¿Qué sensores de temperatura se utilizan para dispositivos electrónicos y IoT?

Los sensores de temperatura se utilizan comúnmente en aplicaciones integradas para monitorear la temperatura ambiente y evitar el sobrecalentamiento. Al igual que la gestión térmica del dispositivo, estos sensores pueden emitir una advertencia o activar un mecanismo de enfriamiento.

Sin embargo, el uso de estos sensores varía según la aplicación. Por ejemplo, los sensores de temperatura se utilizan en:

• Equipos industriales para control de procesos o detección de posibles fallos y mal funcionamiento
• Aplicaciones de automatización del hogar para controlar sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC)
• Sistemas de gestión de baterías para optimizar los procesos de carga y descarga.
• Aplicaciones automotrices para monitorear el rendimiento del motor y la temperatura de la cabina para el control del clima.
• Aplicaciones médicas de la temperatura corporal.
• Centros de datos para optimizar las condiciones operativas de servidores y equipos de red.
• Monitoreo ambiental y lecturas meteorológicas.
• Robótica para medir las condiciones de funcionamiento del robot o simplemente recopilar datos de temperatura.

En este artículo, revisaremos los diferentes tipos de sensores de temperatura, incluidos los más populares utilizados en proyectos de electrónica y Internet de las cosas (IoT). Nos centraremos en los sensores de temperatura digitales, ya que son los más precisos y convenientes para interactuar con microcontroladores.

Tipos de sensores de temperatura
Hay varios tipos de sensores de temperatura. Las características difieren según los requisitos de exactitud, precisión, alcance, tiempo de respuesta, tamaño y peso.

La mayoría de los sensores de temperatura se clasifican en una de las siguientes categorías.

1. Termistores
2. Detectores de temperatura de resistencia
3. Termopares
4. Sensores de temperatura infrarrojos
5. Sensores de temperatura digitales

1. Los termistores son resistencias térmicamente sensibles. Su resistencia cambia según la temperatura. Un termistor puede tener un coeficiente de temperatura negativo (NTC) o un coeficiente de temperatura positivo (PTC). La resistencia de un termistor NTC disminuye al aumentar la temperatura. La resistencia de un termistor PTC aumenta al aumentar la temperatura.

Los termistores son pequeños y económicos, y ofrecen un amplio rango de temperatura y un tiempo de respuesta rápido. Físicamente, los termistores son frágiles y deben protegerse contra golpes y vibraciones. También corren el riesgo de autocalentarse.

2. Los detectores de temperatura de resistencia (RTD) son cables metálicos que cambian de manera predecible con la temperatura. Tienen un coeficiente de temperatura positivo, por lo que su resistencia aumenta a medida que aumenta la temperatura. La mayoría de los RTD utilizan platino como elemento sensor debido a su alto punto de fusión, excelente resistencia a la corrosión y relación lineal bien definida entre temperatura y resistencia. El alambre de platino se enrolla alrededor de un núcleo de cerámica o vidrio.

Una corriente pequeña y constante pasa a través del RTD y se mide la caída de voltaje a través de él para obtener una lectura de temperatura precisa. Según la curva característica calibrada del elemento RTD específico, la temperatura se calcula ya que es directamente proporcional a la resistencia. Los RTD son muy precisos, estables y duraderos y miden un rango de temperaturas. Pero son caros y tienen un tiempo de respuesta prolongado. La resistencia del cable también puede afectar su precisión. Por este motivo, a menudo se utilizan configuraciones de tres o cuatro hilos para la compensación.

Los RTD se utilizan a menudo en aplicaciones de alta gama donde la precisión es fundamental, como en las industrias de semiconductores, aeroespacial, de dispositivos médicos, química y de generación de energía.

3. Los termopares funcionan según el principio del efecto Seebeck, que se produce cuando se desarrolla una fuerza electromotriz (fem) a través de dos puntos de un material eléctricamente conductor siempre que hay una diferencia de temperatura entre ellos.

Los termopares se fabrican uniendo dos metales diferentes en dos puntos, llamados uniones frías y calientes. La unión caliente se coloca donde se va a medir la temperatura y la unión fría se utiliza como temperatura de referencia. Cuando la unión caliente experimenta una temperatura diferente a la de la unión fría, se activa el efecto Seebeck, creando una diferencia de voltaje entre los extremos unidos. Al medir esta diferencia de voltaje, la temperatura en la unión caliente se determina en función de la relación predefinida entre voltaje y temperatura para la combinación de materiales del termopar específica.

