سنسورهای دما معمولاً به ما کمک میکنند تا بدانیم چیزی چقدر گرم یا سرد است. ما حتی برای کاربردهای صنعتی نیز به ابزارهای الکترونیکی مختلفی نیاز داریم. به عنوان مثال، در سیستمهای تهویه مطبوع، اتومبیلها، اجاقها و حتی در تلفن یا ساعت هوشمند خود به آنها نیاز داریم. این سنسورها میتوانند کوچک باشند، اما معمولاً وظیفه مهمی را انجام میدهند. در این مورد، طراحی PCB سنسور دما یک فرآیند حیاتی است.
انواع مختلفی از حسگرهای دما وجود دارد. هر کدام از آنها کاربردهای منحصر به فرد خود را دارند. برخی سریع، برخی قوی و برخی بسیار دقیق هستند. شما باید بر اساس نیازهای پروژه خود، نوع حسگر صحیح را انتخاب کنید.
وقتی در حال ساخت قطعات الکترونیکی با حسگرهای دما هستید، طراحی دقیق PCB نیز ضروری است. تعداد لایهها، عرض مسیر، پوشش لحیم، جنس PCB و سایر عوامل مهم هستند. برای کاربردهای دمای بالا، باید مواد مخصوص را انتخاب کنید. در این مورد، همکاری با تولیدکنندگان متخصص PCB میتواند به شما در اطمینان از قابلیت اطمینان ابزارتان کمک کند.
این مقاله همه چیز را در مورد طراحی PCB حسگر دما توضیح میدهد. با توضیح انواع مختلف حسگرهای دما شروع میشود. بعداً، برخی از مهمترین عواملی که باید هنگام طراحی PCB حسگر دما در نظر گرفته شوند، برجسته خواهد شد.
آشنایی با انواع حسگر دما
ممکن است در مورد انواع سنسورها سوالاتی داشته باشید. چرا انواع مختلفی دارند؟ معمولاً این به عوامل و نیازهای مختلفی بستگی دارد. به عنوان مثال، به دقت، برد و ایمنی و همچنین هزینهها بستگی دارد. هر نوع کارایی خاص خود را دارد. حالا، بقیه در دست شماست؛ نوع را بر اساس نیازها و بودجه خود انتخاب کنید.
سنسورهای دمای سیلیکونی IC
حسگر دمای سیلیکون آیسی نوع رایجی از حسگر دما است. کلمه «سیلیکون» معمولاً از ساختار آن گرفته شده است که بر روی یک تراشه نیمههادی سیلیکونی ساخته شده است. این حسگر عموماً در سه نوع مختلف موجود است.
سنسورهای خروجی منطقی معمولاً وقتی دما به حد مجاز خود میرسد، سیگنالهایی را ارسال میکنند. این سنسورها هنگام اندازهگیری دقت بالایی (±1 درجه سانتیگراد) ارائه میدهند. علاوه بر این، جریان کمتری (600 میکروآمپر) نیز عبور میدهند. این امر باعث میشود که این سنسورها برای استفاده به جای سوئیچهای مکانیکی یا برای کنترلهای ایمنی مناسب باشند.
از سوی دیگر، سنسورهای خروجی ولتاژ، یک مقدار آنالوگ ارسال میکنند که با دما تغییر میکند. در اینجا، ضرایب رایج دما ۶.۲۵ میلیولت بر درجه سانتیگراد، ۱۰ میلیولت بر درجه سانتیگراد یا ۱۹.۵ میلیولت بر درجه سانتیگراد است. محدوده دما بین ۴۰- درجه سانتیگراد و ۱۲۵+ درجه سانتیگراد است. معمولاً، آنها برای حلقههای کنترل و دستگاههای قابل حمل مناسب هستند.
در نهایت، سنسورهای خروجی سریال، دادهها را در سیستمهای ارتباطی دیجیتال ارائه میدهند. این سنسورها از رابطی مانند استانداردهای I²C، SMBus یا SPI برای نمایش دادهها استفاده میکنند. میزان دقت آنها به طور قابل توجهی پایینتر است، معمولاً حدود ±0.5 درجه سانتیگراد. به همین دلیل است که این سنسور به طور گسترده در رایانهها و لوازم الکترونیکی مصرفی استفاده میشود.
ترموکوپل
ترموکوپلها از دو ماده ساخته شدهاند. آنها حسگرهای دما هستند که ولتاژ ایجاد میکنند. با استفاده از دو سیم غیرمشابه و اتصال آنها در یک نقطه اتصال، ولتاژی تولید میشود. در این حالت، ولتاژ با تغییرات دما تغییر میکند. محدوده دمایی قابل تحمل بسیار زیاد است. میتواند دما را از -200 درجه سانتیگراد تا 1800 درجه سانتیگراد تحمل کند. عمدتاً، محدودهها به انواع خاصی که استفاده میکنیم بستگی دارند.
