|
Ce chapitre donne un
aperçu des principales mesures et calculs m'ayant permis de mettre au point le Thermo-PC
Dual :
Le capteur de température principal est
la diode gravée sur le substrat des processeurs Intel (Pentium, Céléron, etc.).
Rappelons que cette diode ne possède aucune liaison interne avec le reste de la
circuiterie du processeur Intel. L'anode et la cathode de la diode sont accessibles
sur le connecteur de la carte d'adaptation Socket 370 / Slot 1 de la carte mère.
Voir
[
Liaison
PC
].
Un deuxième étage indépendant mesure
la température ambiante au moyen d'un capteur conventionnel de précision (LM 35 de National Semiconductor).
Nous verrons dans le chapitre réglages (voir [
Réglages
]
), tout l'intérêt de cet étage...
Relation entre la tension aux bornes d'une jonction P-N et la température.
Si l'on polarise à courant constant
une jonction P-N (diode ou jonction base émetteur d'une transistor ou diode zéner)
dans le sens passant, on montre que l'équation qui régie sa tension Vd
s'écrit sous la forme suivante :
Avec : Vgo = 1,205 volt pour une jonction
au silicium ;
[ (Vgo-Vo) / To ] une constante que nous déterminerons par la suite ;
T°k la température en degré Kelvin.
Principe de la polarisation d'une diode à
courant constant avec mesure de la tension à ses bornes :
La relation :
est une droite avec une pente négative
auquel s'ajoute
un potentiel de décalage constant Vgo = 1,205 volt.
Méthode permettant de déterminer la pente de la diode de votre processeur :
En premier lieu, le processeur du PC doit
être hors tension depuis 6 heures au minimum, de manière à considérer la température
de ce dernier quasiment égale à la température ambiante.
Un thermomètre à mercure, ou digital du
commerce permettra de connaître la température ambiante durant la mesure de la tension
aux bornes de la diode.
Le +5volts polarisant la diode provient
d'un régulateur 78L05 (IC4) alimenté par le +12volts d'un adaptateur secteur
(Voir PCB de la carte CFA). Sur les bornes de la diode de notre processeur Intel nous
obtenons les deux valeurs suivantes : pour 24,5°C ambiant la tension aux bornes de notre diode est de 707 mV, mesurée entre
TP3 et GND avec un voltmètre digital.
Avec T°C = 24,5°C et sachant que T°k = T°C + 273,16
alors T°k = 297,66°k
La fonction linéaire
s'écrit donc :
Ainsi :
La relation linéaire liant le potentiel aux bornes de la
diode à la température s'écrit désormais:
Vd = 1,205 - 1,673E-3 . T°k
Avec une pente de : -1,673 mV
/°k ;
Et un offset de décalage de : 1,205
volts;
On peut écrire aussi : T°k = 720 - 597,72 x Vd.
ATTENTION : le potentiel aux
bornes de la diode change d'un processeur à un autre et reste totalement dépendant
du potentiel +5 volts d'alimentation et de la résistance 22kohms
à 5% de limitation en série avec la diode.
Adaptons la relation précédente aux degrés celcius :
Sachant que T°k = T°C + 273,16 alors la relation
linéaire précédente s'écrit :
Vd = 0,748 - 1,673E-3 . T°C
Avec une pente de : -1,673 mV
/°C ;
Et un offset de décalage de : 0,748
volt;
On peut écrire aussi : T°C = 447 - 597,72 x Vd.
Extremum et minimum du potentiel Vd pour une température entre -44°C et
+84°C :
D'après
la relation suivante nous obtenons Vd = 607 mV pour T°C = +84°C
et Vd = 821 mV pour T°C = -44°C.
Déterminons les principales caractéristiques du montage pour l'obtention
d'une variation pleine échelle de la tension appliquée à l'entrée du CAN du
68HC11F1 :
Pour une plage de -44°C
à +84°C nous choisissons une résolution d'affichage
de 0,5°C pour un CAN 8 bits.
Ainsi 28 = 256 pas de quantifications possibles.
Calcul de l'amplification " A " pour une variation de 0
volt à +5volts à l'entrée du CAN avec un potentiel d'évolution de la diode
compris entre 607 mV à 821 mV dans le cadre de notre application.
A=
23,34
uniquement pour notre processeur. Recalculer pour le votre...
Avec " q " le
quantum du CAN tel que
Nombres de degrés mesurables : 256 x 0,5°C = 128
valeurs. La plage de mesure s'échelonne de 0°C à 128°C avec un pas de résolution de
0,5°C.
Pour une plage comprise entre -44°C à +84°C (128 valeurs = | 44°C | + | 84°C | en valeur absolue) il
sera nécessaire d'introduire une tension de décalage que l'on a nommée sur le
schéma structurel ZERO DIODE
(potentiomètre P2).
