermine la température du capteur à l'aide de l'Équation 4 :

Équation 4

Où :

T₂ = Température de la thermistance mesurée (en kelvins)

T₁ = 298 kelvins (25°C)

β = paramètre β de la thermistance à 298 kelvins ou 25°C. β = 3500

R₂₅ = Résistance de la thermistance à 298 kelvins ou 25°C. R₂₅ = 4,7 kΩ

R_TH = Résistance de la thermistance à une température inconnue, comme calculée à l'aide de l'Équation 3

Dans la Figure 2, la résistance de la thermistance (R_TH) est égale à 4,7 kΩ à 25°C. Étant donné que la valeur de R₂₅ est égale à la valeur de 25°C de la thermistance, la région linéaire du diviseur de tension est centrée autour de 25°C (Figure 3).

Figure 3 : Réponse linéaire d'une thermistance de 4,7 kΩ en série avec une résistance standard de 4,7 kΩ et une tension de 2,4 volts au niveau du diviseur de tension. (Source de l'image : Bonnie Baker, calcul et courbe réalisés d'après des valeurs de résistance de Murata)

Dans la Figure 3, le système de thermistance en série fournit une réponse linéaire à la température sur une plage de températures limitée d'environ 0°C à +50°C. Dans cette plage, l'erreur de température delta est de ±1°C. La valeur de la résistance de linéarisation (R₂₅) doit être égale à la valeur de la thermistance au milieu de la plage de températures visée.

Ce circuit acquiert typiquement un niveau de précision de 12 bits sur la plage de températures de ±25°C, avec la température nominale de la thermistance à la valeur R₂₅.

Moniteur de température USB

Le trajet du signal dans le circuit commence avec la thermistance de 4,7 kΩ à faible coût, suivie du microcontrôleur ADuC7023 à faible coût d'Analog Devices. Le microcontrôleur intègre quatre convertisseurs numérique-analogique (CNA) 12 bits, un CAN à approximations successives 12 bits à plusieurs canaux et une référence interne de 1,2 V, ainsi qu'un cœur ARM7^®, une mémoire Flash de 126 Ko, une mémoire vive statique (SRAM) de 8 Ko et divers périphériques numériques, comme un UART, des temporisateurs, une interface SPI et deux interfaces I²C (Figure 4).

Figure 4 : Le circuit de détection de température utilise une connexion USB pour l'alimentation et l'interface I²C du microcontrôleur ADuC7034 pour la communication numérique. (Source de l'image : Analog Devices)

Dans la Figure 4, l'alimentation et la masse du circuit proviennent entièrement de l'interface USB à quatre fils. Le régulateur linéaire à faible chute de tension ADP3333ARMZ-5-R7 d'Analog Devices utilise l'alimentation USB de 5 V pour générer une sortie de 3,3 V. La sortie régulée de l'ADP3333 fournit la tension DVDD de l'ADuC7023. L'alimentation AVDD de l'ADuC7023 nécessite un filtrage supplémentaire comme illustré. Le régulateur linéaire est également doté d'un filtre entre l'alimentation USB et la broche IN.

L'échange de données de température s'effectue également via les broches d'interface USB D+ et D-. L'ADuC7023 est capable d'utiliser le protocole I²C pour la transmission et la réception de données. Ce circuit d'application utilise l'interface I²C à deux fils pour transmettre des données et pour recevoir des commandes de configuration.

Cette application utilise les fonctionnalités de l'ADuC7023 suivantes :

• CAN SAR 12 bits.
• Un cœur Arm ARM7TDMI avec SRAM. Une mémoire Flash intégrée de 62 Ko exécute le code utilisateur qui configure et commande le CAN, gère les communications via l'interface USB et traite les conversions du CAN à partir du capteur de la thermistance.
• Les bornes I²C forment l'interface de communication avec le PC hôte.
• Deux boutons/commutateurs externes (non illustrés) forcent le composant à passer en mode d'amorçage Flash : en maintenant le bouton DOWNLOAD vers le bas et en activant le commutateur RESET, au lieu d'utiliser le mode utilisateur normal, l'ADuC7023 passe en mode d'amorçage. La mémoire Flash interne peut être reprogrammée en mode d'amorçage à l'aide de l'interface USB via l'outil logiciel I2CWSD associé.
• VREF est la référence de tension à barrière de potentiel. Cette référence de tension est disponible pour d'autres références de circuit dans le système. Au moins un condensateur de 0,1 microfarad (μF) est relié à ces broches pour la réduction du bruit.

