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Cuando necesitan agregar control de temperatura a un proyecto, muchos piratas informáticos recurren a un termopar tipo K para sus necesidades de alta temperatura, o un CI integrado con sensor de temperatura cuando no hace tanto calor. El termopar depende de corrientes muy pequeñas y una ganancia extremadamente alta, y prácticamente se necesita un IC dedicado para leerlo, lo que puede resultar costoso. Los circuitos integrados no son tan caros, pero básicamente se limitan a hervir agua. ¿Qué haces si quieres controlar un horno de reflujo?

Existe una forma más económica que abarca un rango entre el invierno antártico y la soldadura fundida, y probablemente ya tenga las piezas en su estante. Incluso si no lo hace, solo le costará dos centavos adicionales, suponiendo que ya tenga un microcontrolador con un ADC en su proyecto. La lista de materiales: un diodo simple y una resistencia.

He estado usando diodos como sensores de temperatura en tres proyectos durante el último año: uno es un tostador de café que eleva los granos a 220 °C en aire caliente, otro es una placa calefactora de reflujo que alcanza un máximo de alrededor de 210 °C, y el El tercero es una plancha de transferencia de tóner que mantiene una temperatura muy estable de 130 °C. En todos estos casos, realmente no me importa el valor numérico real de la temperatura (lo único que importa es la reproducibilidad), así que nunca me molesté en calibrar nada. Pensé en hacerlo bien para La-Tecnologia e intentar llevar el humilde diodo al límite para la ciencia.

El resultado fue un incendio de PCB, circuitos de prueba que se desoldaban por encima de los 190 °C, sondas de temperatura que se soltaban y, finalmente, un molde roto y aceite de maní a 200 °C por todo mi escritorio. ¡Tiempos divertidos! Por otro lado, logré obtener suficientes datos para calibrar algunos diodos y los resultados son fantásticos. Los circuitos bajo prueba incluyeron tanto las mejores prácticas como lo más fácil que podría funcionar, y los resultados son bastante parecidos. Esta es definitivamente una técnica que querrás tener en tu haber para la mayoría de los rangos de temperatura. El diablo está en los detalles, por supuesto, ¡así que sigue leyendo!

Todos sabemos cuál es la caída de voltaje directo de un diodo de silicio común y corriente, ¿verdad? 0,6 V o 0,7 V más o menos, y eso es suficiente para muchos cálculos basados ​​en servilletas. Pero esta caída de voltaje depende de dos factores principales: la corriente que pasa a través del diodo y la temperatura. Si mantiene fija la corriente y lee el voltaje directo, tendrá un sensor de temperatura. Si bien puede variar un poco entre diodos, calcule una respuesta de -2 mV/°C.

Mantener la corriente “fija” puede ser tan simple como usar una resistencia: debido a que el voltaje directo del diodo no cambia mucho, la corriente a través de la resistencia es casi constante. Todo lo que tienes que hacer es decidirte por un valor de resistencia adecuado. El siguiente paso es construir un suministro de corriente constante a partir de dos transistores. Pruebo ambos métodos aquí.

Aunque esto no es ninguna novedad. El siguiente paso en complejidad, utilizado por la mayoría de los chips sensores de temperatura de circuitos integrados, es el "sensor de temperatura de banda prohibida de silicio". En lugar de un diodo, se utilizan dos transistores y las imperfecciones del modo común se cancelan con un amplificador operacional. Esto funciona muy bien en un circuito integrado, donde los dos transistores pueden ser casi idénticos y estar a la misma temperatura, pero para fines de bricolaje, agrega más complejidad de la que vale. Aquí encontrará un documento técnico si desea profundizar en los detalles.

Sin embargo, en lugar de aspirar a una precisión que se mide en fracciones de grado, me interesa calcular cuán precisas pueden ser las soluciones de hackers caseras más simples. ¿Qué se gana agregando una fuente real de corriente constante? ¿Vale la pena? Vamos a averiguar.

Tomé siete diodos, seis 1N4148 y un 1N4002, y los calenté junto con un termopar tipo K y un multímetro Fluke bastante bueno que lo lee. El 1N4148 es un diodo de pequeña señal estándar y viene en una caja de vidrio que no se derrite: es perfecto para nuestros propósitos. A tres de los 1N4148 se les suministró corriente a través de una resistencia de 10 kΩ, simplemente porque es un buen valor medio y quería evaluar la variabilidad de diodo a diodo. Se eligieron otros dos valores de resistencia, 3,3 kΩ y 100 kΩ, que abarcan aproximadamente el rango razonable de corrientes.

Emparejé el 1N4002, un diodo rectificador de alto voltaje y alta corriente, con una resistencia de 10 kΩ para ver qué efecto tenía un tipo de diodo diferente. Finalmente, el último 1N4148 fue impulsado por un circuito de corriente constante, sacado directamente de Art of Electronics, que suministró 50 μA bastante sólidos.

Se programó un microcontrolador STM32 para tomar lecturas de cada uno de los diodos cada vez que escribía una temperatura. Si tuviera un multímetro de registro, esto podría ser mucho menos aburrido. Tal como estaban las cosas, esperé a que la temperatura de referencia mostrada alcanzara un valor uniforme de cinco grados y lo escribí en el STM32, que leyó los siete ADC e imprimió todos estos valores a través del puerto serie. Así que calentaba todos los diodos, registraba los datos en mi computadora portátil a medida que se enfriaban lentamente, los limpiaba una vez terminado y los graficaba.

