Quais sensores de temperatura são usados para dispositivos eletrônicos e IoT?

Sensores de temperatura são comumente usados ​​em aplicações embarcadas para monitorar a temperatura ambiente e evitar superaquecimento. Como gerenciamento térmico do dispositivo, esses sensores podem emitir um aviso ou acionar um mecanismo de resfriamento.

Porém, o uso desses sensores varia dependendo da aplicação. Por exemplo, sensores de temperatura são usados ​​em:

• Equipamento industrial para controle de processos ou detecção de possíveis falhas e mau funcionamento
• Aplicações de automação residencial para controlar sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado (HVAC)
• Sistemas de gerenciamento de bateria para otimizar os processos de carga e descarga
• Aplicações automotivas para monitorar o desempenho do motor e a temperatura da cabine para controle climático
• Aplicações médicas para temperatura corporal
• Data centers para otimizar as condições de operação dos servidores e equipamentos de rede
• Monitoramento ambiental e leituras meteorológicas
• Robótica para medir as condições operacionais do robô ou simplesmente coletar os dados de temperatura

Neste artigo, revisaremos os diferentes tipos de sensores de temperatura, incluindo os mais populares usados ​​em projetos de eletrônica e Internet-of-Things (IoT). Vamos nos concentrar em sensores de temperatura digitais, pois eles são os mais precisos e convenientes para interagir com microcontroladores.

Tipos de sensores de temperatura
Existem vários tipos de sensores de temperatura. Os recursos diferem dependendo dos requisitos de exatidão, precisão, alcance, tempo de resposta, tamanho e peso.

A maioria dos sensores de temperatura se enquadra em uma das seguintes categorias.

1. Termistores
2. Detectores de temperatura de resistência
3. Termopares
4. Sensores de temperatura IR
5. Sensores digitais de temperatura

1. Termistores são resistores termicamente sensíveis. Sua resistência muda com base na temperatura. Um termistor pode ter um coeficiente de temperatura negativo (NTC) ou um coeficiente de temperatura positivo (PTC). A resistência de um termistor NTC diminui com o aumento da temperatura. A resistência de um termistor PTC aumenta com o aumento da temperatura.

Os termistores são de baixo custo e pequenos, oferecendo uma ampla faixa de temperatura e tempo de resposta rápido. Fisicamente, os termistores são frágeis e devem ser protegidos contra choques e vibrações. Eles também correm o risco de autoaquecimento.

2. Detectores de temperatura de resistência (RTD) são fios de metal que mudam previsivelmente com a temperatura. Eles têm um coeficiente de temperatura positivo, então sua resistência aumenta conforme a temperatura sobe. A maioria dos RTDs usa platina como elemento sensor devido ao seu alto ponto de fusão, excelente resistência à corrosão e relação linear bem definida entre temperatura e resistência. O fio de platina é enrolado em torno de um núcleo de cerâmica ou vidro.

Uma corrente pequena e constante passa pelo RTD e a queda de tensão nele é medida para uma leitura precisa da temperatura. Com base na curva característica calibrada do elemento RTD específico, a temperatura é calculada, pois é diretamente proporcional à resistência. Os RTDs são altamente precisos, estáveis ​​e duráveis, medindo uma variedade de temperaturas. Mas eles são caros e têm um longo tempo de resposta. A resistência do fio condutor também pode afetar sua precisão. É por isso que configurações de três ou quatro fios são frequentemente usadas para compensação.

Os RTDs são frequentemente usados ​​em aplicações de ponta onde a precisão é crítica, como nas indústrias de semicondutores, aeroespacial, dispositivos médicos, química e geração de energia.

3. Termopares operam com base no princípio do efeito Seebeck, que ocorre quando uma força eletromotriz (fem) se desenvolve através de dois pontos de um material eletricamente condutor sempre que há uma diferença de temperatura entre eles.

Os termopares são feitos unindo dois metais diferentes em dois pontos, chamados de junções quentes e frias. A junção quente é colocada onde a temperatura deve ser medida, e a junção fria é usada como temperatura de referência. Quando a junção quente experimenta uma temperatura diferente da junção fria, o efeito Seebeck entra em ação – criando uma diferença de tensão nas extremidades unidas. Ao medir esta diferença de tensão, a temperatura na junção quente é determinada com base na relação predefinida entre a tensão e a temperatura para a combinação específica de material do termopar.

