Sıcaklık Sensörleri

Herhangi bir durumda maddelerin sıcaklıklarını ölçmemiz gerekebilir. Bu ölçümleri sağlayabilmemiz için bizlerin sıcaklık sensörlerine ihtiyacı vardır. Bu sensörler kullanım alanlarına göre çok çeşitli olabilirler.

Sıcaklık Sensörleri

Sıcaklık ve Isı

Sıcaklık bir maddenin taneciklerinin ortalama kinetik enerjisinin göstergesidir. SI sistemine (Uluslararası Birim Sistemi) göre birimi Kelvin(K)'dir.

Isı ise sıcaklıkları yani ortalama kinetik enerjileri farklı olan maddeler arasında gerçekleşen enerji transferidir. Birimi Joule(J)'dir.

Sıcaklık Sensörü

Sıcaklık sensörleri temelde bir maddenin ortalama kinetik enerjisini ölçmek için tasarlanmış sensörlerdir. Sıcaklık maddeleri makro ya da mikro ölçekte etkilediği için sensör maliyetleri genellikle düşüktür. Sıcaklık sensörlerinin pek çok tipi bulunmaktadır.

Sıcaklık sensörleri en temelde ikiye ayrılırlar bunlar temaslı ve temassız ölçümdür.

Temaslı ölçüm yöntemleri termisötler, termokupllar, dirençli sıcaklık detektörü (DTD), çift metal (Bimetal) sensör, P-N Jonksiyonu sıcaklık sensörleri veya maddesel etkiler kullanılarak yapılan özel sensörler olarak sıralanabilir.

Temassız ölçüm yapan sensörlerin ölçüm yöntemleri ise IR(Kızılötesi) ve ses olarak sıralanabilir.

Temaslı Sıcaklık Sensörleri

Termistör

Termistör yani ısıl direnç, sıcaklığına bağlı olarak direnci değişen komponenttir. Bu tip sıcaklık sensörleri genellikle -100°C ile 150°C arasında ölçümleri yapmak için kullanılırlar. Bazı cam yapılı termistörler 300°C gibi sıcaklıklarda ölçümler yapabilir. Yapısında seramik, polimer malzemeler, metaloksitler, yarıiletkenler vb. kullanılabilir. Diğer sıcaklık sensörlerine göre maliyetleri çok düşüktür.

NTC ve PTC olarak ikiye ayrılırlar.

  1. NTC (Negative Temperature Coefficient)
    Sıcaklık arttıkça direnç değeri düşen termistör tipidir. Maliyetleri çok düşük olduğu için çoğu devrede kullanılır.
  2. PTC (Positive Temperature Coefficient)
    Sıcaklık arttıkça direnç değeride artan termistör tipidir. Sıcaklık ölçümü dışında yenilenebilir sigorta olarak da kullanılmaktadır.

Termistörler hassas sıcaklık ölçümleri için kullanılabilirler ancak diğer sensörlere göre problemleri R-T (Direnç-Sıcaklık) grafiğinin doğrusal değil logaritmik olmasıdır. Yani ölçülen değerin belirli formüller yardımıyla sıcaklık bilgisine dönüştürülmesi gerekmektedir.

Termokupl(Isıl Çift)

Bu sensör tipinde iki adet farklı tipte iletkenin sıcaklık farklarının oluşturduğu gerilim kullanılır. Temel çalışma prensibi termoelektrik etkiye dayanmaktadır. Çok fazla tipte madde kullanılarak geliştirilebilen sensörler yüksek sıcaklıklarda ölçüm yapabilirler.

Dirençli Sıcaklık Sensörü (RTD)

Termistörlerden farklı olarak metalin sıcaklının oluşturduğu iç direnç ölçülerek sıcaklık tespiti yapılır. Genellikle dayanıklı iletken olmayan bir malzeme etrafında bakır, platin, altın ve gümüş gibi soy-yarısoy metal ve sıcaklığa karşı daha lineer (doğrusal) tepkiler veren metaller tercih edilir. Metalin tipine göre uygun sıcaklık aralıklarında çok hassas sıcaklık ölçümleri için kullanılabilir. Tepki süreleri termokupllara göre genellikle çok daha uzundur.

Bimetal(Çift Metal) Sıcaklık Sensörü

Farklı genleşme katsayılarına sahip iki farklı metal birbirine yapıştırılır. Ardından sıcaklığa göre bu metal çifti farklı boyutlarda genleşme yaparak metalin belirli yönde eğilmesini sağlar. Bu yöntem eski dönemlerde mekanik termostat yapımında kullanılmıştır.