در مورد کاربردها، میتوان به کورهها، موتورها و کنترل صنعتی اشاره کرد. تقویت سیگنال، اصلاح اتصال و فیلتر EMI از اجزای کلیدی طراحی ترموکوپل هستند.
RTD ها
RTDها (آشکارسازهای دمای مقاومتی) نوع خاصی از حسگرها هستند. این حسگرها دما را در مدارهای الکتریکی در برابر مقاومت تشخیص میدهند. این مقاومتها از فلز، معمولاً پلاتین، ساخته میشوند. این PCBهای حسگر دمای دیجیتال به دلیل دقت و صحت خود بسیار شناخته شدهاند.
RTD ها میتوانند گرما را در محدودهی ۲۰۰- درجه سانتیگراد تا ۸۵۰ درجه سانتیگراد کنترل کنند. اگرچه این محدوده میتواند بسته به بخش متفاوت باشد. کاربردهای معمول آن شامل HVAC، تجهیزات آزمایشگاهی، نیروگاهها و کنترل فرآیندهای صنعتی است. علاوه بر این، برای اندازهگیریهایی که پایداری و تکرارپذیری ضروری است، ایدهآل است.
ترمیستورها (NTC/PTC)
سنسورهای ترمیستور به دما حساس هستند. این سنسور با تغییر مقاومت الکتریکی خود عمل میکند که به آن امکان اندازهگیری تغییرات دما را میدهد. در کجا باید از این سنسور استفاده کنید؟ برای بردهای مدار چاپی کوچک و مقرون به صرفه، این یک انتخاب ایدهآل است. همچنین، میتوانید از آن برای اندازهگیری دقیق دما استفاده کنید. علاوه بر این، دارای پاسخ حرارتی تا -100Ω/°C در دمای 25 درجه سانتیگراد است.
این قطعه عموماً در دو نوع عرضه میشود. یکی NTC و دیگری PTC. با NTC (ضریب دمایی منفی)، میتوانید در محدوده دمایی -55 درجه سانتیگراد تا +200 درجه سانتیگراد کار کنید. برخی از NTC های تخصصی میتوانند در دمای تقریباً صفر درجه سانتیگراد، مانند -273.15 درجه سانتیگراد، کار کنند.
از سوی دیگر، PTC ها برای محافظت در برابر سرریز جریان ها استفاده می شوند. به طور معمول، محدوده دمایی از 60 درجه سانتیگراد تا 120 درجه سانتیگراد برای عملکرد بهتر است.
ملاحظات طراحی PCB سنسور دما
طراحی یک سنسور دمای PCB نیاز به برنامهریزی دقیق دارد. یک اشتباه کوچک در طرحبندی یا اتصال زمین میتواند منجر به خواندن نادرست شود. به همین دلیل است که باید با یک طراح PCB ماهر یا یک سازنده PCB مورد اعتماد همکاری کنید. آنها معمولاً میدانند چگونه نویز برق را مدیریت کنند، تداخل را کاهش دهند و قطعات را در مکان صحیح قرار دهند.
طراحی ضعیف ممکن است بر پاسخهای حسگر تأثیر بگذارد. همچنین میتواند به قطعات آسیب برساند یا حتی باعث خرابی در استفاده در دنیای واقعی شود. در این حالت، طراحی با کیفیت بالا معمولاً عملکرد پایدار و قابلیت اطمینان طولانی مدت را تضمین میکند. چه برای ماشینهای صنعتی و چه برای لوازم الکترونیکی مصرفی به آن نیاز داشته باشید، طراحی حرفهای PCB تفاوت بزرگی ایجاد میکند.
ملاحظات طراحی چیدمان PCB
برای طراحی طرح PCB، چند اقدام اساسی وجود دارد که باید در نظر گرفته شوند. اگر این دستورالعملها در طول فرآیند رعایت نشوند، ممکن است مشکلاتی ایجاد شود. بنابراین، برای جلوگیری از آنها، مطمئن شوید که این ملاحظات طراحی را رعایت کردهاید.
منبع تغذیه و زمین
سنسورهای دمای IC از مدارهای آنالوگ استفاده میکنند که به نویز منبع تغذیه حساس هستند. بنابراین، یک خازن با ظرفیت 0.1 میکروفاراد تا 1 میکروفاراد را نزدیک پینهای منبع تغذیه VSS یا VDD قرار دهید. این کار به محافظت در برابر اشتباهات منبع تغذیه کمک میکند و نویز گذرا را کند میکند. اگر میخواهید اثربخشی خازن را افزایش دهید، میتوانید یک مقاومت را به صورت سری اضافه کنید. این مقاومت یک فیلتر RC برای کاهش نویز تشکیل میدهد.
به این ترتیب، اتصال زمین مناسب و مسیر بازگشت کوتاه، دقت و پایداری را بهبود میبخشد.
یکپارچگی سیگنال و کاهش نویز
یک سنسور آنالوگ ممکن است از منابع خارجی یا ردپاها نویز ایجاد کند. برای جلوگیری از این امر، ممکن است لازم باشد یک خازن اضافی به خروجی اضافه کنید. به این ترتیب، میتوانید فراجهش یا فروجهش را به حداقل برسانید.
