Les capteurs de température nous permettent généralement de connaître la température d'un objet. Ils sont indispensables à de nombreux appareils électroniques, même dans le secteur industriel. On les retrouve par exemple dans les climatiseurs, les voitures, les fours, et même dans nos téléphones et montres connectées. Ces capteurs peuvent être minuscules, mais ils remplissent généralement une fonction essentielle. Dans ce contexte, la conception du circuit imprimé du capteur de température est une étape cruciale.
Il existe différents types de capteurs de température. Chacun a ses propres applications. Certains sont rapides, d'autres robustes et d'autres encore très précis. Vous devez choisir le type de capteur adapté aux besoins de votre projet.
Lors de la fabrication de dispositifs électroniques intégrant des capteurs de température, la conception du circuit imprimé (PCB) doit être réalisée avec soin. Le nombre de couches, la largeur des pistes, les masques de soudure, le matériau du PCB et tous les autres facteurs sont déterminants. Pour les applications à haute température, il est indispensable d'opter pour des matériaux spécifiques. Dans ce cas, collaborer avec des fabricants de PCB expérimentés vous permettra de garantir la fiabilité de votre dispositif.
Cet article explique en détail la conception des circuits imprimés pour capteurs de température. Il commence par présenter les différents types de capteurs, puis met en lumière les facteurs essentiels à prendre en compte lors de leur conception.
Comprendre les types de capteurs de température
Vous vous posez peut-être des questions sur les différents types de capteurs. Pourquoi en existe-t-il autant ? Généralement, cela dépend de plusieurs facteurs et besoins. Par exemple, la précision, la portée, la sécurité et le coût sont des critères importants. Chaque type présente des avantages spécifiques. À présent, le choix vous appartient : sélectionnez le type de capteur qui correspond à vos besoins et à votre budget.
Capteurs de température à circuit intégré en silicone
Un capteur de température à circuit intégré en silicium est un type courant de capteur de température. Le terme « silicium » provient généralement de sa structure, puisqu'il est réalisé sur une puce semi-conductrice en silicium. Il en existe généralement trois types différents.
Les capteurs à sortie logique émettent généralement un signal lorsque la température atteint ses limites. Ces capteurs offrent une grande précision de mesure (±1 °C) et consomment un faible courant (600 µA), ce qui les rend adaptés à une utilisation en remplacement d'interrupteurs mécaniques ou pour des applications de sécurité.
Les capteurs à sortie de tension, quant à eux, délivrent une valeur analogique qui varie en fonction de la température. Les coefficients de température courants sont de 6.25 mV/°C, 10 mV/°C ou 19.5 mV/°C. Leur plage de température de fonctionnement s'étend de -40 °C à +125 °C. Ils sont généralement utilisés dans les boucles de régulation et les appareils portables.
Enfin, les capteurs à sortie série fournissent des données aux systèmes de communication numérique. Ils utilisent une interface telle que les normes I²C, SMBus ou SPI pour afficher ces données. Leur précision est nettement inférieure, généralement de l'ordre de ±0.5 °C. C'est pourquoi ces capteurs sont largement utilisés dans l'informatique et l'électronique grand public.
Thermocouples
Les thermocouples sont composés de deux matériaux. Ce sont des capteurs de température qui génèrent une tension. Deux fils conducteurs de viscosités différentes, reliés en un point de jonction, produisent une tension qui varie en fonction de la température. Leur plage de températures de fonctionnement est très étendue : de -200 °C à 1 800 °C. Cette plage dépend principalement du type de thermocouple utilisé.
Quant aux applications, elles concernent les fours, les moteurs et le contrôle industriel. L'amplification du signal, la correction de jonction et le filtrage des interférences électromagnétiques sont des éléments clés de la conception des thermocouples.
RTD
Les RTD (détecteurs de température à résistance) sont un type particulier de capteur. Ils mesurent la température aux bornes d'une résistance dans les circuits électriques. Ces résistances sont généralement en platine. Ces capteurs de température numériques intégrés aux circuits imprimés sont réputés pour leur précision.
Les RTD permettent de contrôler la chaleur dans une plage de -200 °C à 850 °C, bien que cela puisse varier selon le secteur. On les retrouve généralement dans les systèmes de chauffage, ventilation et climatisation (CVC), les équipements de laboratoire, les centrales électriques et le contrôle des procédés industriels. De plus, elles sont idéales pour les mesures exigeant stabilité et répétabilité.
Thermistances (NTC/PTC)
Les capteurs à thermistance sont sensibles à la température. Leur fonctionnement repose sur la variation de leur résistance électrique, ce qui leur permet de mesurer les variations de température. Ce capteur est idéal pour les circuits imprimés de petite taille et offre un excellent rapport qualité-prix. Il permet également des mesures de température précises et présente une réponse thermique jusqu'à -100 Ω/°C à 25 °C.
Il en existe généralement deux types : les CNT et les CPT. Les CNT (à coefficient de température négatif) fonctionnent dans une plage de températures allant de -55 °C à +200 °C. Certaines CNT spécialisées peuvent fonctionner à des températures proches du zéro absolu, comme -273.15 °C.
En revanche, les CTP servent à protéger contre les surintensités. Leur fonctionnement est généralement optimal dans une plage de températures comprise entre 60 °C et 120 °C.
Considérations relatives à la conception des circuits imprimés pour capteurs de température
La conception d'un capteur de température pour circuit imprimé exige une planification rigoureuse. Une petite erreur d'implantation ou de mise à la terre peut entraîner des mesures inexactes. C'est pourquoi il est essentiel de collaborer avec un concepteur de circuits imprimés qualifié ou un fabricant de circuits imprimés de confiance. Ces professionnels savent généralement gérer les perturbations électriques, réduire les interférences et positionner les composants de manière optimale.
