Solutions basse consommation répondant aux exigences d'excitation des capteurs

En matière de capteurs actifs exigeant une excitation pour produire une sortie mesurable, les ingénieurs ont différentes options pour fournir les niveaux de courant ou de tension nécessaires. Des circuits d'excitation simples basés sur des amplificateurs opérationnels aux circuits intégrés multifonctions hautement intégrés, les options incluent un éventail de dispositifs de différents fabricants, notamment Linear Technology, Microchip Technology et Texas Instruments.

Sous l'impulsion de l'intérêt croissant pour l'Internet des objets (IoT), les sous-systèmes de capteurs sont au cœur de nombreuses conceptions prévues pour fonctionner pendant des années à l'aide de batteries à couches minces et de techniques de récupération d'énergie. Toutefois, pour obtenir des mesures fiables, un grand nombre de capteurs à résistance, tels que les thermistances, les capteurs de température à résistance (RTD), les extensomètres et d'autres dispositifs nécessitent une excitation provenant d'une source de courant ou de tension pour produire une sortie électrique.

La tension de sortie d'une source de courant d'excitation d'un RTD est directement proportionnelle à la résistance du dispositif. Bien que l'utilisation de courant à haute excitation laisse imaginer une tension de sortie plus élevée, la résistance du RTD augmente à mesure que sa température augmente à cause du niveau de courant plus élevé. Inversement, la résistance de la thermistance baisse à mesure que sa température augmente sous les effets d'un auto-échauffement similaire. Outre ces types de dispositifs, d'autres transducteurs, tels que les capteurs à effet Hall, présentent des caractéristiques de performance qui varient considérablement selon l'excitation appliquée. Il en résulte que les capteurs actifs nécessitent généralement une excitation maintenue dans des limites strictes pour assurer une mesure fiable avec une non-linéarité minimale.

Les ingénieurs peuvent créer des circuits d'excitation simples avec un circuit intégré de source de courant disponible, comme le REF200 de Texas Instruments, et un amplificateur opérationnel de base, comme l'OPA188 de TI (Figure 1). Grâce à cette approche, les ingénieurs peuvent utiliser deux sources d'excitation adaptées produites par le circuit intégré de source de courant pour ajuster la tension de sortie de l'amplificateur opérationnel à zéro à la limite inférieure de la plage de mesures de capteur souhaitée.


Figure 1 : La combinaison d'un amplificateur opérationnel de base comme l'OPA188 de Texas Instruments et d'une source de courant comme le REF200 de TI fournit un circuit d'excitation de capteur pouvant être ajusté pour fournir une sortie de 0 V à la limite inférieure de l'échelle souhaitée pour la détection de température RTD (avec l'autorisation de Texas Instruments).

Si cette approche de base répond à un certain nombre d'exigences d'excitation de capteurs simples, le fait qu'elle utilise une source séparée peut compliquer la conception de chemins de conversion de données dans les systèmes de capteurs. Pour simplifier davantage les circuits de capteurs, les concepteurs peuvent configurer leurs circuits pour utiliser une seule source de tension pour le capteur et le trajet du signal. Dans cette approche utilisant des techniques de mesure ratiométrique, la même source de tension sert à la fois d'excitation pour le capteur et de tension de référence pour le convertisseur analogique-numérique (CAN).

Plutôt que de fournir une sortie sous forme de mesure de tension absolue, une mesure ratiométrique fournit des valeurs de capteurs qui sont un ratio de la tension de sortie du capteur et de la tension d'alimentation. Les méthodes ratiométriques réduisent la complexité de la conception en éliminant le recours à un circuit intégré de référence de tension externe. En outre, la mesure ratiométrique réduit l'effet des variations de la tension d'alimentation, fréquentes dans les conceptions de récupération d'énergie alimentées par des sources ambiantes sujettes à des fluctuations de la sortie d'énergie. En effet, l'utilisation de la même référence pour l'excitation d'un capteur et le CAN annule simplement les variations des niveaux de puissance.

Les ingénieurs peuvent appliquer cette approche en utilisant un CAN haute résolution comme le CAN MCP3551 de Microchip Technology. Le MCP3551 est un CAN sigma-delta 22 bits pourvu d'une entrée différentielle et conçu pour fonctionner avec une référence de tension externe liée à la broche V_REF. Dans une conception ratiométrique, la tension V_REF est liée à la tension V_DD, qui sert également de source de tension d'excitation pour le pont (Figure 2). Les concepteurs peuvent utiliser le MCP3551 haute résolution pour numériser directement une sortie de capteur, ce qui permet de réduire la consommation d'énergie et l'empreinte du circuit en éliminant le recours à des circuits de mise en forme des signaux externes additionnels.


Figure 2 : Pour certaines applications, les ingénieurs peuvent simplifier la conception à l'aide de techniques de mesure ratiométrique, qui utilisent la même source de tension pour l'excitation du capteur et la référence du CAN. Cette approche nécessite un CAN, comme le MCP3551 de Microchip, qui utilise une référence de tension de précision externe ou qui permet aux ingénieurs de désactiver les références de tension de précision intégrées liées en interne aux circuits du CAN (avec l'autorisation de Microchip Technology).