Şimdi ise MEMS (Mikro-Elektromekanik Sistemler) sıcaklık sensörlerinde kullanılmaktadır. Belirli yöntemlerle çip üstüne yerleştirilen mikro-mekanik yapılar. Endüktans ya da kapasitans değişimlerine sebep olur. Bu değişimler tespit edilerek sıcaklık sensörleri geliştirilmektedir.

Yarıiletken Sıcaklık Sensörü

Eğer P ve N tipi yarıiletkenleri birleştirirsek PN bağlantısı elde edebiliriz. Bu konu biraz uzun olduğu için bu yazıda yalnızca voltaj düşümü kısmından bahsedeceğim. Bildiğiniz gibi diyotlara düz şekilde bir voltaj uygulandığında belirli bir voltaj düşümü olur. Bu voltaj düşümü silisyumda 0.5-0.7V arasında germanyum diyotlarda ise 0.3V civarındadır.

Bahsettiğim gibi diyotlarda voltaj düşümü olmaktadır. Bu voltaj düşümü yarıiletkenin tipine, saflığına ve sıcaklığa bağlıdır. Bizim ilgilendiğimiz kısım sıcaklıktan etkilendiği bölge olacaktır. Eğer diyotları ısıtırsanız bu voltaj düşümü oranı düşecektir. Biz de bunu kullanarak çok basit bir sıcaklık sensörü yapabiliriz.

Bu tarz bir devre yaparak bu voltaj düşümünü ölçmemiz mümkün bunun için kaynak voltajımızın diyot voltaj düşümünden yüksek olması gerekli ayrıca direncin yüksek takılması da boşa harcanan enerjiyi azaltacaktır. Silisyum diyotlar için voltaj düşümü ortalama olarak selsiyus derece başına 2mV'dur.

Bu sensör tipinde genellikle BJT (Bipolar Junction Transistor) tipi transistörler kullanılır. Bunun nedeni BJT tipi transistörlerin sıcaklığa karşı diyotlardan daha doğrusal bir tepki vermesidir.

Yukarıda gördüğünüz npn ya da pnp transistörlerde de bu şekilde bir bağlantı kullanılarak sıcaklık ölçümü yapılabilir.

Dijital sıcaklık sensörlerinde kullanılması en kolay sensör tipidir. Baskılı devre kartının sıcaklığını ölçmek için genellikle bu yöntem tercih edilir. Küçük kılıflarda bir transistör sıcaklığı ölçülmek istenen komponentin yakınlarına yerleştirilerek ölçüm sağlanabilir. Bazı güç kontrol entegrelerinde harici PN sıcaklık sensörü bağlantı pinleri bulunmaktadır. Bu sayede çok ısınan devre elemanlarının korunması sağlanabilir

Temassız Sıcaklık Sensörleri

Infrared(Kızılötesi) Sıcaklık Sensörü

Sıcaklığı olan bütün cisimler "Siyah Cisim Işıması" yaparlar. Bu ışıma önce sensör üstünde bulunan bir pencereden geçirilir. Bu pencere kısmında gelen ışımanın belirli dalga boylarının geçmesine izin verilir. Geçen elektromanyetik dalgalar bir IR Absorber (Kızılötesi Emici) üstünde düşük sıcaklıklar oluşturur. Bu sıcaklık "Termoelektrik Etki" yardımıyla gerilime dönüşür.

Bu oluşan gerilim ortam sıcaklığı(sensör sıcaklığı) ile cismin ışımasının oluşturduğu sıcaklık arasındaki fark kadardır. Bu nedenle sensör içinde sensör sıcaklığını takip eden harici bir sıcaklık sensörü de bulunur. Ardından bu düşük gerilim bir yükselteç ile yükseltilip, belirli matematiksel formüllerden geçirilip sıcaklık bilgisine dönüştürülür.

Bu teknik kullanılarak termal kameralar ve lazer termometreler geliştirilmiştir. Üretim maliyetleri diğer sensörlere göre çok daha pahalıdır. Temas bulunmadığı için yüksek sıcaklıkların ölçülmesinde kullanılabilir.

Akustik Sıcaklık Sensörü

Bu sıcaklık ölçüm tekniğinde ses hızının madde sıcaklığına göre değişiminden yararlanılır. Bu teknik çok yüksek sıcaklıkların ölçülmesi için kullanılan bir tekniktir. Genellikle nükleer reaktör, uzay araçları, yanma odaları gibi çok yüksek sıcaklığa sahip cisimlerin bulunduğu yerlerde sıcaklık ölçümünde kullanılır. IR sıcaklık sensörleri yüksek sıcaklıklarda maddede oluşan kimyasal bozulmalar veya ışıma karakteristiğinin değişmesi nedeniyle yüksek sıcaklıkları ölçmekte çok iyi değillerdir. Bu nedenle özel sistemlerde ultrasonik sıcaklık sensörleri sıklıkla tercih edilir.