Os termopares oferecem tempos de resposta rápidos e uma ampla faixa de medição de temperatura. No entanto, eles exigem uma temperatura de referência estável na junção fria, muitas vezes alcançada através de circuitos eletrônicos ou banhos de gelo. Assim como os termistores, os termopares são frágeis e sua precisão pode sofrer com a relação não linear entre a temperatura e a queda de tensão. Os termopares geralmente requerem calibração adequada e um circuito de linearização.

4. Sensores de temperatura infravermelhos (IR) medem a temperatura sem tocar fisicamente em um objeto. Eles emitem radiação infravermelha (invisível ao olho humano) com uma intensidade relativa à temperatura. Ao detectar e analisar essa radiação, os sensores IR podem determinar com precisão a temperatura da superfície dos objetos.

Dentro do sensor, há um detector especial, geralmente feito de materiais como silício ou telureto de mercúrio e cádmio, que absorve a energia infravermelha e a converte em um sinal elétrico. O sinal é processado dentro do circuito do sensor por meio de amplificação, filtragem e calibração. O sinal processado é traduzido para uma leitura de temperatura específica.
Sensores infravermelhos são normalmente usados ​​com uma tela que exibe a leitura da temperatura.

É importante notar que esses sensores medem apenas as temperaturas da superfície, que podem ser afetadas por objetos próximos e pela temperatura ambiente. A precisão de um sensor de temperatura IR depende da emissividade da superfície do objeto, que varia de acordo com os diferentes materiais.

5. Sensores digitais de temperatura converter a temperatura em um sinal digital que é interpretado por um microcontrolador e um circuito digital. Eles não requerem condicionamento de sinal externo ou conversores analógico-digitais (ADCs). Cada sensor digital possui um elemento sensível à temperatura – como um termistor, RTD ou termopar – que detecta mudanças de temperatura.

Os sinais do elemento sensor são amplificados, filtrados, calibrados e convertidos em uma representação digital usando um ADC interno. Os dados de temperatura são emitidos por meio de protocolos de comunicação como I2C, SPI ou barramentos seriais simples. Sensores digitais de temperatura oferecem alta precisão e resolução. Eles são fáceis de interagir e podem ser conectados a qualquer GPIO de um microcontrolador. Mas eles não são baratos e geralmente possuem uma faixa predefinida ou limitada de medições de temperatura. O circuito adicional do sensor também aumenta o consumo geral de energia.

Sensores populares

Abaixo estão alguns dos sensores de temperatura mais populares usados ​​em projetos eletrônicos e de IoT.

LM35/LM34/LM335 são sensores de temperatura de saída analógica da Texas Instruments. Todos os três sensores pertencem à mesma família de conversores de tensão para temperatura de precisão e produzem diretamente uma tensão proporcional à temperatura. No entanto, cada sensor difere em sua tensão de saída.

• O LM35 produz 10 mV/° C, então para cada grau Celsius de aumento na temperatura, sua saída de voltagem aumenta em 10 mV. Isso o torna ideal para medir temperaturas em Celsius (°C).
• O LM34 produz 32 mV/°F, portanto sua tensão aumenta em 32 mV para cada grau Fahrenheit de aumento de temperatura. Isso o torna adequado para medir temperaturas em Fahrenheit (°F).
• O LM335 tem saída de 10 mV/K, o que o torna ideal para medir temperaturas Kelvin (K).

Esses sensores têm uma faixa de temperatura entre -55° e +150° C, embora o LM35 e o LM34 ofereçam melhor precisão do que o LM335. Esses sensores são usados ​​para medir temperaturas do ar ambiente ou da superfície do objeto. Eles não são ideais para medir temperaturas internas ou altamente precisas.

DS18B20 é um conhecido sensor de temperatura digital da Maxim Integrated Products que é preciso e versátil. Ele usa um elemento sensor de temperatura de silício para converter a temperatura em um sinal digital, oferecendo uma precisão de ±0,5°C em uma faixa de temperatura de -55° a +125° C. Ele opera com uma fonte de alimentação de 3,0 ou 5,0V, fazendo interface com um microcontrolador através de uma única linha de dados.

Cada DS18B20 sensor tem um código serial exclusivo de 64 bits. A conversão de temperatura é iniciada enviando um comando através do barramento de 1 fio. O sensor então realiza a conversão e armazena os dados internamente. Os dados de temperatura convertidos do sensor são recuperados através de outro comando no barramento de 1 fio.

Um microcontrolador pode se comunicar com vários sensores DS18B20 sequencialmente no mesmo fio. O sensor pode extrair energia diretamente da própria linha de dados em uma configuração de “energia parasita”, mas tende a ter um tempo de resposta mais lento. O sensor é usado em monitoramento ambiental, controle de processos em indústrias, equipamentos médicos, wearables, robótica e aplicações de drones.

