Influenta Regimului Termic Asupra Stabilitatii Microprocesoarelor P4 K7 de Ultima Generatie

1. Metode de măsurare a temperaturii

1.1 MASURAREA TEMPERATURII. NO|IUNI GENERALE

Masurarea temperaturii se bazeaza pe diferite efecte fizice determinate de variatia temperaturii. Cele mai importante dintre acestea sunt: dilaterea solidelor, lichidelor sau a gazelor; variatia rezistentei electrice ; tensiunea electromotoare la jonctiunea a doua metale; intensitatea radiatiilor emise; variatia frecventei de rezonanta a unui cristal etc.

Intervalul de temperatura in univers se intinde de la aproximativ 3 K in spatiul interplanetar pana la miliarde de K in procesele de fuziune nucleara din interiorul unor stele. Intervalul practic de temperatura pe Pamant poate fi considerat intre 0 … 20 000 K, in general, sau 0 … 5 000 K in majoritatea aplicatiilor stiintifice, industriale etc.

Aceasta este o gama inca extrem de larga, care nu poate fi acoperita de nici unul din tipurile cunoscute de traductoare de temperatura. De aceea, una din restrictiile care se impun la utilizarea traductoarelor de temperatura este intervalul util sau gama de temperatura in care acestea pot functiona. Alti parametri importanti sunt: exactitatea de masurare, dimensiunile, sensibilitatea, stabilitatea, timpul de raspuns al traductorului. O caracteristica importanta in multe cazuri este interschimbabilitatea: unele traductoare (ca de exemplu, termocuplurile, termorezistoarele metalice) sunt interschimbabile, pe cand altele (de exemplu, termistoarele) nu sunt in general interschimbabile.

Cele mai obisnuite mijloace de masurare a temperaturii sunt:

Termometre cu lichid;

Termometre bimetalice;

Termometre manometrice;

Termocupluri;

Termorezistoare metalice;

Termistoare;

Termometre cu jonctiune pn;

Termometre cu cuart;

Pirometre de radiatie.

Primele trei dintre acestea sunt traductoare primare de masurare a temperaturii, restul necesita dispozitive electronice pentru masurare.

TERMOCUPLUL. NO|IUNI GENERALE.

Termocuplul (sau termoelementul) este traductorul de temperatura cel mai raspandit in industrie, pentru un interval foarte larg de temperaturi si o varietate de conditii de masurare. Principiul de masurare se bazeaza pe efectul termoelectric (efect Seebeck): aparitia unei tensiuni electromotoare intr-un circuit format din doua conductoare (A si B, Figura 1) de natura diferita ale caror jonctiuni P1 si P2 se afla la temperaturi diferite (T1 > T2). Aceasta tensiune depinde de:

potentialul electrochimic al metalelor din care sunt realizate jonctiunile termocuplului;

diferenta de temperatura T1 – T2 .

In general temperatura unei jonctiuni este cunoscuta si este mentinuta constanta fiind denumita temperatura de referinta (in cazul de fata T2 = ct.). Temperatura T1 este necunoscuta si valoarea ei se obtine introducand jonctiunea P1 in mediul a carui temperatura dorim sa o masuram.

Dupa cum se poate observa in graficul din Figura 3, caracteristica temperatura – tensiune este usor neliniara. Pentru intervale restranse de temperatura insa, tensiunea electromotoare generata este proportionala cu diferenta de temperatura dintre cele doua jonctiuni:

E = S T = S (T1 – T2) (1)

unde: S – coeficientu Seebeck (sensibilitatea termocuplului);

T1 – temperatura jonctiunii calde (jonctiunea de masurare);

T2 – temperatura jonctiunii reci (de referinta).

Din punct de vedere practic, termoelementul poate fi utilizat atat in variata cu doua puncte de sudura (Figura 1) cat si in varianta cu un singur punct de sudura (Figura 2).

Figura 1 Figura 2

La alegerea celui mai potrivit termocuplu pentru o aplicatie data trebuie sa se tina seama de urmatoarele: intervalul de temperaturi de masurat, exactitatea necesara, natura mediului in care se face masurarea, timpul de raspuns necesar. Aceste termocupluri pot fi utilizate pe baza unor curbe sau tabele standard, in care se da corespondenta dintre temperatura si tensiunea electromotoare generata (grade Celsius – milivolti).

In principiu sunt posibile nenumarate combinatii de metale sau aliaje pentru realizarea termocuplurilor. Practic, in majoritatea aplicatiilor, se foloseste un numar redus de tipuri de termocupluri ale caror caracteristici mai importante sunt rezumate in tabelul de mai jos.

Termocuplurile au – in comparatie cu alte traductoare de temperatura – urmatoarele avantaje: robustete, simplitate, precizie relativ buna, interschimbabiliatate, posibilitatea telemasurarii, timp de raspuns relativ scurt. Diferitele tipuri de termocupluri pot fi folosite pentru masurarea temperaturii intre –260 … +2 800 OC, cu o precizie intre 0,1 … 5 OC, in functie de temperatura masurata, de intervalul de masurare si de precizia de determinare a temperaturii de referinta.

1.1.2 TERMOCUPLURILE INDUSTRIALE

Termocuplurile industriale, datorita conditiilor de lucru, sunt asezate in mod obisnuit in armaturi de protectie. Termocuplurile trebuiesc prevazute cu termoelectrozi de prelungire (numiti si conductori de compensare) flexibili, legati intre placuta de borne a termocuplului si conductoarele care merg spre aparatura de masurare. Acesti conductori de compensare joaca rolul de a deplasa jonctiunea de referinta in afara zonei de influenta termica din jurul termocuplului. Ei sunt realizati din materiale mai ieftine, specifice fiecarui tip de termocuplu, si satisfac conditia de identitate termoelectrica adica nu afecteaza t.e.m. dezvoltata de termocuplu.

Tabelele indicatoare sau diagramele de t.e.m. (fig. 3) sunt bazate de obicei pe mentinerea jonctiunii de referinta la temperatura de 0 0C. In consecinta, trebuie facuta o corectie manuala sau automata pentru a adauga la t.e.m. observata real, tensiunea jonctiunii de referinta raportata la valoarea de 0 0C. In unele instrumente indicatoare, temperatura jonctiunii de referinta se mentine la o valoare fixa (600C) cu ajutorul unui termostat, iar corectia se aplica automat in asa fel incat instrumentul sa indice temperatura corecta (Figura 4). In alte cazuri, temperatura jonctiunii de referinta ramane la temperatura mediului ambiant, iar corectia se face prin elemente electrice sensibile la temperatura, introduse in circuitul de masurare (de exemplu, o punte Wheatstone neechilibrata cu termistor).

1.1.3 CARACTERISTICA DINAMICA

Caracteristica dinamica a oricarui senzor, si implicit a unui senzor de temperatura reprezinta raspunsul acestuia la functia treapta. Consideram ca termocuplul (sau oricare alt senzor de temperatura) aflat initial la temperatura T0 este introdus intr-o incinta aflata la temperatura Tmax. Diferenta de temperatura este . Acesti senzori, din punct de vedere dinamic, sunt elemente de intarziere de ordinul intai, raspunsul lor find o dependenta exponentiala de timp:

(2)

unde este timpul corespunzator cresterii temperaturii cu si reprezinta “constanta de timp termica” a senzorului, care se utilizeaza la determinarea timpului necesar de masurare. Constanta de timp termica variaza de la cateva secunde, la un termocuplu neprotejat, pana la mai multe minute, in cazul unui termocuplu inchis ermetic in tubul de protectie.

CONVERTOARE PENTRU TERMOCUPLURI

In lanturile de masurare, atat pentru senzorii generatori cat si pentru cei parametrici, dupa senzor urmeaza convertorul de masurare, care in majoritatea situatiilor converteste marimea de intrare a acestuia intr-un curent continuu, sau de cele mai multe ori intr-o tensiune continua. In mod uzual convertorul realizeaza si functiile de liniarizare si adaptare.

Figura 6 Masurarea temperaturii cu termocuplul.

Ca instrument indicator al t.e.m. generate de termocuplu, se poate folosi un milivoltmetru analogic sau numeric, un compensator electric automat, un amplificator – modulator de curent continuu, sau orice alt mijloc de a masura tensiuni mici. Utilizarea milivoltmetrelor prezinta avantajul simplitatii desi precizia este scazuta.Se folosesc milivoltmetre cu rezistente interne Rm de ordinul 10…100 care citesc evident nu t.e.m. E ci numai caderea de tensiune U la borne:

(3)

În Figura nr. 1 punctul de măsură este P1(T1) iar punctul de referință P2(T2) se păstrează la o temperatură constantă (de obicei 00C). Aparatul de măsurat (V) ne dă t.e.m. Seebeck care este proporțională cu temperatura T1.

În Figura nr. 2 temperatura de referință este cea a mediului înconjurător (al aparatului) și la valoarea dată de aparat trebuie adăugată (sau scăzută) valoarea ST2. Această corecție se poate face automat. Deoarece t.e.m. date de termocupluri sunt foarte mici (V/0C) ele nu pot fi citite cu un aparat standard de măsură (care măsoară minim 0,1 mV). Sunt necesare circuite de amplificare speciale (cu tranzistoare FET sau MOSFET la intrare) care să permită amplificări de 1 V (sau 10 pA).