Les concepteurs peuvent également créer une fonctionnalité d'excitation du capteur à l'aide d'un microcontrôleur dans une conception ratiométrique. Grâce au dispositif PIC16C774 de Microchip Technology, les ingénieurs peuvent créer un circuit d'excitation simple avec la sortie mise en tampon d'une des références de tension interne du microcontrôleur fournissant la tension d'excitation. La sortie différentielle provenant du capteur en pont est encore mise en tampon, filtrée et fournie au CAN intégré du microcontrôleur (Figure 3) pour fournir une solution complète de conversion de données avec excitation de capteur.


Figure 3 : Les concepteurs peuvent utiliser un microcontrôleur hautement intégré comme le microcontrôleur PIC16C774 de Microchip Technology pour fournir à la fois une excitation du capteur et une mesure avec un minimum de composants externes pour la mise en tampon, l'amplification et le filtrage (avec l'autorisation de Microchip Technology).

De nombreuses applications nécessitent néanmoins une mise en forme des signaux importante pour réduire le bruit, augmenter la plage dynamique et compenser la non-linéarité du capteur. Dans ces conceptions, les circuits intégrés de mise en forme des signaux d'entrée analogiques sophistiqués associent des capacités de traitement des signaux avec des fonctionnalités d'excitation de capteur. Le circuit intégré de mise en forme des signaux LMP90080 de Texas Instruments intègre deux sources de courant programmables adaptées pouvant fournir de 100 à 1000 μA pour exciter des RTD et des capteurs en pont (Figure 4).


Figure 4 : Le circuit intégré LMP90080 de Texas Instruments associe une capacité complète de mise en forme des signaux de capteur avec deux sources de courant, IB1 et IB2, pouvant fournir de 100 à 1000 μA pour l'excitation du capteur dans des conceptions telles que ce circuit de RTD à trois fils basé sur un dispositif PT-100 conventionnel (avec l'autorisation de Texas Instruments).

L'excitation du capteur est plus cruciale pour les capteurs à effet Hall, qui produisent une tension de sortie en présence d'un champ magnétique. Utilisés dans diverses applications allant de la détection de proximité à la détection du courant dans les compteurs intelligents, ces transducteurs présentent une sensibilité magnétique proportionnelle à la tension d'excitation qui leur est appliquée. Utilisant une tension d'excitation nominale dans une conception typique, un capteur à effet Hall peut à lui seul consommer plusieurs milliampères de courant, un besoin de puissance inacceptable pour des conceptions à récupération d'énergie soumises à un budget énergétique limité. Par conséquent, les ingénieurs qui ont besoin d'utiliser des capteurs à effet Hall dans des conceptions à récupération d'énergie peuvent chercher à réduire la tension d'excitation à un courant plus faible. Malheureusement, une réduction considérable de l'excitation signifie une réduction correspondante de la sensibilité du capteur.

Une approche permettant de maintenir la sensibilité globale de la conception tout en réduisant la consommation énergétique du capteur repose sur des dispositifs ultrabasse consommation, comme la référence micropuissance LT1790, l'amplificateur opérationnel LT1782 et l'amplificateur opérationnel de précision LT6011 de Linear Technology (Figure 5). Ici, le LT1782 met en tampon la sortie atténuée provenant de la référence LT1790 pour réduire le courant d'excitation d'un ordre de grandeur. Même si la sensibilité du capteur est réduite de manière proportionnelle, les amplificateurs opérationnels LT6011 configurés comme amplificateurs de mesure fournissent un gain d'un ordre de grandeur en guise de compensation, un moyen efficace de garantir le même niveau de sensibilité pour la conception globale, mais à des niveaux de puissance largement réduits.


Figure 5 : L'utilisation de circuits intégrés ultrabasse consommation permet de conserver la sensibilité globale de la conception, en optimisant la sortie de capteur pour compenser les plus faibles niveaux d'excitation du capteur (avec l'autorisation de Linear Technology).

Pour les applications de capteurs à effet Hall soumises à des variations de températures importantes, des dispositifs comme le DRV411 de Texas Instruments fournissent une solution intégrée. Comme avec le LMP90080 de TI pour les applications de détection de RTD, le DRV411 de TI associe un trajet complet de mise en forme des signaux avec des fonctionnalités d'excitation de capteur intégrées. Conçu spécialement pour réduire le décalage et la dérive, le DRV411 fournit un courant d'excitation qui varie avec la température pour maintenir la sensibilité du capteur à effet Hall à un niveau constant. Pour améliorer davantage la précision, le dispositif utilise le mode à courant tournant dans lequel le courant d'excitation tourne dans des directions orthogonales et la sortie de capteur est moyennée pour annuler le décalage et réduire le bruit en 1/f.

Conclusion

L'utilisation de sources d'excitation de tension ou de courant est essentielle pour un fonctionnement correct des capteurs actifs comme les RTD, les capteurs en pont et les éléments Hall. Pour les exigences de base, les ingénieurs peuvent créer des circuits d'excitation appropriés à l'aide d'amplificateurs opérationnels ou utiliser des méthodes de mesure ratiométrique pour simplifier la conception. Pour des exigences plus complexes, des dispositifs hautement intégrés fournissent des fonctionnalités d'excitation sophistiquées conçues pour améliorer la précision des mesures. Les ingénieurs disposent d'un vaste choix de circuits intégrés et de méthodes de conception fournissant une solution adaptée à l'excitation de capteurs dans des conceptions à récupération d'énergie basse consommation.

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