Los termopares ofrecen tiempos de respuesta rápidos y un amplio rango de medición de temperatura. Sin embargo, requieren una temperatura de referencia estable en la unión fría, que a menudo se logra mediante circuitos electrónicos o baños de hielo. Al igual que los termistores, los termopares son frágiles y su precisión puede verse afectada por la relación no lineal entre la temperatura y la caída de voltaje. Los termopares generalmente requieren una calibración adecuada y un circuito de linealización.

4. Los sensores de temperatura infrarrojos (IR) miden la temperatura sin tocar físicamente un objeto. Emiten radiación infrarroja (invisible para el ojo humano) con una intensidad relativa a la temperatura. Al detectar y analizar esta radiación, los sensores IR pueden determinar con precisión la temperatura de la superficie de los objetos.

Dentro del sensor hay un detector especial, generalmente hecho de materiales como silicio o telururo de mercurio y cadmio, que absorbe la energía infrarroja y la convierte en una señal eléctrica. La señal se procesa dentro del circuito del sensor mediante amplificación, filtrado y calibración. La señal procesada se traduce en una lectura de temperatura específica.
Los sensores infrarrojos se utilizan normalmente con una pantalla que muestra la lectura de temperatura.

Es importante tener en cuenta que estos sensores solo miden la temperatura de la superficie, que puede verse afectada por los objetos cercanos y la temperatura ambiente. La precisión de un sensor de temperatura IR depende de la emisividad de la superficie del objeto, que varía según los diferentes materiales.

5. Los sensores de temperatura digitales convierten la temperatura en una señal digital que es interpretada por un microcontrolador y un circuito digital. No requieren acondicionamiento de señal externo ni convertidores de analógico a digital (ADC). Cada sensor digital tiene un elemento sensible a la temperatura, como un termistor, RTD o termopar, que detecta cambios de temperatura.

Las señales del elemento sensor se amplifican, filtran, calibran y convierten en una representación digital mediante un ADC interno. Los datos de temperatura se emiten a través de protocolos de comunicación como I2C, SPI o buses serie simples. Los sensores de temperatura digitales ofrecen alta precisión y resolución. Es fácil interactuar con ellos y se pueden conectar a cualquier GPIO en un microcontrolador. Pero no son baratos y suelen tener un rango de mediciones de temperatura predefinido o limitado. El circuito de sensor adicional también aumenta el consumo general de energía.

Sensores populares

A continuación se muestran algunos de los sensores de temperatura más populares utilizados en proyectos de electrónica e IoT.

LM35/LM34/LM335 son sensores de temperatura de salida analógica de Texas Instruments. Los tres sensores pertenecen a la misma familia de convertidores de voltaje a temperatura de precisión y producen directamente un voltaje proporcional a la temperatura. Sin embargo, cada sensor difiere en su voltaje de salida.

• El LM35 genera 10 mV/°C, por lo que por cada grado Celsius que aumenta la temperatura, su salida de voltaje aumenta en 10 mV. Esto lo hace ideal para medir temperaturas en grados Celsius (°C).
• El LM34 produce 32 mV/°F, por lo que su voltaje aumenta en 32 mV por cada grado Fahrenheit de aumento de temperatura. Esto lo hace adecuado para medir temperaturas en Fahrenheit (°F).
• El LM335 tiene una salida de 10 mV/K, lo que lo hace ideal para medir temperaturas Kelvin (K).

Estos sensores tienen un rango de temperatura entre -55° y +150° C, aunque el LM35 y el LM34 ofrecen mejor precisión que el LM335. Estos sensores se utilizan para medir la temperatura del aire ambiente o de la superficie de objetos. No son ideales para medir temperaturas interiores ni son muy precisos.

DS18B20 es un conocido sensor de temperatura digital de Maxim Integrated Products que es preciso y versátil. Utiliza un elemento sensor de temperatura de silicio para convertir la temperatura en una señal digital, ofreciendo una precisión de ±0,5 °C en un rango de temperatura de -55 °C a +125 °C. Funciona con una fuente de alimentación de 3,0 o 5,0 V, en interfaz con un microcontrolador a través de una única línea de datos.

Cada DS18B20 El sensor tiene un código de serie único de 64 bits. La conversión de temperatura se inicia enviando un comando a través del bus de 1 cable. Luego, el sensor realiza la conversión y almacena los datos internamente. Los datos de temperatura convertidos del sensor se recuperan mediante otro comando en el bus de 1 hilo.