Schema unui astfel de amplificator este:

Figura 7 Amplificator pentru termocuplu.

Expresia tensiunii de ieșire este:

U0 = (R + RP) * Ui (4)

Ui = E = S T (5)

Daca:

T2 = 0 , atunci convertorul măsoară T1

T2 0, se măsoară diferența de temperatură (T1-T2)

Figura 8 Convertor pentru termocuplu cu o jonctiune.

Figura 9 Convertor pentru termocuplu cu doua jonctiuni.

Pentru masurarea temperaturii cu ajutorul unui termocuplu cu unul sau doua puncte de sudura se poate realiza convertorul din Figura 8, respectiv Figura 9 realizat cu amplificatoare operationale.

Termoelementul este legat la intrarea unui amplificator diferential care asigura la iesire o tensiune negativa proportionala cu t.e.m. a termoelementului si implicit cu diferenta de temperatura dintre punctele P1 si P2. In continuare s-a utilizat un amplificator inversor cu ajutorul caruia se regleaza “panta” si “zero-ul” convertorului cu potentiometrele RP1 si RP2 astfel incat tensiunea de iesire Uout sa permita citirea directa in grade Celsius a temperaturii.

Tensiunea de ieșire de la convertorul din Figura 8 este dată de expresia:

U0 = (R1 + RP) (E2 – E1) (6)

AT1 în 0C

Dacă T1=0 atunci E1=E2 =>V0=0

T1>0 atunci E2>E1 V0>0 (R1+RP)(E2-E1)

T1<0 atunci E2<E1 V0<0 (R1+RP)(E1-E2)

1.2 TERMOREZISTORUL SI TERMISTORUL

1.2.1 TERMOREZISTOARE METALICE

Concepute de Siemens in secolul XIX, termorezistoarele se folosesc in prezent pe scara larga fiind confectionate din platina, nichel, cupru si wolfram. Alte metale, ca iridiul, rodiul, argintul, fierul si tantalul se folosesc in aplicatii speciale.

Cresterea temperaturii intr-un conductor este echivalenta cu intensificarea oscilatiilor atomilor (nodurilor) retelei metalice cristaline. Dependenta rezistivitatii , si deci implicit a rezistentei electrice R de temperatura este explicata prin cresterea numarului de ciocniri intre purtatorii de sarcina (elelctronii liberi din metal) cu nodurile retelei.

(1)

unde: – rezistivitatea electrica;

– conductivitatea electrica;

T – temperatura absoluta;

n – numarul de purtatori pe unitatea de volum;

n – mobilitatea electronilor;

Astfel, cresterea temperaturii T implica cresterea ciocnirilor pe retea, prin urmare scaderea mobilitatii purtatorilor n , cresterea rezistivitatii electrice si implicit cresterea rezistentei electrice R :

(2)

Termorezistorul este un senzor parametric care functioneaza pe principiul variatiei rezistivitatii electrice cu temperatura. In consecinta, rezistenta electrica a unui conductor depinde de valoarea temperaturii, conform cu relatia:

R = R0 (1 + AT + BT2 +……) (3)

unde: R – rezistenta electrica la o temperatura oarecare T;

R0 – rezistenta electrica la temperatura de referinta T0;

A, B – coeficienti de variatie ai rezistentei cu temperatura.

Pentru un interval restrans de temperatura se poate folosi relatia simplificata:

R = R0 (1 + T) (4)

R = R0 + R0T (5)

(6)

Sensibilitatea unei termorezistente este de regula analratura oarecare T;

R0 – rezistenta electrica la temperatura de referinta T0;

A, B – coeficienti de variatie ai rezistentei cu temperatura.

Pentru un interval restrans de temperatura se poate folosi relatia simplificata:

R = R0 (1 + T) (4)

R = R0 + R0T (5)

(6)

Sensibilitatea unei termorezistente este de regula analizata cu coeficientul , definit conform cu relatia (4) pentru un interval de temperatura cuprins intre 0 0C si 100 0C :

T = 100 0C (7)

unde:

R0 – rezistenta electrica la temperatura 0 0C;

R100 – rezistenta la temperatura de 100 0C.

Senzorul de platina al termometrului cu rezistenta consta dintr-un fir neizolat, cu diametrul = 0,02 … 0,1 mm infasurat bifilar (neinductiv) pe o carcasa. Aceasta carcasa este introdusa intr-o armatura de protectie din alama sau otel, iar pentru temperaturi mai mari, din otel aliat cu nichel si crom. Timpul de raspuns este relativ scurt, de ordinul zecilor de secunde.

TABELUL 1 Termorezistente industriale standard.

Asa cum se poate observa din tabelul de mai sus, rezistenta initiala R0 (la 0 0C) este de cca. 50 sau 100. Curentul de masura nu depaseste 10 pana la 15 mA. In figura 1 este ilustrata dependenta rezistentei Pt 100 cu temperatura.

Desi sunt mai putin sensibile, termorezistentele din metale pure permit obtinerea unor rezultate mult mai precise. Termorezistoarele pot fi utilizate la masurarea temperaturii intre – 180 … + 1 000 0C, cu o exactitate de obicei de 0,1 … 1 oC, dar care ajunge la traductoarele etalon speciale pana la 0,001 oC. Cauzele principale de erori la masurarea temperaturii cu rezistente din metale sunt: variatia tensiunii de alimentare, oscilatiile temperaturii mediului prin care trec firele de conexiune intre circuitul de masura si termometru, autoincalzirea termometrului datorata curentului de masura si inertia termica a traductoarelor.

TERMISTOARE

Termistoarele sunt dispozitive semiconductoare sensibile la temperatura, a caror rezistenta variaza in mare masura cu temperatura. Majoritatea tipurilor de termistoare au un coeficient de temperatura negativ, care ajung la – 8 … – 4 (%/ 0C).

Sub forma cea mai generala, dependenta rezistentei unui semiconductor de temperatura se exprima prin relatia:

(8)

unde: este o constanta (valoarea rezistentei la );

b este o constanta de material a termistorului numita coeficient de temperatura (b >> 1);

T = 273,15 + t (0C) reprezinta temperatura absoluta (in K).

Cunoscand rezistenta R0 a semiconductorului la o temperatura initiala oarecare T0 , se poate determina rezistenta acestui semiconductor la o temperatura oarecare T prin relatia:

(9)

Dezvoltand in serie termenul drept al acestei ecuatii si limitandu-ne la primii doi termeni ai seriei, se obtine pentru termometrele cu rezistenta o relatie simpla, utilizabila la variatiile mici ale temperaturii:

(10)

in care coeficientul de temperatura al termistorului, 0, este:

(11)

Sensibilitatea unui termistor este:

(12)

Caracteristica rezistenta – temperatura prezinta, dupa cum se poate observa din rel. (12) sau din diagrama 2.a, o neliniaritate accentuata in comparatie cu functionarea termorezistentelor. Se observa ca sensibilitatea S scade cu patratul temperaturii, motiv pentru care domeniul de sensibilitate ridicata al termistoarelor este cel al temperaturilor joase: (- 70 … + 200 0C).

Figura 2 Caracteristicile termistoarelor:

a- variatia rezistentei functie de temperatura; b- caracteristica tensiune- curent.

Caracteristica statica curent – tensiune a termistorului are forma prezentata in Figura 2.b. Se observa ca la cresterea curentului prin termistor, tensiunea la borne initial creste, atinge apoi un maxim, dupa care incepe sa scada, datorita incalzirii termistorului. Aceasta propietate a termistorului permite utilizarea lui in relee de temperatura, de tensiune sau de curent si de stabilizare a tensiunii.

In practica, utilizarea termistoarelor ca elemente sensibile in domenii largi de temperatura presupune folosirea unor scheme de liniarizare. Cea mai simpla metoda este utilizarea in circuit a unei rezistente de liniarizare r in paralel cu termistorul (Figura 3), pentru care derivata a doua a curentului se anuleaza in punctul de referinta T0. Rezistenta paralel se scrie:

(13)

Derivata intai a rezistentei paralel fata de temperatura este:

(14)

Prin anularea derivatei a doua se obtine ecuatia:

(15)

In urma calculelor se obtine expresia rezistentei R:

(16)

De remarcat faptul ca T0 este temperatura in centrul domeniului de temperatura in care se face liniarizarea iar RT0 este valoarea corespunzatoare rezistentei termistorului la aceasta temperatura.

Pentru studierea comportamentului dinamic al termistoarelor, constanta de timp , exprimata in secunde, caracterizeaza inertia termica a termistorului. Este cuprinsa intre cateva zecimi de secunda si cateva zeci de secunde.

Fata de alte termometre cu rezistenta, termistoarele prezinta urmatoarele avantaje:

sensibilitatea de 10 ori mai mare, deci circuitele de masurare asociate pot fi de sensibilitate mai scazuta si costuri mai mici;

rezistenta initiala mare, intre zeci si sute de K, deci se reduc erorile datorite variatiei rezistentei firelor de legatura si se asigura usor adaptarea de impedanta cu circuitele electronice;

dimensiuni mici, deci inertie mica si neperturbare a campului de temperatura masurata, fapt care permite utilizarea termistoarelor pe scara larga in cercetarea stiintifica, industrie, medicina etc.