Étant donné que l'ADuC7023 est fourni en boîtier CSP compact (5 mm × 5 mm) à 32 broches, tout le circuit tient sur une section extrêmement réduite de la carte à circuit imprimé, ce qui permet des économies d'espace et de coûts.

L'ADuC7023 fournit une solution basse consommation malgré son puissant cœur ARM7 et son CAN SAR haute vitesse. La consommation typique de l'ensemble du circuit est de 11 milliampères (mA), avec le cœur ARM7 qui s'exécute à 5 mégahertz (MHz) et le CAN principal qui mesure la thermistance externe. Le microcontrôleur et/ou le CAN peuvent être désactivés entre les mesures de température afin de réaliser davantage d'économies en matière de consommation énergétique.

Points à prendre en compte pour la configuration

Le système de traitement des signaux illustré à la Figure 4 est étonnamment trompeur. La vue d'ensemble de ce système montre qu'il ne contient que trois dispositifs actifs. Cependant, derrière cette simplicité se dissimulent quelques défis de configuration intéressants.

Par exemple, le microcontrôleur ADuC7023 est un système analogique et numérique complexe qui exige une attention particulière en ce qui concerne les règles de mise à la terre. Si le système semble être « lent » dans le domaine analogique, son CAN échantillonneur embarqué est un dispositif multicanal rapide qui présente un taux d'échantillonnage de 1 Méch./s avec une fréquence d'horloge maximum de 41,78 MHz. Dans ce système, les temps de montée et de descente de l'horloge sont de quelques nanosecondes. Ces vitesses placent cette application dans la catégorie haute vitesse.

Les circuits à signaux mixtes requièrent de toute évidence une attention particulière. Voici une liste de contrôle qui englobe en quatre points les principaux aspects :

1. Utilisation de condensateurs électrolytiques
2. Sélection d'un condensateur plus compact
3. Points à prendre en compte concernant le plan de masse
4. Petites perles de ferrite en option

Un grand condensateur électrolytique est typiquement utilisé avec une valeur comprise entre 10 mF et 100 mF, et installé à moins de 50 mm de la puce. Ces condensateurs agissent comme des réservoirs de charge pour répondre aux besoins de charge instantanés qui passent par l'inductance de trace de puissance.

Les condensateurs plus compacts du circuit, qui s'étendent typiquement de 0,01 mF à 0,1 mF, sont placés aussi près que possible des broches d'alimentation du dispositif. Ces condensateurs sont conçus pour envoyer rapidement un bruit haute fréquence à la terre.

Le plan de masse, situé sous les condensateurs de découplage, permet de découpler les courants haute fréquence et de réduire les émissions EMI/RFI. Il doit être constitué d'une vaste zone à faible impédance. Pour réduire l'inductance, la connexion du condensateur à la terre est effectuée via une traversée ou une courte piste.

En plus des condensateurs de découplage de la Figure 4, la protection EMI/RFI du câble USB nécessite l'utilisation de ferrite. Ce circuit utilise les perles de ferrite BK2125HS102-T de Taiyo Yuden qui présentent une impédance de 1000 Ω à 100 MHz.

Conclusion

Bien que les capteurs de température figurent parmi les capteurs les plus utilisés, les exigences de conception continuent de mettre les concepteurs au défi de réduire les coûts et la taille, tout en améliorant la précision de la détection. En tenant compte de ces considérations, cet article a décrit la mise en œuvre d'un système de thermistances commerciales USB basse consommation, utilisant un CAN 12 bits compact et le microcontrôleur ADuC7023 haute précision d'Analog Devices. Cette combinaison utilise une résistance pour obliger une thermistance CTN non linéaire à détecter et à surveiller avec précision la température.