Existen numerosos dispositivos en el mercado que leen y monitorizan la temperatura. Desde termómetros simples a medidores ópticos de radiación de cuerpo negro, muchos diseñadores inteligentes han inventado técnicas que son desde simples e intuitivas a complejas y difíciles de comprender.
Como se puede imaginar, el costo de implementación de un sensor de temperatura o circuito de detección de límite puede ser proporcional a la precisión necesaria. Por ejemplo, es posible que una máquina de precisión que mezcle productos químicos necesite calentar una solución a un punto exacto antes de mezclar un reactivo. También los equipos médicos pueden necesitar una cierta temperatura antes de analizar una muestra de sangre.
Sin embargo, no es fundamental contar con mediciones de temperatura exactas en todos los diseños. En muchos casos se puede usar un simple valor aproximado. Tomemos, por ejemplo, el caso de un termostato tradicional. Los ajustes manuales y mecánicos brindaban una medición con aguja de la temperatura "aproximada" a la que está una habitación. Sería demasiado excesivo y costoso utilizar un sistema de detección de temperatura de precisión, de cinco dígitos, calibrado y compensado.
Afortunadamente, una técnica simple y habitual que utiliza diodos estándares de bajo coste se puede utilizar para crear un sensor de temperatura relativamente preciso. Esto depende de la característica de una unión de semiconductor bajo condiciones de polarización inversa. El flujo de corriente inversa es directamente proporcional a la temperatura del hardware. Como resultado, una vez polarizado adecuadamente, cualquier diodo de bajo coste puede generar una tensión inversa proporcional a su temperatura.
Las características exactas del circuito dependerán de su elección de diodo, pero en general, la relación de −x uV/˚C es una respuesta típica de una unión de hardware polarizada inversamente con respecto a la temperatura.
La manera en que utilice esta información dependerá de sus necesidades. Por ejemplo, un conmutador de límite térmico puede utilizar un circuito de polarización de diodo y resistencia para alimentar un comparador (Figura 1). Esto cambiará de estado en un umbral predeterminado, lo que permitirá que el control del calentador, por ejemplo, mantenga un rango de temperatura (tenga en cuenta que la histéresis se aplica en este punto para evitar las oscilaciones repentinas alrededor del punto de disparo).
Figura 1: Una unión de diodo con polarización inversa funciona como una fuente de corriente (I) proporcional a la temperatura y la tensión. La corriente resultante generará una tensión en una resitencia que se puede utilizar para crear este simple conmutador de límite o umbral.
Un circuito amplificador operacional más sofisticado puede brindar un punto de calibración de nivel inferior y nivel superior cuando se lo combina con una reistencia variable o con trimmers digitales (Figura 2). Si bien la respuesta de corriente inversa es medianamente lineal, habrá variaciones, por lo que se puede hacer referencia a una tabla de consulta si está utilizando un microcontrolador incorporado y necesita encontrar un umbral riguroso.
Figura 2: Se pueden usar potenciómetros de recorte analógicos o trimmers digitales para crear un circuito de calibración rudimentario que establezca rangos inferiores y superiores de medición.
También existen soluciones de semiconductor integradas y kits de evaluación, que permiten a los diseñadores seleccionar un diodo para ubicación remota. Esto puede resultar útil porque muchos paquetes de diodos metálicos se pueden montar térmicamente en máquinas de metal que se deben monitorizar..
Un ejemplo de kit de Texas Instruments es el sistema de evaluación y desarrollo LM95235EVAL, que puede utilizar diodos o transistores como sensores de temperatura. Los transistores pueden utilizar el diodo de unión colector-emisor como el elemento sensor (Figura 3), y muchos utilizan paquetes de pequeñas latas metálicas que también se pueden servir como un montaje térmico adecuado en una unidad a prueba.
Figura 3: En base a las características térmicas de los diodos y los transistores, los circuitos integrados como el LM95235 de Texas Instruments aprovechan el comportamiento de polarización inversa de una unión P-N para brindar precisiones de 11 bits para las mediciones remotas de temperatura. (Fuente: Texas Instruments)
Si bien el kit de desarrollo de TI no es tan sólido y preciso como una solución monolítica, calibrada, compensada e integrada, muestra de qué manera se puede alcanzar una precisión de 11 bits mediante diodos y transistores como sensores de temperatura. Esto puede brindarle la precisión que necesita para mantener bajos los costes.