In schimb, sunt greu reproductibile si prezinta uneori fenomenul de imbatranire, ceea ce nu permite atingerea unei precizii mai bune de 1…0,5%. Caracteristicile termice si electrice ale termistoarelor sunt mai putin stabile decat ale termorezistentelor metalice. Pentru imbunatatirea stabilitatii, termistoarele pot fi supuse unei imbatraniri, prin mentinerea lor un anumit timp la o temperatura relativ inalta.

Masurarea se face in cele mai multe cazuri cu ajutorul unei punti Wheatstone, echilbrata sau neechilibrata. In cazul puntii neechilibrate – foarte des folosita in termometre cu termistor – se prevede un reglaj de calibrare, pentru compensarea variatiei tensiunii de alimentare a puntii. Precizia de masurare nu depaseste de obicei 0,1 OC. Intervalul de masurare se divide in game suficient de inguste pentru a putea realiza precizia necesara. Trecerea de

Figura 4 Termometre cu termistor

a- cu amplificare directa; b- in punte, cu doua termistoare.

la o gama la alta se realizeaza prin comutarea unor rezistoare in bratele puntii. De multe ori, la iesirea puntii se poate conecta direct un microampermetru magnetoelectric, fara amplificare.

Alte solutii, folosind amplificatoare operationale, sunt ilustrate in Figura 4. Schema simplificata din Figura 4.a. Permite obtinerea unei tensiuni invers proportionale cu rezistenta termistorului RT; scara aparatului este crescatoare cu temperatura, dar puternic neliniara. Schema din figura 4.b foloseste o punte cu doua termistoare, unul activ si unul de referinta. Aceasta schema permite masurarea temperaturii in game oricat de restranse, cu scari aproape liniare. Gamele pot fi comutate prin schimbarea rezistoarelor R1 si R2.

ALTE MIJLOACE DE MASURARE A TEMPERATURII

Termometre cu cuart

Se bazeaza pe modificarea frecventei de rezonanta a unui cristal de cuart care asigura o dependenta practic liniara a frecventei de rezonanta cu temperatura. Se obtine o sensibilitate de 1 kHz /oC. Pentru indicarea digitala a temperaturii, se utilizeaza bataile frecventei de oscilatie a cuartului termosensibil cu oscilatiile unui cuart de referinta, astfel incat bataile nule sa corespunda temperaturii de 0 0C. La iesire se conecteaza de obicei si un convertor digital – analog.

vv

Figura 5 Termometrul cu cuart

Exactitatea acestor aparate este de 0,01 … 0,1 0C, iar stabilitatea pe termen scurt ajunge pana la 0,0001 0C. Masurarea nu este afectata de conexiuni; sunt posibile masurari la distante mari, datorita conversiei in frecventa. Functioneaza normal intre –40 … +250 0C.

Pirometre cu radiatie

Functioneaza pe baza proprietatii de radiatie termica, proprietate universala a corpurilor ce se afla la temperaturi diferite de zero absolut. Constructiv, pirometrele cu radiatie folosesc un sistem optic care colecteaza radiatia infrarosie si vizibila – uneori printr-un filtru – de la obiectul vizat, si o concentreaza asupra unui detector. In acest fel, masurarea temperaturii unui corp se face fara contact cu corpul respectiv.

kl

Figura 6 Pirometru cu radiatie.

Toate pirometrele au o constructie care, in linii mari, este ca cea din Figura 6. Sistemul optic – format din lentile sau oglinzi – este construit corespunzator distantei de masurare si dimensiunilor obiectului vizat. Sticla este folosita la masurarea temperaturilor mai inalte, intrucat este practic opaca in spectrul infrarosu. Alte materiale optice utilizate sunt cuartul si fluorura de calciu cristalina. Detectoarele folosite in pirometre fac parte din doua categorii: detectoare termice (termocuplul, de exemplu) sau detectoare fotoelectrice care produc un semnal electric datorita eliberarii de sarcini sub actiunea radiatiei incidente (fotodiode, fotorezistoare etc.).

Exista diferite tipuri de pirometre in functie de gama de utilizare: pirometre cu radiatie totala, pirometre cu radiatie partiala, pirometre de raport, pirometre cu disipatie de filament (manuale), pirometre automate.

Intervalul de masurare este de aproximativ 750 … 1 500 0C, (cu filtre adecvate limita superioara poate fi extinsa pana la 3 500 0C) exactitatea de masurare fiind de 1 … 2 %. Ele au o utilizare foarte larga, in diferite procese industriale, pentru masurarea temperaturii metalelor topite, corpurilor incandescente, produselor plastice, gazelor etc. Alte aplicatii sunt detectarea surselor de caldura si a neuniformitatilor de temperatura, termografia etc.

1.4 TERMOMETRE CU JONCTIUNI P-N

1.4.1 Introducere

Materialele și dispozitivele semiconductoare sunt larg utilizate pentru măsurarea temperaturilor într-o gamă de valori relativ restrânsă (-50 oC +250 oC) ce depind de materialul semiconductor. Cei mai utilizați senzori pentru temperatură sunt realizați din siliciu (-50oC +150oC) în diferite componente cum ar fi:

A – termistori;

B – termoelemente pe siliciu;

C – diode cu joncțiuni;

D – tranzistoare bipolare;

E – circuite integrate.

Toți acești senzori se bazează pe efecte termice în semiconductori și în jocțiunile semiconductoare. În lucrare vom studia două tipuri de senzori de temperatură din siliciu monoctristalin.

În prezent există o mare varietate de modele de dispozitive folosind la bază jonctiunea pn. Utilizarea senzorilor de temperatură cu joncțiuni semiconductoare pentru gama de temperaturi în intervalul i-50 0C … +150 0Cs este foarte răspândită datorită procedeelor de fabricatie a dispozitivelor semiconductoare la scara largă și prețuri competitive. În al doilea rând, pentru diferitele tipuri de senzori se pot incorpora circuite specializate de conditionare a semnalelor într-un singur circuit integrat monolitic (bazat numai pe siliciu) sau hibrid. Grație acestor structuri au aparut și s-au dezvoltat diverse microsisteme de măsură și control bazate pe așa numiții senzori inteligenți.

1.4.2 Diode și TranzistoARE bipolarE (npn sau pnp)

Într-o primă aproximație nu pare nici o diferență dintre diodele și tranzistoarele (cu conexi-une între colector și bază) utilizate ca senzori de temperatură, așa cum se poate observa din Figura 1.

p n E p n p C

VD B

VBE

IC

Diodă Tranzistor

Caracteristica directa I-V a unei joncțiuni p-n este dependentă de temperatură, fapt considerat un dezavantaj pentru majoritatea circuitelor electronice. Totuși această dependență poate fi utilizată pentru măsurări de temperatură.

Se folosește dependența de temperatură a tensiunii VD (sau VBE) la bornele unei joncțiuni p-n alimentată în direct.

Atât VD cât și VBE variază cu temperatura aproximativ după o lege liniară cu condiția ca să se păstreze un curent constant prin joncțiune. Pentru diode dependența caracteristicii VD cu temperatura este neliniară și nereproductibilă pentru cerințele unor sisteme precise de măsură. De aceea este indicat să se folosească dependența de temperatură a tensiunii bază – emitor VBE a unui tranzistor alimentat cu un curent constant IC pe colector. Acuratețea în tranzistor este mai bună decât într-o diodă, de aceea vom folosi tranzistoare bipolare (npn sau pnp).

Când un tranzistor lucrează la un curent de colector IC constant (colectorul și baza sunt conectate împreună), tensiunea emitor-bază VBE descrește aproape liniar cu temperatura.

(1)

unde

(2)

a este o constantă care depinde de densitatea curentului și de parametrii de proces;

T – temperatura în grade Kelvin.

În practică, sensibilitatea unui tranzistor cu siliciu este de ordinul – 2,2 mV/K, cu o neliniaritate de 0.34 mV/0C.

Tensiunea este independentă de procesele tehnologice, de nivelul curentului de alimentare și de geometria tranzistorului.

1.5 CALIBRAREA SENZORILOR DE TEMPERATURĂ CU TRANZISTOR

Se măsoară VBE la o temperatură de referință (0 oC = 273,15 K) și se determină valoarea constantei a:

(3)

(4)

Valoarea factorului a depinde de curentul aplicat pe joncțiune (1 mA 10 mA).

Din cauză că tranzistoarele sunt de diverse arii și fabricate prin diverse tehnologii, acestea nu prezintă aceeași valoare a pentru un curent egal.

De aceea se determină valoarea constantei a egală la mai mulți tranzistori prin variația curentului IC prin joncțiune. În acest fel cu aceeași

2. Arhitectura µprocesoarelor P4/K7

Introducere

    Istoria bogată și complexă a procesoarelor moderne se întinde pe mai bine de o jumătate de secol, începuturile acesteia fiind indisolubil legate de calculatoarele care au deschis noi căi în era informaticii, de aceea la începutul articolului vom prezenta exhaustiv atât ascendentul procesoarelor moderne cât și primii „monștri preistorici” care ne-au condus spre ceea ce numim astăzi un procesor modern.