Suena fácil, ¿verdad? Bueno, aquí es donde se pone divertido. El verdadero truco es asegurarse de que los siete diodos y un termopar estén a la misma temperatura, desde la temperatura ambiente hasta la quema de PCB.

Hablando con Mike Szczys de La-Tecnologia, le preguntó cómo se sueldan diodos cuando la temperatura excede el punto de fusión de la soldadura. Naturalmente respondí que siempre engarce en esas situaciones (lo cual es cierto) y luego pasé a construir un banco de pruebas de diodos con conexiones soldadas. Habiendo leído en alguna parte que el aceite de maní es bueno hasta aproximadamente 210 °C, pensé que sería un excelente medio de inmersión para igualar las temperaturas. Bueno, así fue, porque todas las uniones de soldadura se deshicieron al mismo tiempo a 190 °C: una gran prueba de uniformidad de temperatura. Esta también fue una valiosa calibración de mi sonda de temperatura de referencia: el punto de fusión de la soldadura 60/40 es 185 °C – 190 °C. ¡Correcto! Pero no se registran datos cuando los cables se desoldan.

Cuando hago reflujo, uso una placa calefactora con un diodo (engarzado) como sensor de temperatura, pero a menudo pego con cinta Kapton uno o dos diodos a la PCB en cuestión para obtener una medida en la PCB. Y debido a que las patas de estos diodos cuelgan con la brisa, me salí con la mía con las uniones de soldadura. Así que pensé que eso también funcionaría aquí, así que volví a soldar el equipo de prueba con siete diodos nuevos pegados con cinta adhesiva a una pieza de PCB en blanco para ecualizar la temperatura. Todo parecía ir bien hasta que justo por debajo de mi temperatura objetivo de 250 °C, olí humo. Apagué la calefacción inmediatamente y comencé a registrar las temperaturas, y efectivamente bajaron. Y luego empezaron a subir de nuevo y había mucho más humo.

¡La capa de epoxi de la PCB estaba en llamas! Resulta que empieza a arder a unos 240 °C y arde muy bien a 260 °C. En lugar de buscar el extintor, abrí algunas ventanas, seguí registrando y saqué una cámara. De hecho, obtuve algunos datos de la ejecución, pero mi oficina todavía huele un poco.

El siguiente fallo implicó pegar los diodos directamente a una placa de metal sólida. Después de todo, no ardería a 250 °C. El problema es que se enfría muy lentamente a menos que lo retire del elemento calefactor cerámico y, en el proceso, los diodos y el termopar se soltaron de la placa, lo que provocó una caída anómala de temperatura de cinco grados en todos los ámbitos. Resulta que esto también sucedió en menor medida en la ejecución de Firey-PCB. Podrías resolver esto con algunos datos masajeados en postproducción, pero decidí darle otra oportunidad al tratamiento con aceite caliente porque resolvió muy bien el problema de contacto.

La prueba final se realizó nuevamente con aceite de maní, pero esta vez a partir de una temperatura alta más suave de alrededor de 200 °C y sin sumergir completamente las uniones de soldadura. Y también habría funcionado, si no fuera por el molde que se rompió al golpear la losa de mármol que usé para enfriarlo. En retrospectiva, esto era obvio y probablemente habría funcionado perfectamente si lo hubiera colocado en una almohadilla térmica de silicona. Con aceite a 200 °C goteando por todo mi escritorio y grandes cantidades de toallas de papel, logré registrar esta ejecución, al menos hasta que se acabó el aceite. Limpiaré mañana.

El recuento final: dos conjuntos de datos utilizables, uno de la prueba de PCB quemado y otro de la prueba de inmersión en aceite de olla rota. Nada es perfecto, pero basta para sacar algunas conclusiones.

Mi primera conclusión es que el método más simple de todos, un diodo y una resistencia de 10 kΩ alimentados a un ADC, es suficiente para trabajos no precisos en cualquier rango de temperatura razonable. Sabía esto porque lo usé para soldar por reflujo y tostar café, pero aún así me impresionó la buena linealidad del diodo en comparación con la referencia del termopar. Deberías utilizar este "truco".

A continuación, probablemente no valga la pena construir una fuente de corriente constante a menos que realmente le importe determinar la temperatura. Si la simple reproducibilidad es suficiente, no se moleste. Sí, obtuve resultados absolutamente hermosos hasta 220 °C, pero la diferencia entre el mejor y el peor caso es probablemente de uno o dos grados en todo el rango. Primero debes dedicar tu tiempo a asegurar un buen contacto físico entre el diodo y el objeto que estás midiendo, y luego conectar los transistores.

El 1N4002, un diodo grande y robusto, funcionó casi de manera idéntica al 1N4148 cuando se alimentó con la misma resistencia, y los tres 1N4148 se siguieron perfectamente. Lo único que importa es la corriente. Sinceramente, me sorprendió. Esto sugiere que simplemente podrías comprar una bolsa de diodos y resistencias al 1%, tal vez calibrar algunos para verificar y listo. Dado que las pendientes de todos los diodos son casi idénticas, incluso podrías calibrarlos con un punto a temperatura ambiente. ¿Qué tan fácil es eso?

¿Quieres saber qué es realmente difícil en todo esto? Probando el circuito fuera del rango en el que funcionará.