برخی از میکروچیپها میتوانند بارهای خازنی بزرگی را هدایت کنند، که آنها را برای مسیرهای طولانی PCB مناسب میکند. برای RTDها و ترموکوپلها، فیلترهای EMI را در مرحله اول در نقطه ورودی اضافه کنید.
اگر میخواهید تقویت سیگنالهای کوچک را بهبود بخشید، از تقویتکنندههای با آفست کم و CMRR بالا استفاده کنید. نمونههایی از این تقویتکنندهها، تقویتکنندههای اتو-صفر یا چاپر هستند.
ملاحظات حرارتی
محل قرارگیری سنسور نیز بر دقت گرما یا دما تأثیر میگذارد. بنابراین، نباید سنسورها را نزدیک تنظیمکننده، تقویتکننده یا سایر منابع گرما قرار دهید. برای ترموکوپلها از اتصال سرد استفاده کنید. این به شما کمک میکند تا دمای مرجع را به راحتی حس کنید.
از استفاده از لایههای مسی در زیر سنسورها خودداری کنید، همانطور که میدانید، مس رسانای بسیار خوبی است. مس ممکن است گرما را منتقل کند و باعث خطا شود. گاهی اوقات، این مشکلات میتوانند عملکرد برد را نیز مختل کنند. به همین دلیل، ایزولاسیون حرارتی برای حفظ پایداری در یک طراحی حساس ضروری است.
جایگذاری و مسیریابی قطعات
قرارگیری صحیح قطعات، احتمال خطا و نویز را کاهش میدهد. بنابراین، مطمئن شوید که خازنهای جداکننده در کنار پینهای تغذیه سنسور قرار گرفتهاند. برای سنسورهای خروجی آنالوگ، تمام مسیرهای سیگنال را از خط سیگنال دور نگه دارید. این کار به شما کمک میکند از تداخل جلوگیری کنید.
برای RTDها یا ترموکوپلها، از فیلترهای RC متقارن در ورودیهای مختلف استفاده کنید تا حذف نویز حفظ شود. برای دقت، مقاومتهای مرجع دقیق RTD باید از اتصالات کلوین استفاده کنند. تقویتکنندهها و PGAها را نزدیک سنسور قرار دهید تا طول مسیر به حداقل برسد.
تست و کالیبراسیون سنسورهای دما روی PCB
برای دقت، آزمایش و کالیبراسیون سنسورهای دما روی PCB ضروری است. با شروع آزمایش عملکردی، بررسی میشود که آیا سنسور سیگنالهای مناسبی ارائه میدهد یا خیر. معمولاً این آزمایش در شرایط عادی انجام میشود.
آزمایش محیطی نیز بخش اساسی آن است. این آزمایش، مناسب بودن و پایداری برد را در دماهای مختلف نشان میدهد. در طول کالیبراسیون، مقادیر خوانده شده از حسگرها با دمای استاندارد مقایسه میشوند. در این حالت، میتوانید مواردی را تنظیم کنید تا خطا به حداقل برسد. همچنین میتوانید آن را از نظر تکرارپذیری و زمان پاسخ آزمایش کنید. در موارد خاص، آزمایشهایی برای رطوبت و لرزش وجود دارد. به طور کلی، آزمایش مناسب میتواند به شما در دستیابی به بهترین نتیجه از PCBها کمک کند.
خلاصه
بیایید بحث را خلاصه کنیم. طراحی PCB سنسور دما نیاز به توجه دقیق شما دارد. همانطور که میدانید، برخی از سنسورهای دما برای دماهای معمولی ساخته شدهاند، در حالی که برخی دیگر برای شرایط بحرانی هستند. شما باید سنسور مناسب را برای پروژه خود انتخاب کنید.
وقتی این سنسورها را به PCB اضافه میکنید، باید به رعایت معیارهای طراحی نیز توجه کنید. طرحبندی نادرست میتواند خوانشهای نادرستی ارائه دهد یا ممکن است راهحل بادوامی به شما ارائه ندهد.
عملکرد ضعیف محصول همچنین بر رضایت مشتری تأثیر میگذارد. ممکن است دیگر مشتری نداشته باشید که این امر بر اعتماد کسب و کار شما تأثیر میگذارد. بنابراین، همیشه عاقلانه است که یک سازنده PCB متخصص انتخاب کنید. آنها میدانند چگونه نویز را کاهش دهند و سیگنالها را تمیز نگه دارند. همچنین باید حسگرها را پس از ساخت PCB آزمایش کنید تا از عملکرد صحیح آنها اطمینان حاصل شود.
اگر به PCB سنسور دما علاقهمند هستید، UETPCB میتواند در این پروژه به شما کمک کند. برای اطلاعات بیشتر، لطفاً تماس تیم پشتیبانی مشتری ما.