    Procesorul a apărut ca urmare a necesității efectuării în mod rapid de calcule complexe și a avut o ascensiune și perfecționare simultană cu dezvoltarea industriei mondiale de informatică-telecomunicații. Pentru început, ne vom referi la câteva detalii tehnice pentru a putea înțelege mai bine tumultoasa istorie și progresul atât de rapid al microprocesorului.

Ce este un microprocesor ?

    Microprocesorul este o componentă electronică ce poate procesa două tipuri de informație, date și comenzi; el primește și trimite aceste informații, codate în limbaj binar, prin impulsuri electrice.

     În ciuda complexității sale, microprocesorul este alcătuit în principal dintr-un singur element de bază: tranzistorul (inventat în 1947). Asamblând milioane de tranzistori, se pot crea comenzi ce analizează starea unor curenți electrici, rezultând în execuția pe plan logic a unei adunări, a unei comparații între două date etc. Mărimea unui astfel de tranzistor este foarte redusă, de ordinul miilor de atomi. Toate componentele calculatorului, inclusiv procesorul si memoria, sunt sincronizate de impulsurile unui generator de tact.

Cum se fabrică ?

    Dacă tehnologiile necesare fabricării unui microprocesor sunt deosebit de complexe, principiul este relativ simplu: realizarea – prin diverse procedee: fotolitografie, implant de ioni, difuzie – a unui număr de straturi (layere) suprapuse, cu proprietăți fizice și electrice bine precizate. Vom detalia mai departe tehnologia CMOS standard:

a) se decupează o plachetă fină (0,5-1mm, denumită și "wafer") de siliciu cristalin de înaltă puritate, care se oxidează termic, apoi se acoperă cu un strat fotosensibil;

b) se desenează circuitele electronice pe stratul fotosensibil, prin expunerea la o sursă luminoasă specială printr-o mască (dedicată layerului, și anume negativul acesteia);

c) ansamblul se spală într-o soluție revelatoare care îndepărtează materialul care nu a fost expus luminii;

d) se aplică materialele semi-conductoare pentru a construi componentele electronice prin creșterea straturilor cu diferite grade de dopare, implantare de ioni, depunere de materiale conductoare; tranzistorii rezultați sunt conectați între ei prin legături de aluminiu sau mai recent, de cupru;

e) se repetă pașii b) – d) în funcție de numărul de straturi necesare;

f) după realizarea tuturor layerelor necesare, are loc o operație de pasivizare prin care suprafața plachetei de siliciu este acoperită cu un strat de oxid mai gros, de protecție;

g) realizarea conexiunilor între componente și a punților de conectare (bond-pad-urile) cu exteriorul, prin creștere/depunere de straturi conductoare;

h) separarea chipurilor: fiecare placă de siliciu conține un număr mai mare sau mai mic de chipuri distincte;

i) urmează apoi conectarea la pinii capsulei și încapsularea, procesorul se acoperă cu un material protector din ceramică sau plastic.

Generalități

    Când vorbim despre procesoare, ne gândim automat la CPU (Central Processing Unit), însă majoritatea componentelor dintr-un PC sunt dotate cu microprocesoare, acestea controlând placa de sunet, de rețea sau placa grafică (unde mai nou este folosită denumirea de GPU – Graphic Processing Unit, procesor ce rivalizează în număr de tranzistori cu un CPU). Circuitele procesoare ale componentelor și perifericelor sunt atât de specializate, încât nu pot comunica direct între ele; în schimb, ele depun informațiile utile în zone specifice ale memoriei, de unde procesorul le poate extrage, prelucrând și coordonând activitatea acestora. Deoarece toate informațiile tranzitează obligatoriu CPU-ul, puterea globală de calcul a calculatorului va depinde de acesta. În contrast, CPU-ul este un procesor cu un grad mai redus de specializare și, prin urmare, cu o arie foarte largă de utilizare; destinația lui poate fi schimbată prin încărcarea unor seturi noi de instrucțiuni, așa-numitele programe.

Arhitectura internă pe scurt

    Arhitectura internă se împarte schematic în trei mari blocuri de tranzistori numite și unități:

     1) Unitatea de memorie cache, împărțită în două subunități, una pentru comenzi, cealaltă pentru date; memoria cache stochează comenzile și datele cele mai des utilizate;

     2) Unitățile de control, care se ocupă cu decodarea instrucțiunilor, cu accesul la memoria RAM etc;

     3) Unitățile de calcul:

    – unitatea aritmetică (ALU – Aritmetic Logical Unit), este cea mai importantă, fiind utilizată de toate programele; se ocupă numai de calculele simple, cu numere întregi.

    – unitatea de calcul în virgulă mobilă (FPU – Floating Point Unit), era la origine un procesor independent (seria 8087, 80287, 80387); a fost integrată în procesorul principal în 1989, odată cu apariția lui 80486. Această unitate este capabilă de operații matematice cu virgulă mobilă, precum și de altele mai avansate, cum ar fi radicalul sau funcțiile trigonometrice.

    – unitatea multimedia, nestandardizată; prima astfel de unitate a fost MMX în 1997, au urmat apoi 3DNow!, SSE, 3DNow!+, SSE2; funcția lor este aceea de a optimiza programele multimedia (sunet, grafică 3D, efecte audio-video).

Caracteristici de funcționare

a) Frecvența

    O proprietate comuna a unui procesor este frecvența sa, în relație direct proporțională cu puterea sa de calcul. Unitatea de măsură a frecvenței este ciclul pe secundă sau Hertz-ul. O viteză de 400 MHz face ca microprocesorul să poată prelucra 400 de milioane de semnale binare (0, 1) pe secundă. Un procesor mai este caracterizat și de dimensiunea magistralei de date, care se măsoară în biți. Cu cât aceasta este mai mare, evident, fluxul informațiilor tranzitate și prelucrate va fi mai mare, procesoarele actuale dispunând de o magistrală pe 64 de biți, inaugurată de Pentium.     Creșterea frecvenței microprocesorului este principalul mijloc de a crește performanțele. Astfel, dacă în 1981, primul PC avea frecvența de 4,77 MHz, au urmat:

1984 : 8 MHz

1986 : 10 MHz

1987 : 16 MHz

1989 : 25 MHz

1991 : 33 MHz

1992 : 50 MHz

1993 : 66 MHz

1995 : 100 MHz

1997 : 200 MHz

1998 : 400 MHz

1999 : 800 MHz

2000 : 1500 MHz

2001 : 2000 MHz

2002 : peste 3000 MHz

    Datorită diferenței de arhitectură între diferitele generații de procesoare, puterea de calcul poate varia în cazul a două procesoare cu aceeași frecvență dar aparținând unor generații diferite. De aceea, capacitatea de calcul a unui Pentium 100 MHz ar fi apropiată de cea a unui ipotetic 486 la 200 MHz. Un exemplu recent îl constituie performanța medie a lui Pentium 4 2000 MHz, care este sensibil egală cu a unui AMD Athlon 1600 MHz.

    Frecvența unui procesor este direct legată de mărimea circuitelor interne. Fabricantul trebuie să găsească un echilibru între reducerea dimensiunii circuitelor, fapt ce provoacă reducerea căldurii disipate și creșterea frecvenței de lucru, frecvență care determină automat și creșterea temperaturii.

b) Memoria cache

    Memoria cache este o memorie de mare viteză, inclusă în totalitate în procesor (la procesoarele actuale) sau pe placa de bază (la primele modele), care păstrează informațiile și datele cele mai recent utilizate. Aceasta este împărțită pe mai multe nivele (levels), în funcție de „distanța” față de unitatea de calcul. Astfel, memoria cache level 1 poate fi accesată imediat, fără stadii de așteptare, deoarece lucrează la viteza procesorului. Memoria cache level 2, este de obicei mai mare și a cunoscut o evoluție marcantă. Inițial ea a fost încorporată pe placa de bază și deținea o viteză mică; apoi ea a fost alăturată procesorului, funcționând la o viteză fracționată, dar comparabilă cu acesta. În final, ea a fost integrată în pastila de siliciu a acestuia, având astfel o viteză egală cu CPU-ul. Avantajul memoriei cache constă în reducerea timpilor de așteptare, deci în creșterea vitezei de lucru, deoarece memoria RAM a sistemului este mult mai lentă decât procesorul.

