Sensores de temperatura de silicio

Los sensores de silicio, figura 8.18, son circuitos integrados que aprovechan la variación predecible del voltaje de la unión base-emisor (VBE) de los transistores bipolares para realizar mediciones confiables y exactas de temperatura. Se caracterizan por su pequeño tamaño y son especialmente apropiados para aplicaciones de medición y control de temperatura en el rango de –55°C a +150°C. Además, no requieren de etapas de linealización, amplificación ni compensación externas debido a que incorporan en la misma pastilla sus propios circuitos de procesamiento de señales.

Figura 8.18 Transductor de temperatura de silicio representativo. El dispositivo mostrado (LM56), es fabricado por National Semiconductor (www.natsemi.com) detecta temperaturas entre –55°C y + 150°C y ofrece una salida digital on-off.
La mayoría de sensores de silicio proporcionan como sa¬lida un voltaje que varía linealmente con la temperatura en grados Kelvin (°K), Celsius (°C) o Fahrenheit (°F). Algunos ejemplos representativos son el LM34, el LM35, el LM135 y el LM50, todos ellos de National Semiconductor y con una sensibilidad nominal de 10mV por grado. El LM50, en particular, tiene incorporado intencionalmente un offset DC de +500 mV para facilitar la medición de temperaturas negativas en sistemas de fuen¬te sencilla. También se dispone de sensores con salida por corriente. Dos ejemplos repre¬sentativos son el LM334 y el AD590, cuyas sensibilidades típicas son 1 mA/°K y 1μA/°K, respectivamente.
La integración de circuitos de procesamiento en los sensores de temperatura de silicio elimina también, en muchos casos, la necesidad de comparadores o de convertidores A/D externos para convertir la salida análoga a un nivel lógico o un código digital. Los sensores de salida por comparador, en particular, son muy útiles para detectar condiciones de falla, impulsar calefactores o enfriadores, y otras aplicaciones de control y alarma. En la figura 8.19, por ejemplo, se muestra un sencillo circuito de control para un ventilador utilizando un sensor de salida por com¬parador LM56. Los voltajes de referencia para los comparadores internos son determi¬nados por R1-R3.
En este caso, las salidas OUT1 (pin 7) y OUT2 (pin 6) se hacen bajas, respectivamente, cuando se exceden el primer y segundo umbral de temperatura fijados. En el primer caso, se energiza el ventilador de enfriamiento, mientras que en el segundo se produce una señal de corte o shutdown para impedir el daño del sistema. También se dispone de sensores monolíticos inteligentes, con un nivel de integración más elevado, los cuales incluyen convertidores AID, multiplexores, referencias de voltaje, entradas/salidas digitales, lógica de detección de fallas, registros para el almacenamiento de datos e instrucciones, y otras funciones.

Un ejemplo representativo de sensores de este tipo es el LM75, dotado de un convertidor A/D delta-sigma de 9 bits, el cual proporciona una resolución de 0,5°C por bit para mediciones de temperatura desde –25°C hasta +150°C. También posee una interfaz digital de dos hilos compatible con FC y una salida de drenador abierto, configurable como línea de interrupción, que indica cuando los umbrales de temperatura programados han sido excedidos. Adicionalmente, hay tres pines de selección que permiten direccionar hasta 8 sensores del mismo tipo sobre un mismo bus de dos hilos.

Sensores de temperatura infrarrojos

Los sensores de temperatura infrarrojos (IR), figura 8.16, denominados también pirómetros de radiación, son dispositivos de no contacto que miden indirectamente la temperatura de cuerpos calientes a partir de la radiación térmica emitida en forma natural por los mismos. Se utilizan en los casos en los cuales resulta imposible o peligroso el uso de un termistor, una termocupla u otro tipo de sensor de contacto. Es el caso, por ejemplo, de procesos industriales donde se manejan temperaturas muy superiores a las del punto de fusión del transductor, de cuerpos calientes muy pequeños, inaccesibles o en movimiento, de atmósferas de alto voltaje o que deben permanecer libres de contaminación, etc.


Los sensores IR están basados en el concepto de que todos los cuerpos, a temperaturas por encima del cero absoluto (-273.50C), producen radiación térmica en cantidad dependiente de su temperatura y sus propiedades físicas. Esta energía se incrementa a medida que el objeto se toma más caliente y puede ser evaluada a partir de la siguiente fórmula:

En esta expresión, denominada la Ley de Stefan-Boltzman, W representa la energía térmica total radiada por el cuerpo en todas las longitudes de onda, ε es la emisividad propia del cuerpo, σ la llamada constante de Stefan-Boltzman (5,6697 x 10-12 W/cm2K4) y T la temperatura absoluta del cuerpo radiante (°K). En este principio se basan los pirómetros de radiación total o de banda ancha, figura 8.17a, los cuales miden la energía emitida, reflejada y transmitida.
La superficie ideal para mediciones infrarrojas es un cuerpo negro, es decir un objeto con una emisividad igual a 1, lo cual implica que absorbe toda la energía incidente y emite radiación térmica en todas las longitudes de onda. La mayoría de objetos, sin embargo, no son radiadores tan perfectos, sino que reflejan y/o transmiten una porción de la energía que reciben, es decir tienen una emisividad inferior a 1, la cual depende de la longitud de onda, la temperatura, el estado físico y la constitución química de la superficie.
En general, entre más alta sea la emisividad de un objeto, más fácil es obtener una medición precisa de su temperatura por métodos infrarrojos.
En los sensores IR prácticos, figura 8.17b, la energía emitida, que es la que indica realmente la temperatura de un objeto, se captura mediante un detector apropiado, precedido de un sistema óptico, se amplifica y procesa mediante circuitos electrónicos

Figura 8.17 Los sensores de temperatura IR leen la energía reflejada, transmitida o emitida desde un objeto. Únicamente la energía emitida indica la temperatura del mismo
(a) Principio de funcionamiento.
(b) Estructura funcional

La función de la óptica es concentrar la energía y limitar la influencia de la radiación proveniente de otras fuentes distintas del objeto bajo medida. Esta es la parte más crítica del sistema y la que determina el campo de vista (FOV) de la unidad.
El detector, por su parte, se encarga de convertir la energía IR a una variable eléctrica medible, es decir un voltaje, una corriente o una resistencia equivalente. Incluye típicamente un filtro espectral para limitar la energía a una banda estrecha.
El amplificador debe resolver y amplificar las débiles señales de salida enviadas por el detector, las cuales pueden ser, por ejemplo, del orden de 1 mV/°C. Una vez obtenida una señal estable y manejable, la misma debe ser linealizada, es decir convertida en una función lineal de la temperatura y representada como una corriente de 4-20 mA, un voltaje de 0-5 V, una señal digital, etc.
Actualmente se dispone también de sensores de temperatura IR inteligentes, los cuales pueden ser programados para comunicarse entre sí y con computadoras en una planta de manufactura. De este modo se facilita el direccionamiento, la configuración, la actualización y el mantenimiento de las unidades desde sitios remotos durante su instalación y operación.