Un microcontrolador puede comunicarse con múltiples sensores DS18B20 secuencialmente en el mismo cable. El sensor puede obtener energía directamente de la propia línea de datos en una configuración de “energía parásita”, pero tiende a tener un tiempo de respuesta más lento. El sensor se utiliza en monitoreo ambiental, control de procesos en industrias, equipos médicos, dispositivos portátiles, robótica y aplicaciones de drones.

TMP36/TMP37 son sensores de temperatura de salida analógica de Analog Devices. Proporcionan una salida de voltaje linealmente proporcional a la temperatura y funcionan con una fuente de alimentación de 2,7 a 5,5 V CC, sin necesidad de calibración externa. Sin embargo, los dos sensores difieren en sus especificaciones.

• El TMP36 produce 10 mV/°C. Tiene un rango de temperatura de -40° a +125° C y ofrece una precisión de ±1° C a +25° C. Proporciona un amplio rango de temperatura y tiende a ser más económico que el otro. TMP37.
• El TMP37 produce 20 mV/° C. Tiene un rango de temperatura de 5° a +100° C y ofrece una precisión de ±0,5° C a +25° C. Es muy preciso pero adecuado para bajas temperaturas.

Son sensores de bajo coste y con una excelente precisión. Se pueden interconectar fácilmente con cualquier microcontrolador o ADC, pero al igual que los sensores analógicos, solo se pueden interconectar con los pines de entrada analógicos del microcontrolador con un ADC externo. También son sensibles al ruido de la fuente de alimentación y normalmente requieren una calibración adecuada.

BMP280 es un sensor digital de presión y temperatura de Bosch Sensortec. Tiene un sensor de temperatura interno que compensa las fluctuaciones, asegurando mediciones precisas de la presión. Con un circuito interno, convierte el cambio de resistencia (para presión) y la salida del sensor de temperatura en valores digitales. Está diseñado para medir presión y temperatura simultáneamente.

El elemento sensor de temperatura del BMP280 tiene un rango de -40° a +85° C y una precisión de ±1° C. Interactúa con un microcontrolador a través de un I2C o SPI. El microcontrolador enviará un comando al sensor para iniciar un nuevo ciclo de medición, leyendo los registros de salida del sensor que contienen los valores de presión y temperatura. El valor de temperatura de la salida sin procesar del sensor se puede aislar utilizando fórmulas de conversión o bibliotecas apropiadas.

BME280 es un sensor ambiental digital de Bosch Sensortec que mide presión, temperatura y humedad. El sensor se comunica con microcontroladores a través de I2C o SPI, proporcionando digitalmente el trío de puntos de datos ambientales. El rango de medición de temperatura del sensor varía de -40° a +85° C, con una precisión de ±1° C en todo el rango operativo. El elemento sensor de temperatura tiene una resolución de 0,01 °C. Se trata de un sensor ambiental de baja potencia y alta precisión para los tres puntos de datos. Por lo general, tiene un costo más alto y a menudo requiere calibración.

ADT7410/ADT7412 son sensores de temperatura de salida analógica de Analog Devices. Tienen un termómetro de resistencia de platino (RPT), que utiliza una fina película de platino como elemento sensor de temperatura. El circuito interno aplica una corriente constante al RPT y mide la caída de voltaje resultante. La caída de voltaje es directamente proporcional a la temperatura, lo que proporciona una señal de salida analógica que un ADC puede leer.

• El ADT7410 ofrece un rango de temperatura de -50° a +150° C, con una precisión de ±0,2° C a +25° C y ±0,75° C en todo el rango. Tiene una sensibilidad de salida de 5 mV/°C.
• El ADT7412 ofrece un rango de temperatura de -200° a +200° C, con una precisión de ±0,3° C a +25° C y ±1,0° C en rango completo. Tiene una sensibilidad de salida de 10 mV/°C.

Aunque el ADT7140 ofrece una mayor precisión, el ADT7412 proporciona un rango de temperatura más amplio y un mayor cambio de voltaje de salida por grado. Estos sensores se utilizan en una variedad de aplicaciones, incluido el control de procesos industriales, equipos médicos, protección de alimentos y bebidas, monitoreo aeroespacial y ambiental.

PT100/PT1000 son RTD con una delgada bobina de alambre o película de platino en su núcleo. Se diferencian principalmente en su resistencia nominal a 0°C. El PT100 tiene una resistencia de 100 ohmios a 0°C, mientras que el PT1000 tiene una resistencia de 1000 ohmios a 0°C.

Los sensores reciben una corriente de un circuito externo, que detecta la caída de voltaje en el sensor. La resistencia del sensor, que depende de la temperatura, determina esta caída de tensión. El PT1000 se puede utilizar en configuraciones de dos cables y tiene mayor sensibilidad de salida, normalmente con mayor precisión. El PT100 requiere configuraciones de tres o cuatro cables, pero es más económico y también más pequeño que el PT1000.