    Avantajul memoriei cache (level 1 sau level 2) se poate observa usor, dezactivând-o din BIOS. Ca fapt divers, eliminarea L1 cache-ului din orice procesor, oricât de modern ar fi, chiar dacă rulează la 1 sau 2 GHz, chiar dacă deține memorie L2 cache integrată și de dimensiune mare, va produce scăderea performanțelor până aproape de nivelul unui 486.

c) Arhitecturile RISC și CISC

    Aceste arhitecturi definesc felul în care comenzile sunt executate în microprocesor. Arhitectura CISC (Complex Instruction Set Computer) a apărut în primele procesoare, fiind și singura existentă la acea vreme. Cu timpul, cercetătorii au descoperit că o suită de instrucțiuni simple se poate executa mai rapid decât o singură instrucțiune complexă, iar diminuarea numărului de comenzi și a complexității lor permite reducerea spațiului utilizat de acestea în procesor, având ca și consecință creșterea vitezei de lucru, astfel apărând arhitectura RISC (Reduced Instruction Set Computer). În practică, procesoarele RISC sunt aproximativ de două ori mai rapide decât omoloagele lor CISC.

d) Execuția super-scalară

    Super-scalar înseamnă posibilitatea de a executa mai multe instrucțiuni simultan prin integrarea mai multor unități de calcul. Primul procesor super-scalar din lumea PC, a fost Pentium; acesta integra două ALU (Arithmetical Logic Unit).

e) Unelte de dezvoltare

    Puterea unui procesor este inutilă dacă nu există un program care să-l exploateze la maxim. Programele sunt scrise cu ajutorul limbajelor de programare, dar progresul lor este relativ lent față de evoluția procesoarelor, ceea ce atrage un decalaj cvasipermanent între hardware și software. De exemplu, primul compilator care exploata eficient procesoarele Pentium și Pentium II, o versiune a lui Visual C++, a apărut în 1999, abia după doi ani de la lansarea Pentium II și la șase ani după apariția Pentium.

    Chiar dacă puterea de calcul a procesoarelor a crescut de sute de ori în 15 ani, nu înseamnă că un program de editare de text este de sute de ori mai rapid. O mare parte din această putere de calcul a fost transmisă către funcții din ce în ce mai numeroase și mai complexe, utile de exemplu în aplicații multimedia.

Al patrulea Pentium

vs

    La sfârșitul anului 2000 AMD Athlon atinsese 1.2 GHz și încă mai avea resurse pentru creșterea frecvenței, iar Pentium III stagna fără voia lui la 1 GHz. Intel trebuia neapărat să facă ceva pentru a redobândi supremația, cel puțin la fascinanta cifră a mega(giga)hertzilor. Răspunsul a venit sub forma unui alt Pentium (nume ce s-a impus de-a lungul anilor în conștiințele tuturor utilizatorilor de PC-uri): Pentium 4, cu nume de cod Willamette.

     Pentium 4 conține destul de puține elemente comune cu Pentium III, deci se poate spune că s-a ajuns la generația a șaptea. Noutățile aduse sunt numeroase, unele concepute să crească performanțele, altele să scadă costurile de producție. Astfel, lucru deosebit de curios, cache-ul lui Pentium 4 a fost, contrar așteptărilor, micșorat. Dacă toți membrii generației P6 dețineau 32 KB cache level 1, 16 pentru instrucțiuni și 16 pentru date, la Pentium 4 asistăm la o separare clară a acestor două componente. Pe de o parte cache-ul de instrucțiuni a fost complet schimbat, devenind așa-numitul „trace cache”, cu 12000 micro-op-i (după opinia unora ar fi vorba de aproape 100 KB), pe de altă parte cache-ul de date a fost redus la doar 8 KB. Acest dezavantaj a dus la un fapt paradoxal, acela ca Pentium 4 să fie în multe aplicații mai lent decât Pentium III. În plus, pipeline-ul a fost crescut la 20 de stagii (față de 12 la Pentium II/III și 15 la Athlon), artificiu tehnic ce are menirea de a crește scalabilitatea, deci capacitatea procesorului de a rula la frecvențe mari, dar în detrimentul performanței. În schimb, unitatea ALU, cea care se ocupă cu calculele cu numere întregi, funcționează la o frecvență dublă decât cea a core-ului. Astfel, un Pentium 4 la 1.5 GHz, deține un ALU care rulează la 3 GHz.

     La proiectarea procesorului Pentium 4 s-a pus accentul pe lățimea de bandă cu care va lucra cu chipset-ul, rezultând necesitatea utilizării celor mai scumpe memorii ale momentului, RAMBUS RDRAM, singurele capabile să alimenteze constant bus-ul de 400 MHz. Chiar dacă răspunzător pentru aceasta nu este procesorul în sine, ci chipset-ul plăcii de bază (în acest caz Intel 850), performanțele față de simpla memorie SDRAM sunt mult ameliorate. Chiar dacă latența mare a acestui tip de memorie, care rulează la o frecvență de 4 ori mai mare decât cea SDRAM, nu o face de 4 ori mai rapidă decât aceasta, sporul de performanță nu se lasă așteptat.

    Ca și în cazul lui Pentium III, când accentul marketingului s-a pus pe instrucțiunile SSE, Intel a decis să introducă un cuvânt magic pentru a promova P4: Arhitectura NetBurst.

Câteva rânduri din „dosarul tehnic" al acestei arhitecturi: Hyper Pipelined Technology, Rapid Execution Engine, Execution Trace Cache and a 400MHz system bus. V-ați dumirit? Stați, că nu e încă tot; Intel mai promite și alte „îmbunătățiri secundare” : Advanced Dynamic Execution, Advanced Transfer Cache, Enhanced Floating Point & Multimedia Unit, and Streaming SIMD Extensions 2. Cu astfel de acte de naștere, procesorul Pentium 4 se anunța liderul gamei x86 de la sfârșitul mileniului 2. Și într-adevăr, cum să nu apreciezi măcar FSB-ul de 400 MHz, dublul FSB-ului lui Athlon la acea oră? Insă când primele exemplare au fost supuse testelor obiective și comparative, s-a dovedit că Pentium 4 este în mare parte încă un produs bine elaborat de marketing, varianta la 1.5 GHz cuplată cu RIMM (cele mai rapide și scumpe memorii ale momentului) fiind depășită destul de des în performanțe de un Athlon de 1.2 GHz cuplat cu memorii DDR, care costa câteva sute bune de dolari mai puțin. Astfel, noul procesor de la Intel a devenit poate cel mai controversat procesor din istoria companiei. Fabuloasele sale caracteristici tehnice nereflectându-se în practică, singurul său atu a rămas frecvența ridicată de lucru și mai alea scalabilitatea sa, adică posibilitatea de a i se crește frecvența în viitor, direct proporțional cu viitoarele performanțe.

     Intel a deținut până la sfârșitul anului 2001 un acord cu RAMBUS, prin care era obligat să promoveze acest tip de memorie. Dacă inițial părea o soluție bună din punct de vedere al performanțelor, din cauza prețulului prea mare al memoriei RDRAM, piața nu a putut fi convinsă să adopte acest standard. Cu toate că s-a ajuns ca Intel să subvenționeze achiziționarea memoriei RIMM din propriul buzunar (versiunile BOX fiind livrate cu 128 sau 256 MB) rezultatul a fost un eșec parțial, Intel fiind nevoit să recurgă la o soluție mult criticată: aceea de a folosi pentru Pentium 4 memorii de tip SDRAM. Rezultatele au fost catastrofale sub aspectul performanțelor, acestea fiind mai degrabă asemănătoare cu cele ale unui Celeron, procesorul AMD Duron dovedind de multe ori performanțe mai mari la o frecvență mult inferioară. Însă acest lucru a mai însemnat și democratizarea lui P4, masele largi, atrase de mirajul P4, nefiind la curent cu diferențele dintre memorii ci mai degrabă cu prețul mai redus al PC-urilor echipate cu ultimul procesor Intel.

    Începând cu ianuarie 2002, acordul cu RAMBUS fiind expirat, Intel a reușit să introducă DDR SDRAM-ul, memoria folosită în acel moment doar pe platforma AMD. Datorită latenței mai mici, DDR SDRAM-ul se situează aproape la același nivel de performanță cu RDRAM-ul, chiar dacă acesta din urmă are un transfer teoretic dublu.

     Platforma folosită de Pentium 4 a fost inițial Socket 423. Din motive necunoscute (se vorbește despre noile cerințe neluate în calcul ale următorului P4 cu nume de cod Northwood), Intel a trecut brusc, în vara lui 2001, la un format nou, Socket 478, procesorul având mai mulți pini, dar fiind de dimensiuni mult mai mici.

Este inutil de menționat că cele două platforme nu sunt compatibile între ele, un upgrade de la Socket 423 la Socket 478 implică schimbarea placii de bază.

     Pentium 4 – Willamette a rulat la frecvențe începând cu 1.3 GHz și terminând cu 2 GHz, dar, după cum am spus, performanțele sale nu erau cu mult mai mari decât un Pentium III sau Athlon rulând la o frecvență mai mică. Instrucțiunile SSE, introduse odată cu Pentium III, își propuneau să crească performanțele multimedia, lucru doar parțial reușit. Pentium 4 vine cu o extensie a acestora, SSE2, care ridică mult potențialul acestui produs. Însă cum s-a întâmplat de fiecare dată, programatorii nu au renunțat la programarea clasică pentru câteva procente câștigate, și astfel, creșterea de performanță așteptată a întârziat din nou să apară.

     Noul procesor a urcat rapid în frecvență, pragul simbolic de 2 GHz fiind atins în toamna anului 2001, constituind revanșa lui Intel față de pierderea competiției pentru 1 GHz, în martie 2000, în fața lui AMD.