TMP36/TMP37 são sensores de temperatura de saída analógica da Analog Devices. Eles fornecem uma saída de tensão linearmente proporcional à temperatura e operam com uma fonte de alimentação de 2,7 a 5,5 Vcc, não necessitando de calibração externa. No entanto, os dois sensores diferem em suas especificações.

• O TMP36 emite 10 mV/° C. Ele tem uma faixa de temperatura de -40° a +125° C e oferece uma precisão de ±1° C a +25° C. Ele fornece uma ampla temperatura e tende a ser mais barato que o TMP37.
• O TMP37 emite 20 mV/° C. Ele tem uma faixa de temperatura de 5° a +100° C e oferece uma precisão de ±0,5° C a +25° C. Ele é altamente preciso, mas adequado para aplicações de baixa temperatura.

São sensores de baixo custo e excelente precisão. Eles podem ser facilmente interligados com qualquer microcontrolador ou ADC – mas como sensores analógicos, eles só podem ser interligados com os pinos de entrada analógica do microcontrolador com um ADC externo. Eles também são sensíveis ao ruído da fonte de alimentação e normalmente requerem calibração adequada.

BMP280 é um sensor digital de pressão e temperatura da Bosch Sensortec. Ele tem um sensor de temperatura interno que compensa as flutuações, garantindo medições de pressão precisas. Com um circuito interno, ele converte a mudança de resistência (para pressão) e a saída do sensor de temperatura em valores digitais. Ele foi projetado para medir pressão e temperatura simultaneamente.

O elemento sensor de temperatura do BMP280 tem uma faixa de -40° a +85° C e uma precisão de ±1° C. Ele faz interface com um microcontrolador através de um I2C ou SPI. O microcontrolador enviará um comando ao sensor para iniciar um novo ciclo de medição, lendo os registros de saída do sensor contendo os valores de pressão e temperatura. O valor da temperatura da saída bruta do sensor pode ser isolado usando fórmulas ou bibliotecas de conversão apropriadas.

BME280 é um sensor digital ambiental da Bosch Sensortec que mede pressão, temperatura e umidade. O sensor se comunica com microcontroladores por meio de um I2C ou SPI, fornecendo digitalmente o trio de pontos de dados ambientais. A faixa de medição de temperatura do sensor varia de -40° a +85° C, com uma precisão de ±1° C em toda a faixa operacional. O elemento sensor de temperatura tem uma resolução de 0,01° C. Este é um sensor ambiental de baixa potência e altamente preciso para todos os três pontos de dados. Normalmente tem um custo mais alto e geralmente requer calibração.

ADT7410/ADT7412 são sensores de temperatura de saída analógica da Analog Devices. Eles têm um termômetro de resistência de platina (RPT), que usa uma fina película de platina como elemento sensor de temperatura. O circuito interno aplica uma corrente constante ao RPT e mede a queda de tensão resultante. A queda de tensão é diretamente proporcional à temperatura, fornecendo um sinal de saída analógico que um ADC pode ler.

• O ADT7410 oferece uma faixa de temperatura de -50° a +150° C, com uma precisão de ±0,2° C a +25° C e ±0,75° C na faixa completa. Possui uma sensibilidade de saída de 5 mV/° C.
• O ADT7412 oferece uma faixa de temperatura de -200° a +200° C, com uma precisão de ±0,3° C a +25° C e ±1,0° C em faixa total. Ele tem uma sensibilidade de saída de 10 mV/° C.

Embora o ADT7140 ofereça melhor precisão, o ADT7412 fornece uma faixa de temperatura mais ampla e maior mudança de tensão de saída por grau. Esses sensores são usados ​​em várias aplicações, incluindo controle de processo industrial, equipamento médico, proteção de alimentos e bebidas, aeroespacial e monitoramento ambiental.

PT100/PT1000 são RTDs com uma bobina fina de fio ou filme de platina em seu núcleo. Eles diferem principalmente em sua resistência nominal a 0° C. O PT100 tem uma resistência de 100 ohms a 0° C, enquanto o PT1000 tem uma resistência de 1000 ohms a 0° C.

Os sensores recebem uma corrente de um circuito externo, que detecta a queda de tensão no sensor. A resistência do sensor, que é uma função da temperatura, determina essa queda de tensão. O PT1000 pode ser usado em configurações de dois fios e tem maior sensibilidade de saída, normalmente com maior precisão. O PT100 requer configurações de três ou quatro fios, mas é mais econômico e também menor que o PT1000.