Equations principales
de la tension aux bornes de la diode pour
l'étalonnage du système :
Alignement de la tension diode sur un offset nul :
Le potentiel
proportionnel à la température issus de la diode, traverse une adaptation
d'impédance IC2D pour être appliquée sur l'entrée non-inverseuse de
l'ampli soustracteur IC2B.
L'entrée inverseuse reçoit un
potentiel réglable de compensation permettant l'alignement du potentiel de la diode
sur un offset nul.
Nous avons : V3 = V2 -V1
(Dans notre cas V2 = Vd)
Le potentiomètre OFFSET DIODE (P1) est réglé de manière à
obtenir en V1 (TP1) un potentiel de 0,748 Volt en utilisant un voltmètre
digital.
Après réglage nous obtenons :
V3 = -1,673E-3
x T°C
si V1 = 0,748 volt.
Translation d'échelle pour une mesure
comprise entre -44°C et +84°C :
L'ampli-opérationnel
IC2A est monté en sommateur à amplification unitaire.
V6 = V4 +
V5
Le potentiel de ZERO DIODE (P2) permet la translation de
l'échelle de mesure à -44°C / +84°C par sommation avec le potentiel provenant du
capteur diode.
Pour connaître la valeur du potentiel V5,
il suffit de calculer le nombre de quantums séparant -44°C du 0°C avec un pas de
progression de 0,5°C.
Ainsi à 0°C : (89-1) x q = 1,71864 volt.
Avec le cavalier S2 en position E (zEro) on ajuste P2 jusqu'à lire sur
les afficheurs du thermomètre 0,0°C. En mesurant le potentiel V5 on devrait obtenir une
tension proche de 1,718 volts.
Le cavalier S2 est placé en position R (noRmal) et le potentiel final arrivant à
l'entrée E0 du CAN est proche de : V6 = V4 +
1,718
Réglage de l'amplification pour une variation pleine
échelle à l'entrée du CAN :
Le signal
issus de V3 subit une amplification réglable : 20,6 < A < 26,6.
L'amplificateur inverseur IC2A accomplit cette tâche très simplement.
Ainsi : V4
= - A x V3
avec A = [(R12+P4) / R11]
Le signe moins permet une progression
positive uniquement pour des raisons de commodités logicielles du microcontrôleur.
Ainsi : V4 = + A x
1,673E-3 x T°C
L'amplification " A " possède la valeur 23,34 d'après les
calculs du paragraphe n°5.
L'étalonnage de la diode de la
CPU est terminée...
Equations principales pour le capteur thermométrique de précision LM35 :
Le
LM35 conçu par National Semiconductor est un capteur de température à haute précision
(+/- 0,25°C près) étalonné en usine. Sa pente est très précisément : 10mV/°C.
Calculons l'amplification " A "
pour un potentiel évoluant de 0 volt à +5 volts à l'entrée du CAN. La tension
issus du capteur évolue quant à elle de 0 V à 1,28 V pour une plage de température
comprise entre 0°C et +128°C.
Dans ce cas : A = [ ( 2 x q ) /
10.10E-3 ] = 3,90
Avec " q " le quantum
du CAN tel que q = 5 volts / 256 pas = 19,53 mV.
Il sera nécessaire d'introduire un offset de manière
à décaler l'échelle sur une plage comprise entre -44°C à +84°C. Cet offset
sera identique au précédent, car pour -44°C on doit obtenir 0 V à l'entrée
E1 du CAN. Soit offset = 1,71864 volt.
Structure principale de mise à
l'échelle du capteur LM35 :
CLIQUEZ SUR L'IMAGE CI-DESSUS
POUR L'AGRANDIR
Le LM35 est polarisé par un filtre
passe-bas R27 - C7 sous un potentiel proche de +5 volts. Le potentiomètre ZERO LM introduit un offset V7 de décalage
permettant une mesure sur -44°C à +84°C. Ce potentiel s'additionne avec celui
issus du capteur LM35 nommé V9. Enfin l'ampli-opérationnel IC1A fournit
l'amplification nécessaire appelée A de 3,90 permettant
une variation de 0 volt à +5 volts à l'entrée E1 du CAN.
Réglage du ZERO : Le cavalier
S1 sera placé en position E
(zEro) de façon à lire sur les afficheur du LM une température de 0,0°C correspondant
à un potentiel sur V7 de 1,71864 volt. En positionnant le cavalier sur
R (noRmal) le potentiel V7
s'additionne naturellement avec V9.
L'étalonnage du LM 35 est terminée.
Ainsi : V8
= (A x V9) + 1,71864
avec A = [
(R25
/ R24) +1 ] = 3,90
et V9 = 10.10E-3
x T°C
soit V8 = (3,90 x 10.10E-3 x T°C) + 1,71864
appliqué à l'entrée E1 du CAN.
Bibliographie "Introduction to Thermal
Sensors" consultable à l'adresse suivante :
[
http://www.ece.ncsu.edu/bme/LablFinal
]
| 