SHT3x es una familia de sensores digitales de humedad y temperatura de Sensirion. En el corazón de estos sensores se encuentra un chip de silicio que incorpora la tecnología CMOSens patentada de Sensirion, que proporciona resultados digitales precisos y estables.

La empresa cuenta con sensores dedicados para mediciones de humedad y temperatura. El sensor interactúa con un microcontrolador a través de I2C y viene con una calibración de fábrica. El rango de temperatura del sensor es de -40° a +125° C, con una precisión de ±0,5° C. El SHT35 es la versión automotriz del SHT30/SHT31 con inmunidad al ruido mejorada y un rango de temperatura más amplio. Aunque estos sensores son más caros que muchos otros sensores de temperatura y humedad, están optimizados para un diseño de bajo consumo y ofrecen alta precisión y un tiempo de respuesta rápido.

MLX90614 es un termómetro infrarrojo digital sin contacto de Melexis. El núcleo del sensor es una termopila, un conjunto de termopares que convierten las diferencias de temperatura en voltaje. El MLX90614 enfoca la radiación infrarroja recibida en la termopila y un circuito interno amplifica y procesa la señal de la termopila para calcular la temperatura de un objeto.

Este sensor digital comunica el valor de temperatura digital a través de un I2C o un SMBus a un microcontrolador. Hay dos versiones disponibles:

• MLX90614ESF-BAA tiene un rango de temperatura de -40° a +125° C
• MLX90614ESF-BAB tiene un rango de temperatura de -70° a +380° C

Ambos sensores ofrecen una precisión de ±0,5°C a temperatura ambiente, que disminuye en los extremos.

TMP106/TMP107 son sensores de temperatura con salida digital de Texas Instruments.

• El TMP106 tiene un rango de temperatura de −40° a +125° C, con una precisión típica de ±0,5° C y ±1° C como máximo. El sensor tiene una resolución de 12 bits y se conecta a un microcontrolador mediante un I2C o SMBus.
• El TMP107 tiene un rango de temperatura de -55° a +125° C, con una precisión de ±0,4° C cuando está de -20° a +70° C, ±0,55° C cuando está de -40° a + 100° C, y ±0,55° C cuando está de -40° a +100° C, y ±0,7° C en rango completo. El sensor tiene una resolución de 14 bits y una interfaz SMAART Wire compatible con UART que admite la conexión en cadena de hasta 32 sensores.

En general, el TMP107 ofrece mayor precisión, rango de temperatura más amplio, capacidad de encadenamiento y capacidad de alerta programable. Es adecuado para detección de temperatura a largo plazo, control de procesos industriales, dispositivos médicos y monitoreo distribuido. El TMP106 es adecuado para la detección de temperatura de uso general en entornos industriales, automotrices y de electrónica de consumo.

MAX31855 es un termopar compensado de unión fría a un convertidor digital de Analog Devices. El sensor se conecta a un termopar, un par de metales diferentes que forman una unión de voltaje que varía con la temperatura. Mide la temperatura en la unión de referencia (unión fría) y resta la temperatura de la unión fría del voltaje del termopar, compensando las variaciones de temperatura en el punto de conexión. Los datos de temperatura procesados ​​se proporcionan como un valor con signo de 14 bits a través de una interfaz SPI.

Este sensor admite diferentes tipos de termopares (K, J, N, T, S, R, E) para diversas aplicaciones. Tiene un rango de temperatura de -270° a +1800° C, con una precisión de ±2°C para termopares tipo K Su resolución es de 0,25° C con una salida de 14 bits. MAX31855 Se utiliza en aplicaciones de control de procesos industriales, monitoreo ambiental, generación de energía, automoción, aeroespacial y de defensa.

MLX90632 es un termómetro infrarrojo en miniatura sin contacto de Melexis. Viene en dos versiones:

• MLX90632ESF-BAA es la versión estándar con un rango de temperatura de -40° a +125° C y una precisión típica de ±0,5° C, con reducciones extremas.
• MLX90632ESF-BAB es una versión de grado médico con precisión mejorada para aplicaciones médicas, normalmente alrededor de ±0,2°C pero dentro de un rango estrecho.

Ambas versiones tienen una salida digital que se comunica a través de una interfaz I2C. Estos sensores se utilizan en aplicaciones como automatización inteligente de hogares y edificios, medición de temperatura no invasiva en laboratorios, control de procesos industriales, termómetros de oído y dispositivos portátiles.