SHT3x é uma família de sensores digitais de umidade e temperatura da Sensirion. Um chip de silício que incorpora a tecnologia patenteada CMOSens da Sensirion está no centro desses sensores, fornecendo saídas digitais precisas e estáveis.

A empresa tem sensores dedicados para medições de umidade e temperatura. O sensor faz interface com um microcontrolador por meio de um I2C e vem com uma calibração de fábrica. A faixa de temperatura do sensor é de -40° a +125° C, com uma precisão de ±0,5° C. O SHT35 é a versão automotiva do SHT30/SHT31 com imunidade a ruído aprimorada e uma faixa de temperatura mais abrangente. Embora esses sensores sejam mais caros do que muitos outros sensores de temperatura e umidade, eles são otimizados para design de baixa potência e oferecem alta precisão e tempo de resposta rápido.

MLX90614 é um termômetro infravermelho digital sem contato da Melexis. O núcleo do sensor é uma termopilha, uma matriz de termopares que convertem diferenças de temperatura em voltagem. O MLX90614 foca a radiação infravermelha recebida na termopilha, e um circuito interno amplifica e processa o sinal da termopilha para calcular a temperatura de um objeto.

Este sensor digital comunica o valor digital da temperatura através de um I2C ou um SMBus para um microcontrolador. Há duas versões disponíveis:

• MLX90614ESF-BAA tem uma faixa de temperatura de -40° a +125° C
• MLX90614ESF-BAB tem uma faixa de temperatura de -70° a +380° C

Ambos os sensores oferecem uma precisão de ±0,5° C à temperatura ambiente, que diminui em extremos.

TMP106/TMP107 são sensores de temperatura com saída digital da Texas Instruments.

• O TMP106 tem uma faixa de temperatura de −40° a +125° C, com uma precisão típica de ±0,5° C e ±1° C máximo. O sensor tem uma resolução de 12 bits e se conecta a um microcontrolador por meio de um I2C ou SMBus.
• O TMP107 tem uma faixa de temperatura de -55° a +125° C, com uma precisão de ±0,4° C de -20° a +70° C, ±0,55° C quando de -40° a +100° C, e ±0,55° C quando de -40° a +100° C, e ± 0,7° C em faixa completa. O sensor tem resolução de 14 bits e possui uma interface SMAART Wire compatível com UART que suporta encadeamento em série de até 32 sensores.

No geral, o TMP107 oferece maior precisão, faixa de temperatura mais ampla, capacidade de encadeamento e recurso de alerta programável. É adequado para detecção prolongada de temperatura, controle de processos industriais, dispositivos médicos e monitoramento distribuído. O TMP106 é adequado para detecção de temperatura de uso geral em ambientes eletrônicos de consumo, automotivos e industriais.

MAX31855 é um conversor de termopar para digital compensado por junção fria da Analog Devices. O sensor se conecta a um termopar, um par de metais diferentes formando uma junção de tensão que varia com a temperatura. Ele mede a temperatura na junção de referência (junção fria) e subtrai a temperatura da junção fria da tensão do termopar — compensando as variações de temperatura no ponto de conexão. Os dados de temperatura processados ​​são fornecidos como um valor assinado de 14 bits por meio de uma interface SPI.

Este sensor suporta diversos tipos de termopares (K, J, N, T, S, R, E) para várias aplicações. Ele tem uma faixa de temperatura de -270° a +1800° C, com uma precisão de ±2°C para termopares do tipo K. Sua resolução é de 0,25° C com uma saída de 14 bits. MAX31855 é usado em controle de processos industriais, monitoramento ambiental, geração de energia, aplicações automotivas, aeroespaciais e de defesa.

MLX90632 é um termômetro infravermelho miniatura, sem contato, da Melexis. Ele vem em duas versões:

• MLX90632ESF-BAA é a versão padrão com uma faixa de temperatura de -40° a +125° C e uma precisão típica de ±0,5° C, com reduções em extremos.
• MLX90632ESF-BAB é uma versão de nível médico com precisão aprimorada para aplicações médicas, normalmente em torno de ±0,2° C, mas dentro de uma faixa estreita.

Ambas as versões têm uma saída digital que se comunica por meio de uma interface I2C. Esses sensores são usados ​​em aplicações como automação de edifícios e residências inteligentes, medição de temperatura não invasiva em laboratórios, controle de processos industriais, termômetros de ouvido e dispositivos vestíveis.