     Urmașul lui Willamette s-a numit Northwood, dar apărând inscripționat tot ca Pentium 4. El diferă prin cache-ul L2, 512 KB față de 256 la predecesor și prin tehnologia de 0.13 microni folosită, fapt care duce la posibilitatea creșterii frecvenței de lucru. Mărirea dimensiunii L2 cache-ului i-a asigurat lui Northwood un spor de performanță de 10-15% în comparație cu Willamette. Pe lângă modelele de 2(A) și 2.2 GHz (apărute la începutul lui 2002), au fost lansate modele inferioare, 1.6A și 1.8A, care ofereau o posibilitate mărită de overclocking fiind cele mai mici modele la început de tehnologie nouă, prin simpla schimbare a FSB-ului de la 100 la 133 MHz (x4 – Quad Pumped) obținându-se exemplare stabile, cu frecvențe care ar fi costat în mod normal de câteva ori mai scump. În luna mai a anului 2002 au fost lansate versiunile de 2.4 GHz și 2.53 GHz, fiind inaugurat oficial noul FSB de 533 MHz (133 MHz Quad Pumped) care a adus o nouă creștere de performanță, de aproximativ 5-10%. Au urmat apoi versiuni la frecvențe superioare, culminând cu cea la 3.06 GHz, ce beneficiază suplimentar de tehnologia HyperThreading, tehnologie ce permite rularea simultană a două aplicații pe același procesor, exact ca într-un sistem multiprocesor. Tehnologia este prezentă de mult timp în modelele de Pentium 4 destinate serverelor (Xeon) și se pare că a existat, dezactivată, încă de la primele modele de Northwood. Abia la sfârșitul anului 2003 Intel a considerat că piața este pregătită pentru activarea acestora, situația datorându-se în principal software-ului, care dacă nu deține optimizări pentru această tehnologie, performanța poate chiar scădea. În plus, este necesar suportul din partea sistemului de operare, de exemplu versiunile de Windows din familia 9x neputând lucra cu HyperThreading.

     Dacă AMD a făcut o greșeală la lansarea lui Athlon și a permis folosirea surselor vechi de alimentare, fapt care a cauzat de multe ori instabilitate în funcționare din caza puterii prea mari absorbite, Pentium 4 nu mai permite acest lucru. El necesită o sursă specială, deci un upgrade la Pentium 4 presupune și un upgrade al carcasei, crescând astfel costurile de achiziție, dar rezultând certitudinea unei funcționări în parametri optimi.

… și adversarul său, Athlon XP

     Reacția de la AMD a sosit rapid, Athlon-ul mărindu-și atât frecvența de funcționare, cât și bus-ul, de la 200 la 266 MHz (Athlon-C), concomitent cu impunerea perechii procesor Athlon – memorii DDR-SDRAM. Ultimul Athlon Thunderbird lansat a fost cel de 1.4 GHz, procesor ale cărui performanțe echivalau cu cele ale unui Pentium 4 la 1.8 – 2 GHz.

     La sfârșitul lui 2001, cu puțin înaintea lansării lui P4 – Northwood, AMD vine cu o nouă provocare: Athlon XP. Respectând moda de a anexa sufixul XP la coada denumirii (sufix îndelung exploatat, ce își are originea în ultima versiune de Windows a lui Microsoft), Athlon XP (nume de cod Palomino), a suferit unele îmbunătățiri, printre care cea mai importantă fiind anexarea instucțiunilor SSE de la Intel. Denumite 3DNow! Professional, AMD reușește pentru prima dată să reunească cele două platforme multimedia într-una singură. Astfel, toate aplicatiile care erau optimizate Intel/SSE, vor rula mai repede cu Athlon XP. Benchmark-urile Thunderbird – XP la aceeași frecvență ne indică un spor de performanță de 2-15% în favoarea acestuia din urmă (beneficiind ca și PIII Tualatin de noul Data Prefetch Logic – DPL). Este drept, SSE2, lansat odată cu Pentium 4, nu este disponibil, dar cu toate acestea, Athlon XP reușește un fapt cu adevărat remarcabil: acela de a fi un procesor foarte rapid și ieftin, diferența inițială de preț între el și Pentium 4 fiind considerabilă.

     Din motive controversate de marketing, AMD a recurs din nou la denumirea procesoarelor sale folosind notația PR, ca pe vremea lui K5. Astfel, un Athlon XP 1500+ (cel mai lent exemplar) rulează la o frecvență de 1333 MHz, dar este considerat cel puțin la fel de rapid ca Pentium 4 de 1.5 GHz. Dacă în trecut notația PR reflecta performanțele doar în anumite tipuri de aplicații, cu preponderență în cele care foloseau intensiv calcule integer, acum XP este cu adevărat un procesor care își respectă promisiunile. Nu de puține ori, chiar și cu 1.33 GHz, XP-ul de la AMD reușește să doboare un Pentium 4 rulând la 1.8 sau chiar 2 GHz. Explicațiile sunt multe și pornesc de la arhitectura internă, mult mai reușită la AMD din punct de vedere al perfomanțelor raportate la frecvență. Athlon XP a fost, cel puțin până la lansarea lui Northwood, cel mai rapid procesor de pe piață.

    Un aspect delicat pentru AMD l-a constituit încălzirea pronunțată a modelelor superioare de Thunderbird, fapt care a generat multe probleme home-userilor dotați cu radiatoare și ventilatoare inadecvate. Athlon XP elimină aceste probleme, totuși căldura disipată fiind peste cea a unui Pentium 4 echivalent. Un experiment celebru a dus repede la instalarea unei prejudecăți în rândul maselor, astfel eliminarea completă a radiatorului de pe un procesor Athlon TB sau XP duce inevitabil la arderea sa în numai câteva secunde, chiar dacă Athlon XP avea inclusă o diodă termică special în scopul protecției la creșterea temperaturii. În schimb, în cadrul aceluiași experiment, Pentium III și Pentium 4 dau dovadă de o funcționare impecabilă a sistemului de autoprotecție, și dacă PIII se mulțumește doar să se blocheze, Pentium 4 își reduce singur frecvența de lucru, contiunând să funcționeze fără radiator. În fața resentimentelor publicului, AMD ne asigură că în realitate, procesorul său mai este protejat și de un senzor de pe placa de bază (implementat de curând) și oricum, situația rulării fără radiator nu apare decât în cazul în care cineva vrea în mod special să denigreze imaginea sa.

     Athlon XP a fost inițial disponibil numai în versiuni cu bus de 266 MHz, aceste modele funcționând pe orice placă de bază ce suportă această frecvență, eventual după un update de BIOS. Athlon XP Palomino a ajuns la versiunea 2100+ (1733 MHz), fiind ultimul reprezentant al familiei pe 0.18 microni. Trecerea pe 0.13 microni s-a făcut destul de lent; mai întâi au fost lansate modelele 2200+, 2400+ și 2600+, a căror disponibilitate era destul de mică. Apoi au urmat câteva lansări pe hârtie, versiunile 2700+ și 2800+ beneficiind în sfârșit de un FSB de 333 MHz, dar care din cauza procesului de fabricație dificil existau în număr mic și erau foarte greu dacă nu imposibil de găsit.

    Au fost lansate versiuni pe 0.13 microni și pentru modelele inferioare, începând cu 1700+ (1466 MHz). Astfel s-au născut câteva procesoare ideale pentru cei care își doreau un procesor rece și/sau „dornic” de overclocking. Într-adevăr, majoritatea modelelor 1700+ sau 1800+ bazate pe core-ul Thoroughbred

rulează fără probleme la un FSB de 333 MHz și aceasta fără modificarea multiplicatorului, obținându-se astfel CPU-uri la 1.8-1.9 GHz (corespunzătoare unui rating mult superior) la un preț foarte mic.

    Recent, AMD a lansat un nou model de Athlon XP, cunoscut sub numele de cod Barton, existent în versiuni 2500+, 2800+ și 3000+, ultimul fiind la început inexisten pe piață. Prin adăugarea a încă 256 KB L2 cache și prin scăderea frecvențelor (Barton 3000+ rulează la o frecvență mai mică decât Thoroughbred 2800+), AMD a putut respira o gură de aer proaspăt, atât din punct de vedere al producției cât și al pieții, egalând cel puțin din punct de vedere al rating-ului procesoarele Intel. Însă Athlon XP 3000+ este ceva mai lent decât Pentium 4 3.06, unul din motive fiind tehnologia HyperThreading prezentă doar în modelul de la Intel.

    După cum spuneam anterior, din cauza procesului de fabricație al lui AMD ineficient și incapabil să satisfacă cererea, Intel deține în prezent supremația din toate punctele de vedere. Până la apariția lui Athlon 64 nu ne putem aștepta la minuni din partea lui AMD, ultima speranță de revigorare stând în acest produs.

3. Consideratii asupra regimului termic al µprocesoarelor

Introducere

    Majoritatea utilizatorilor de PC-uri asociază de multe ori procesoarele AMD / Intel cu problemele cauzate de disiparea exagerată de căldură. În acest articol ne propunem să analizăm cât de justificată este această prejudecată, să găsim cauzele ei, iar în final să furnizăm maximul de detalii pentru evitarea apariției unor astfel de probleme.

