SENSORE DI TEMPERATURA A DIODO



 

INTRODUZIONE

Progetto di un sensore di temperatura interamente analogico che utilizza come elemento per la misura della temperatura un comune diodo al silicio.

Il termometro risulta essere oggi lo strumento più diffuso in quanto la grandezza fisica (temperatura) che permette di misurare e’ un parametro che entra in gioco in tanti ambiti ( elettronico, chimico, fisico, ecc). Con questo progetto si vuole presentare un sensore di temperatura attivo che fornisce in uscita una tensione proporzionale alla temperatura misurata. Inoltre, per scopi didattici, sono riportati e spiegate tutte le fasi di progettazione e dimensionamento del circuito e dei suoi componenti compresi i calcoli.

Foto del termometro basato sul diodo

Un po' di teoria.......

Classificazione dei termometri

Esistono diversi tipi di termometri che si differiscono per la loro natura: meccanica, elettronica, chimica. Nel contesto dei termometri elettronici possiamo fare un’ulteriore suddivisione tra termometri analogici e digitali.
I termometri analogici sono dei circuiti di misura in cui l’elaborazione dell' informazione relativa alla temperatura, proveniente dal trasduttore, e’ elaborata con circuiti elettronici analogici e la visualizzazione del valore elaborato mediante strumenti analogici.
In un termometro digitale l’informazione analogica, proveniente dal trasduttore, viene digitalizzata (campionata ed quantizzata ) in una parola a n-bit. Quindi elaborata con circuiti digitali e visualizzata mediante Display / LCD.

Il sensore di temperatura

L’elemento fondamentale che caratterizza un termometro e’ il sensore di temperatura. Si tratta di un trasduttore ovvero di un dispositivo che converte una grandezza fisica (temperatura) in un altra ( resistenza, tensione o corrente). La caratteristica di uscita di un sensore di temperatura e’ la curva che descrive l’andamento della grandezza di uscita in funzione della temperatura. Questa caratteristica può essere lineare o non lineare. Nel caso lineare, il valore della grandezza d’uscita e’ proporzionale alla temperatura che si sta misurando ,mentre nel caso non lineare non ‘e possibile associare una legge di proporzionale tra temperatura e grandezza di uscita. Nel caso lineare risulta molto più semplice misurare la temperatura mentre nel caso non lineare (in genere si hanno caratteristiche logaritmiche) si hanno complicazioni circuitali sia in ambito digitale che analogico.

I sensori di temperatura possono essere suddivisi in attivi e passivi.
 I sensori attivi sono dei circuiti che per funzionare hanno bisogno di essere alimentati elettricamente e la loro uscita e’ l’uscita di un circuito che elabora l’informazione proveniente dal trasduttore. In tal caso la relazione ingresso uscita e’ di tipo lineare.
I sensori passivi sono quelli che non hanno necessità di alimentazione e la loro uscita e’ funzione del processo fisico che si utilizza per la conversione della temperatura. Tipicamente la la relazione ingresso uscita e’ non lineare. Esempio di sensori passivi sono i termistori PTC e NTC.
I termistori PTC sono elementi resistivi dotati della particolarità di presentare un elevato coefficiente di temperatura positivo, ovvero con l'aumentare della temperatura esterna aumenta notevolmente il valore della resistenza. Infatti la sigla PTC sta a significare: (Positive - Temperature - Coefficient)
I termistori PTC sono costituiti da un materiale ceramico dotato di proprietà semiconduttrici.
I termistori NTC (Negative - Temperature - Coefficient) sono elementi resistivi caratterizzati da un elevato coefficiente di temperatura negativo e si comportano quindi in modo del tutto opposto a quello dei termistori PTC. In pratica, quindi, all'aumentare della temperatura, in essi diminuisce notevolmente il valore della resistenza ohmica.
I termistori NTC sono internamente composti da una miscela di ossidi metallici, trattati chimicamente in modo da presentare proprietà semiconduttrici, i quali vengono pressati assieme ad un legante plastico e sinterizzati ad alta temperatura. Il valore nominale della resistenza viene normalmente valutato alla temperatura di 25°C. Pertanto, ai fini dell'impiego pratico del componente, e’ assai utile conoscere la variazione della resistenza al variare della temperatura; la dipendenza tra questi due parametri e’ di tipo logaritmico. Per le loro caratteristiche, i termistori di tipo NTC vengono utilizzati in numerose applicazioni: nella misura e nella regolazione della temperatura, nella misura del flusso di gas e liquidi, nella compensazione del coefficiente di temperatura di bobine ed avvolgimenti, nella temporizzazione dei rele' e nella compensazione dei circuiti transistorizzati.