Sıcaklık Sensörlerinin PCB Üstünde Yerleşimi

Eğer harici (pcb dışı) bir sıcaklık sensörü kullanıyorsanız çok fazla problem yaşamadan kullanabilirsiniz ancak eğer pcb üstünde sıcaklık sensörü kullanıyorsanız o zaman bazı problemler ortaya çıkıyor. İlk olarak ortam sıcaklığını mı kart sıcaklığını mı ölçmek istediğinize karar vermelisiniz. Eğer pcb sıcaklığını ölçmek istiyorsanız devre üstünde sıcaklığını ölçmek istediğiniz yere mümkün olduğunca yakın yerleştirerek devre sıcaklığını ölçebilirisiniz. Eğer ortam sıcaklığını ölçmek istiyorsanız o zaman devre üstündeki ısı kaynaklarından mümkün olduğunca izole etmelisiniz. Bunu sağlamananın pek çok yöntemi bulunmaktadır:

  1. Sensörü Isı Kaynağından Uzağa Yerleştirme
    Sıcaklık arttıkça direnç değeri düşen termistör tipidir. Maliyetleri çok düşük olduğu için çoğu devrede kullanılır.
  2. Isı Kaynağı ile Sensör Arasında İnce Yollar
    Genellikle baskılı devre kartları bakır yollardan oluşur. Bakır hem elektriği hem de ısıyı çok iyi iletir. Bu nedenle ısı kaynağıyla sensör arasında mümkün olduğunca az bakır iletişimi olmalı. Bu nedenle sensör yakınlarında Ground düzlemi kullanılmamalı ve bağlantılar mümkün olduğunca ince yollar ile sağlanmalı.
  3. İzolasyon Adası Yöntemi
    Bu yöntemde sensör baskılı devre kartlarının yalıtkan tabakasının sağladığı ısı iletimini en aza indirmek için sensör etrafındaki yalıtkan tabakadan izole edilir. Sensöre uzaktan erişim sağlayamacağımız için yalıtkan tabakadan tam olarak kurtulamayız ama yine de devre kartlarında ısıl izolasyon için en iyi yöntemdir.
  4. Taralı Ground Yöntemi
    Bu yöntemde ısı kaynağının oluşturduğu ısının sensöre ulaşmadan havaya geçmesi sağlanır.

Bu yöntemler kapalı olmayan kutularda ısı kaynağından etkilenmeyi minimuma indirecektir ancak eğer devre kapalı bir devre kutudaysa sensörü dışarı çıkarmak ya da sensörün olduğu bölüme hava akışının sağlanabileceği delikler açmak gerekmektedir.

Sıcaklık Sensörleri Kullanım Alanları

  1. Endüstri
    Endüstride makine sıcaklıklarını ölçmek, arıza tespiti.. vb. kullanılabilir.
  2. Sıcaklık Kontrollü Dolaplar
    Genellikle bir ürünün sabit sıcaklıkta saklanması için geliştirilen dolaplarda sıcaklık değerinin ölçümü sıcaklık sensörleri yardımıyla yapılır. Bazı eski tip ürünlerde mekanik olarak termostat sistemi bulunsa da yeni olan dolaplarda elektronik kontrolcüler bu işi yapmaktadır.
  3. Güç Elektroniği Sektörü
    Güç devreleri genellikle çok ısındıkları için pasif ya da aktif soğutucular kullanılır. Bazı durumlarda bu soğutucular iş yapmaz ya da devre aşırı yüke maruz kalırsa sıcaklık artar. Sıcaklık sensörleri yardımıyla sıcaklık takibi yapılır ve belirli değeri aşan devrelerde kesme uygulanarak devre korunur.
  4. Entegre Devreler
    Çoğu entegrede "Thermal Shutdown" bölümü bulunur bu bölüm genellikle bir sıcaklık sensörü ve karşılaştırıcıdan oluşur. Entegre devrelerde geçici sorunların devreye zarar vermemesi için gereklidir.

Kaynaklar:

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/an137f.pdf

https://tr.wikipedia.org/wiki/Termistör

https://www.surecontrols.com/infrared-temperature-sensors/

https://tr.wikipedia.org/wiki/Termokupl

https://web.mst.edu/~cottrell/ME240/Resources/Temperature/Temperature.pdf