    Procesoarele AMD actuale beneficiază de un raport performanță/preț superior oricărui procesor Intel. Din această cauză, ele au cucerit rapid o cotă însemnată din piața procesoarelor din întreaga lume și în particular din țara noastră. Totuși, este adevărat și faptul că energia (căldura) disipată este și ea superioară omoloagelor de la Intel, apărând o predispoziție la supraîncălzire, ceea ce poate cauza instabilitate în cazurile neglijării unei soluții adecvate de răcire. Deoarece mulți cumpărători de platforme AMD dispun de un buget limitat, se face frecvent economie în cazul subansamblelor care asigură răcirea procesorului (cooler, carcasă și ventilatoare de carcasă), această greșeală putând avea repercursiuni grave pe termen lung. Ca un exemplu, foarte mulți utilizatori preferă o carcasă format miditower cu sursa amplasată vertical în locul uneia format middletower cu sursa amplasată orizontal, diferența dintre ele constând într-o temperatură a procesorului cu 5-15°C mai mică în cazul carcasei middletower, in condițiile în care diferența de preț este mai mică de 5 USD. De asemenea, un cooler nefiabil va fi o cauză permanentă de instabilitate în funcționare, mai mult, riscul ca acesta să înceteze să funcționeze va aduce după sine și riscul arderii definitive a procesorului și eventual a plăcii de bază. De aceea la achiziționarea unui sistem, este obligatorie alegerea unei soluții adecvate de racire, la care nu se vor face compromisuri.

    Din cauza multor sisteme AMD care au prezentat instabilitate în funcționare datorate alegerii greșite a coolerului, procesoarele AMD, de altfel extrem de reușite, au căpătat o faimă negativă. Având în vedere că și în cazul unui autoturism, oricât de perfecționat sau scump ar fi, rularea cu sistemul de răcire activ deficitar va duce la apariția unor probleme grave la motor, putem afirma categoric faptul că problema procesoarelor AMD o constituie de fapt cei care asamblează inadecvat PC-urile și nicidecum arhitectura sau concepția procesorului. Vom explica în continuare principalele caracteristici tehnice care însumate, duc la o temperatură mai mare sau mai mică a procesorului.

Procesorul

Toate procesoarele din familia Athlon destinate platformei Socket A dețin un cod de identificare, înscrisă pe pastilă până la Athlon XP Palomino (inclusiv) și plasată într-o margine a procesorului începând cu nucleul Thoroughbred.

    Forma generală a codului o putem considera de forma axbcdef, unde fiecare literă are semnificațiile următoare:

a: o literă sau un grup de litere care desemnează tipul procesorului; astfel avem A=Athlon Thunderbird, D=Duron Spitfire, AX=Athlon XP Palomino, AXDA=Athon XP Thoroughbred; DHD=Duron Morgan; AHL=Low-Power Athlon XP; AMP=Athlon MP;

x: frecvența (pentru Athlon și Duron) sau rating-ul (pentru Athlon XP);

b: materialul din care este confecționat CPU-ul; A reprezintă materialul ceramic (CPGA – Athlon Thunderbird, Duron) iar D cel organic (OPGA – Athlon XP);

c: tensiunea procesorului; L=1.50V, U=1.6V, K=1.65V, M=1.75V;

d: temperatura maximă de funcționare a pastilei de siliciu; T=90 grade, V=85 grade;

e: dimensiunea cache-ului level 2; 1=64 KB (Duron), 3=256 KB (Athlon), 4=512 KB (Barton);

f: frecvența FSB; B=200, C=266, D=333, E=400.

  Pe lângă aceste coduri de identificare, fiecare procesor este înzestrat cu o serie de fabricație care reflectă în mare măsură potențialul său de overclocking. De asemenea se pare că o oarecare importanță o are și săptămâna/anul de fabricație. De exemplu procesorul din imagine deține seria AIUCB și este fabricat în săptămâna cu numărul 43 din anul 2002.

    Cum se deosebește un Athlon XP Thoroughbred stepping A0 de unul B0 ?

    Prima metodă constă în citirea seriei de pe procesor, care va avea ultima literă A sau B, în funcție de stepping. Așadar seria AIUGA desemnează un procesor cu stepping-ul A0, iar AIUCB se referă la un Thoroughbred B0.

Temperatura procesorului depinde de tipul/modelul acestuia. La aceeași frecvență și la tensiunea standard, ordinea generală a temperaturii este următoarea: Athlon XP (Thoroughbred) < Duron (Morgan) < Duron (Spitfire) < Athlon XP (Palomino) < Athlon (Thunderbird). Se observă cum tehnologiile de fabricație mai recente reduc drastic disiparea de căldură. Firește, într-o anumită serie, creșterea frecvenței se face direct proporțional cu creșterea temperaturii, maximul fiind atins de vârful seriei respective. În cadrul unui model la aceeași frecvență, diferitele versiuni (stepping-uri) pot avea temperaturi de funcționare ușor diferite, ca și capacități de overclocking variabile.

Primele generații de procesoare K7 Athlon (Slot A și Thunderbird) nu dețineau nici o protecție împotriva creșterii excesive a temperaturii pastilei de siliciu, fapt care determină în final arderea iremediabilă a procesorului. Acest lucru a devenit o problemă destul de însemnată pentru AMD în special în cazul seriei Thunderbird, care la modelele de frecvență mare (1000-1400 MHz) degajau o cantitate deloc neglijabilă de căldură. Mulți utilizatori și-au ars procesorul în urma montării greșite a coolerului sau din cauza cedării acestuia, ceea ce a contribuit la instaurarea temerii și ezitării pentru mulți cumpărători și potențiali cumpărători de PC-uri care nu-și permiteau sau nu doreau un procesor Intel.

În toamna anului 2001 a apărut succesorul lui Thunderbird, Palomino (inaugurând numele „Athlon XP”) care pe lângă minore îmbunătățiri arhitecturale aducea o diodă termică integrată capabilă să citească temperatura interioară a pastilei, ca protecție împotriva oricărui incident legat de nefuncționarea sistemului de răcire (radiator și ventilator). Însă mai rămăsese o problemă de rezolvat, care a mai durat destul de mult timp: dioda termică a procesorului trebuia să fie citită de un integrat special de pe placa de bază care să ordone întreruperea instantanee a alimentării cu curent a procesorului în caz de avarie a coolerului.

În același timp cu apariția lui Athlon XP, site-ul Tom’s Hardware publica un test filmat de scoatere a coolerului de pe procesoarele Intel și AMD, test ce poate fi citit aici iar filmulețul ce rezumă testul poate fi găsit aici (9 MB). În acest test în care în timpul rulării jocului Quake3 se îndepărtează manual coolerul de pe procesor, procesoarele AMD (Thunderbird și Palomino) au fost eroii negativi, arzându-se și scoțând un fum spectaculos, în timp ce concurența trecea cu brio de test, Pentium III blocându-se iar Pentium 4 încetinindu-și frecvența de funcționare. Testul a accentuat faima negativă și temerea cumpărătorilor față de procesoarele din familia Athlon, în timp ce AMD încerca să explice fără mult succes că de vină este placa de bază folosită în test, care nu putuse citi în timp util creșterea extrem de rapidă a temperaturii procesorului respectiv.

Manevra eliminării bruște și intenționate a coolerului pune cel mai clar în evidență funcționarea sau nefuncționarea protecției termice a plăcii de bază.

Pe situl internet Tom’s Hardware exista un test pe cateva placi de baza in care doua procesoare AMD se ard, iar doua procesoare Intel „supravietuiesc”. Plăcile de bază actuale pentru Athlon XP au remediat deficiența

Testele efectuate in Romania au folosit o placa de baza Albatron KX400+ Pro (VIA KT333) respectiv un DFI AD76 (VIA KT333). Procesorul folosit în test a fost un Duron funcționând la 1.2 GHz (cu nucleu Morgan, derivat din Palomino, deci dotat cu diodă termică). Testul a fost un succes dublu, ambele plăci de bază oprindu-se imediat după scoaterea coolerului în timpul rulării clasicului joc Quake3, și repornind după repunerea sa, fără nici cea mai mică problemă. De asemenea pornirea PC-ului fără cooler montat (deci simularea unei instalări proaste a coolerului) a dus în ambele cazuri la oprirea automată după o secundă de funcționare, fără nici o repercursiune asupra procesorului.

Tensiunea, coolerul si interfata termoconductoare – Racirea procesoarelor AMD

Tensiunea de alimentare

    Temperatura procesorului este influențată în mare măsură de tensiunea de alimentare (vcore), cu care este de asemenea în relație direct proporțională. De exemplu, Athlon XP 1600+ (1400 MHz) la tensiunea standard de 1.75V ajunge în majoritatea cazurilor la valoarea de aproximativ 41-42°C iar cu tensiunea scăzută la 1.45V (cea mai mică tensiune la care procesorul este încă stabil) ajunge la 35°C. Tensiunea minimă la care un procesor lucrează stabil depinde de tipul procesorului și de seria din care face parte, astfel s-a constatat că un Athlon Thunderbird 1000 MHz din seria AYHJAR/Y merge stabil la 1.50V (poate chiar mai jos) pe când un Athlon Thunderbird la aceeași frecvență din seria AGGA sau AQGA nu merge mai jos de 1.70V. Nu este recomandată scăderea prea mult a tensiunii, pentru că valori prea mici ale acesteia pot duce la instabilitatea sistemului sau chiar la imposibilitatea acestuia de a mai porni.

