Sul mercato sono disponibili numerosi dispositivi per leggere e monitorare la temperatura. Dai semplici termometri alle misurazioni ottiche delle radiazioni dei corpi neri, molti progettisti intelligenti hanno inventato tecniche talvolta semplici e intuitive, altre volte complesse e oscure.
Come è possibile immaginare, il costo di implementazione di un sensore di temperatura o di un circuito di rilevamento limite può essere proporzionale alla precisione necessaria. Ad esempio, può essere necessario che una macchina di precisione per la miscelazione di sostanze chimiche riscaldi una soluzione a un punto esatto e preciso prima della miscelazione in un reagente. Anche le apparecchiature medicali potrebbero dover raggiungere un livello di temperatura specifico prima dell'analisi di un campione di sangue.
Tuttavia, non è fondamentale disporre di misurazioni della temperatura precise in ogni progetto. In molti casi può essere utilizzato un semplice valore approssimativo. Prendiamo, ad esempio, un termostato vecchio stile. Le regolazioni manuali e meccaniche fornivano una misurazione della temperatura dell'ambiente "approssimativa". È sicuramente eccessivo e troppo costoso utilizzare un accurato sistema di sensori di temperatura calibrato e compensato a cinque cifre.
Fortunatamente, è possibile utilizzare una tecnica semplice e comune con diodi standard a basso costo per realizzare un sensore di temperatura relativamente preciso. Ciò dipende dalla caratteristica di una giunzione del semiconduttore in condizioni di polarizzazione inversa. Il flusso di corrente inversa è direttamente proporzionale alla temperatura del silicio. Di conseguenza, una volta polarizzato correttamente, qualsiasi diodo economico è in grado di generare una tensione inversa proporzionale alla relativa temperatura.
Le caratteristiche esatte del circuito dipenderanno dalla scelta del diodo, ma in generale, il rapporto di −x uV/˚C è una risposta tipica di una giunzione di silicio a polarizzazione inversa in base alla temperatura.
La modalità d'uso di queste informazioni dipende dalle singole esigenze. Ad esempio, un finecorsa termico può utilizzare un circuito di polarizzazione con diodo e resistore per alimentare un comparatore (figura 1). Questo cambia stato ad una soglia predefinita consentendo il controllo del riscaldatore, ad esempio per mantenere un intervallo di temperature (in questo caso, viene applicata l'isteresi per evitare oscillazioni irregolari attorno al punto di scatto).
Figura 1: una giunzione del diodo a polarizzazione inversa funge da fonte di corrente (I), la cui corrente è proporzionale a temperatura e tensione. La corrente risultante genera una tensione su un resistore di rilevamento che può essere utilizzato per realizzare questo semplice finecorsa o interruttore di soglia.
Un circuito op-amp più sofisticato è in grado di fornire un punto di calibrazione di livello inferiore o superiore se combinato con un resistore variabile o compensatori digitali (figure 2). Sebbene la risposta della corrente inversa sia piuttosto lineare, si verificheranno variazioni, pertanto è possibile fare riferimento a una tabella di consultazione nel caso si utilizzi un microcontroller integrato e sia necessario individuare una soglia precisa.
Figura 2: è possibile utilizzare trim-pot analogici o compensatori digitali per realizzare un circuito di calibrazione rudimentale che imposta la gamma inferiore e quella superiore della misurazione.
Esistono anche soluzioni di semiconduttori integrati e kit di valutazione per consentire ai progettisti di scegliere un diodo per località remote. Ciò può essere utile poiché molti pacchetti di diodi metallici possono essere montati termicamente su macchinari per la lavorazione dei metalli che devono essere monitorati.
Un kit di esempio di Texas Instruments è il sistema di valutazione e sviluppo LM95235EVAL, in grado di impiegare diodi o transistor come sensori di temperatura. I transistor possono utilizzare il diodo a giunzione dell'emittente del collettore come elemento di rilevamento (figura 3) e molti piccoli pacchetti di diodi metallici che possono anche rappresentare un ottimo attacco termico su un'unità in prova.
Figura 3: sulla base delle caratteristiche termiche di diodo e transistor, IC come LM95235 di Texas Instruments sfrutta il comportamento a polarizzazione inversa di una giunzione P-N per fornire precisione a 11 bit per le misurazioni della temperatura a distanza. (Fonte: Texas Instruments)
Anche se non è preciso e avanzato come una soluzione monolitica integrata calibrata e compensata, il kit di sviluppo TI mostra come ottenere una precisione a 11 bit utilizzando diodi e transistor come sensori di temperatura. In questo modo, è possibile ottenere l'accuratezza necessaria mantenendo bassi i costi.