Une conception médiocre peut affecter la réactivité des capteurs. Elle risque également d'endommager les composants, voire de provoquer une panne en conditions réelles d'utilisation. Dans ce cas, une conception de haute qualité garantit généralement des performances stables et une fiabilité à long terme. Que ce soit pour des machines industrielles ou des appareils électroniques grand public, une conception professionnelle des circuits imprimés fait toute la différence.
Considérations relatives à la conception de la disposition des circuits imprimés
Pour la conception de circuits imprimés, plusieurs points essentiels sont à prendre en compte. Le non-respect de ces instructions peut entraîner des problèmes. Par conséquent, assurez-vous d'avoir bien pris en compte ces considérations de conception.
Alimentation électrique et mise à la terre
Les capteurs de température intégrés utilisent des circuits analogiques sensibles aux perturbations de l'alimentation. Il est donc conseillé de placer un condensateur de 0.1 µF à 1 µF à proximité des broches d'alimentation VSS ou VDD. Cela permet de se prémunir contre les erreurs d'alimentation et d'atténuer les perturbations transitoires. Pour optimiser l'efficacité du condensateur, il est possible d'ajouter une résistance en série. Celle-ci constituera un filtre RC pour la réduction du bruit.
Ainsi, une mise à la terre correcte et un trajet de retour court améliorent la précision et la stabilité.
Intégrité du signal et réduction du bruit
Un capteur analogique peut générer du bruit provenant de sources externes ou de pistes parasites. Pour éviter cela, il peut être nécessaire d'ajouter un condensateur supplémentaire en sortie. Ainsi, vous minimiserez le dépassement ou le sous-dépassement.
Certains microprocesseurs peuvent gérer des charges capacitives importantes, ce qui les rend adaptés aux pistes de circuits imprimés longues. Pour les sondes RTD et les thermocouples, il est recommandé d'ajouter des filtres EMI au premier étage, au niveau de l'entrée.
Pour améliorer l'amplification des signaux faibles, utilisez des amplificateurs à faible décalage et à CMRR élevé. On peut citer comme exemples les amplificateurs à auto-zéro ou à hacheur.
Considérations thermiques
L'emplacement du capteur influe également sur la précision de la mesure de la température. Il est donc déconseillé de placer les capteurs à proximité du régulateur, de l'amplificateur ou d'autres sources de chaleur. Utilisez une jonction froide pour les thermocouples ; cela facilitera la mesure de la température de référence.
Évitez d'utiliser des couches de cuivre sous les capteurs, car, comme vous le savez, le cuivre est très conducteur. Il peut conduire la chaleur et provoquer des erreurs. Parfois, ces problèmes peuvent également nuire aux performances de la carte. C'est pourquoi l'isolation thermique est essentielle pour garantir la stabilité d'une conception sensible.
Placement et routage des composants
Un bon positionnement des composants réduit les risques d'erreurs et de captation de bruit. Assurez-vous donc que les condensateurs de découplage soient placés à proximité des broches d'alimentation du capteur. Pour les capteurs à sortie analogique, veillez à ce que toutes les pistes de signal soient éloignées de la ligne de signal afin d'éviter les interférences.
Pour les RTD ou les thermocouples, utilisez des filtres RC symétriques sur différentes entrées afin de garantir une bonne réjection du bruit. Pour une précision optimale, les résistances de référence de précision des RTD doivent être connectées en Kelvin. Placez les amplificateurs et les PGA à proximité du capteur afin de minimiser la longueur des pistes.
Tests et étalonnage des capteurs de température sur circuit imprimé
Pour plus de précision, il est essentiel de tester et d'étalonner les capteurs de température sur le circuit imprimé. Le test fonctionnel permet de vérifier que le capteur délivre des signaux corrects. Ce test est généralement réalisé dans des conditions normales.
Les tests environnementaux constituent également une étape essentielle. Ils permettent de vérifier l'adéquation et la stabilité de la carte à différentes températures. Lors de l'étalonnage, les relevés des capteurs sont comparés à une température de référence. Ceci permet d'ajuster les paramètres afin de minimiser les défauts. On peut également tester la répétabilité et le temps de réponse. Dans certains cas, des tests d'humidité et de vibrations sont effectués. En définitive, des tests appropriés garantissent des performances optimales des circuits imprimés.
Résumé
Résumons la discussion. La conception du circuit imprimé du capteur de température requiert une attention particulière. Comme vous le savez, certains capteurs sont conçus pour des températures normales, tandis que d'autres sont destinés à des conditions extrêmes. Vous devez choisir le capteur adapté à votre projet.
Lors de l'intégration de ces capteurs sur un circuit imprimé, il est impératif de respecter les critères de conception. Une disposition inadéquate peut entraîner des mesures erronées ou compromettre la durabilité de la solution.
Des performances produit médiocres affectent également la satisfaction client. Vous risquez de perdre des clients fidèles, ce qui nuira à la confiance envers votre entreprise. Par conséquent, il est toujours judicieux de choisir un fabricant de circuits imprimés expert. Il saura comment réduire le bruit et garantir la pureté des signaux. Il est également important de tester les capteurs après la fabrication du circuit imprimé afin de s'assurer de leur bon fonctionnement.
Si vous êtes intéressé par un circuit imprimé pour capteur de température, UETPCB est à votre disposition pour vous accompagner dans votre projet. Pour plus d'informations, n'hésitez pas à contacter notre service client.