Coolerul

    Este considerat ca fiind cel mai important factor de răcire. Coolerul este format din două componente:

    – Radiatorul – are ca rol disiparea căldurii produse de către procesor. Eficiența radiatorului este dată de materialul din care acesta e făcut (cel mai bun fiind cuprul, urmat de aluminiu), de suprafața de răcire (suma tuturor suprafețelor expuse ale metalului), de forma și de suprafața de contact cu procesorul.

.

– Cooler cupru –

– cooler aluminiu –

Este greșită concepția conform căreia radiator mare ar fi neapărat mai bun decât unul mic, mai importantă fiind suprafața de racire și materialul de fabricație, și nu dimensiunea radiatorului. Un exemplu în acest sens este radiatorul livrat cu Athlon XP 2000+, produs de firma Taisol care deși are dimensiuni relativ mici, are suprafața de răcire mare rezultând o eficiență ridicată.

– cooler Taisol Boxed cu AMD Athlon XP 2000+ –

Este de preferat o suprafata de conductie din cupru, datorita coeficientului mai mare de conductie termica.

– Cooler Taisol cu baza de Cupru –

Cuprul are un raport conductivitate/pret optim pentru a putea fi folosit in procesul de fabricatie.

  – Ventilatorul – are rolul de a schimba aerul încălzit de radiator cu aer rece. Debitul de aer dat de ventilator este influențat de forma acestuia (dimensiune, înalțime, numărul și forma palelor) și de viteza de rotație. Cele mai convenabile ventilatoare sunt cele de dimensiuni mai mari cu o viteză de rotație moderată, care asigură un debit de aer suficient fără a emite un zgomot deranjant.

In achizitia coolerului trebuie tinut cont de curba termica pentru diferite familii de procesoare. Prezentam ca exemplu cateva coolere existente pe piata si caracteristicile lor termice :

caracterisitica termica in cazul coolerului titan ttc mt1 –

caracteristica termica a coolerului Taisol cgk760029b –

– caracteristica termica a coolerului Taisol cgk760029 –

Interfața termoconductoare

    Poate fi de tipul 'thermal pad' de unică folosință (fâșie de material sintetic lipită de radiator) sau pastă termoconductoare.

Ambele au ca rol umplerea imperfecțiunilor de pe suprafața radiatorului și a procesorului pentru a asigura un transfer termic cât mai bun între acestea. Aplicarea pastei termoconductoare se face uniform pe suprafața de contact doar cât să umple golurile. O cantitate prea mare duce la un transfer termic ineficient și implicit la riscul de a supraîncălzi procesorul. Pentru o răcire cât mai bună se recomandă înlocuirea thermal pad-ului cu o pastă termoconductoare de calitate (de exemplu Arctic Silver).

– Pasta termoconductoare Artic Silver 3 –

Fabricata din pulbere de argint 99,9%.

Arctic Silver 3 foloseste 3 forme si marimi unice de particule de argint pentru a maximiza suprafata de contact si transferul termic particula-particula.

Aceasta combinatie exclusiva da compusului o culoare verde-argintie dupa cum fiecare tip de particula reflecta lumina in mod diferit. Peste 70% din greutatea compusului este argint.

Arctic silver 3 contine de asemenea un mic procent de particule special concepute de nitrat de bor. Particulele ceramice de nitrat de bor imbunatite termic duc la o mai buna maleabilitate si stabilitate in timp. Are de asemenea o faza tripla de vascozitate controlata (controlled triple phase viscosity) .

Arctic Silver 3 nu contine silicon. Suspensia de fluid este o mixtura de uleiuri polisintetice avansate care impreuna indeplinesc trei faze functionale distinctive. Consistenta pastei este proiectata pentru a fi aplicata intr-un strat fin. In timpul primei folosiri a procesorului amestecul se ingroasa pentru a permite umplerea vailor microscopice si pentru a asigura cel mai bun contact fizic intre radiator si inima procesorului. Apoi amestecul se subtiaza usor in timpul urmatoarelor 50-200 ore de folosinta pana la consistenta finala proiectata pentru stabilitate pe termen lung.

Conductivitate termica:  >9.0 W/mK  

Rezistenta termica:  <0.004°C-in²/Watt   (strat de 0.001 inch)

Temperaturi limita extinse:   – 40°C to >180°C

Coolerul nu trebuie montat în nici un caz fără substanță termoconductoare.

    Aplicarea excesivă a pastei pe procesorul din imagine a dus la supraîncălzirea acestuia, provocând arderea câtorva condensatori de pe placa de bază care, bineînțeles, a devenit nefuncțională.

Aplicarea excesivă este una din problemele des întâlnite atât în cazul utilizatorilor normali cât și în cazul producătorilor de calculatoare.

Carcasa

    Ea trebuie să fie cât mai aerisită, fiind nerecomandate carcasele în care sursa este amplasată în dreptul coolerului. Pentru o circulație cât mai bună a aerului, recomandăm folosirea a cel puțin două ventilatoare, unul pus în față, care să introducă aer și unul în spate, cât mai aproape de cooler, care să scoată aerul cald. Se mai poate folosi și un al treilea ventilator, eventual de dimensiuni mai mari (80-120mm), amplasat în partea laterală a carcasei, în dreptul coolerului. De asemenea cablurile și componentele din interiorul carcasei trebuie poziționate în așa fel încât să nu încurce circulația fluidă a aerului.

Placa de bază

    Există diferențe de temperatură reală sau măsurată între procesoare instalate pe mai multe plăci de bază. Astfel, o placă de bază poate să încălzească mai mult un procesor în special din cauza tensiunii, care chiar dacă este setată la o anumită valoare, ea poate să nu fie fixă. De asemenea, temperatura raportată diferă de la o placă la alta, în funcție în special de tipul senzorului care o citește. Astfel, cel mai exact senzor este cel incorporat în procesor (valabil doar la Athlon XP și Duron Morgan) urmat de senzorul de tip lamelă (întâlnit de obicei la Soltek, MSI și Gigabyte) care masoară temperatura componentei cu care vine în contact, și cel în formă de bulb, care măsoară temperatura aerului din jurul lui. Mai există un tip de senzor destul de rar, întâlnit în special pe plăcile ieftine, care este lipit pe placă și indică o temperatură cu mult mai mică decât cea reală

Solutii la problemele de încalzire – Racirea procesoarelor AMD / Intel

Soluții la problemele de încălzire

    Cum spuneam și în introducere, creșterea exagerată a temperaturii și implicit reducerea stabilității sistemului nu este o problemă a procesorului, ci a utilizatorului. Anihilarea acestei amenințări poate fi făcută urmând un protocol deosebit de simplu, descris în continuare.

    Înainte de a schimba ceva radical în calculator, încercați următoarele:

    – Verificați dacă nu există o aplicație care să țină procesorul permanent ocupat.

    – Demontați și remontați corect coolerul. Dacă ventilatorul funcționează la viteză mai mică, puteți să-l desfaceți și să-l ungeți cu ulei de mecanică fină. Aplicați pasta termoconductoare conform explicației de mai sus. În cazul în care sunt depuneri de praf, curățați bine radiatorul și palele ventilatorului.

Radiatorul din imagine efectiv nu mai putea răci din cauza depunerilor de pe el. Sistemul era foarte instabil din cauza temperaturii la care ajungea procesorul.

    – Asigurați o circulație corectă aerului, în primul rând prin îndepărtarea cablurilor din zona coolerului și prin păstrarea găurilor de aerisire din carcasă libere. Pentru a ocupa mai puțin spațiu, cablurile IDE și FDD se pot achizitiona in forma rotunjita.

    – Scădeți tensiunea de alimentare. În cazul în care placa de bază nu poate face acest lucru, tensiunea se poate modifica și din punțile L7.

    – Folosiți un program de răcire gen CPUCool. La plăcile cu chipset VIA se poate activa o funcție hardware specială de răcire din regiștrii chipsetului

    Dacă nici una din soluțiile de mai sus nu rezolvă problema, mai există și alte alternative, dar care necesită investiții:

    – Dacă temperatura aerului din carcasă este ridicată (peste 35°C) adăugați un ventilator în față, care să introducă aer, și unul în spate, care să scoată aerul încălzit din carcasă.

    – Dacă diferența dintre temperatura aerului în carcasă și temperatura procesorului este mare (peste 15°C), înseamnă că trebuie să schimbați coolerul.

    Temperaturile normale de funcționare a procesoarelor AMD sunt până la 60°C. Temperatura maximă de funcționare a unui procesor diferă de la un model la altul, au fost întâlnite cazuri în care un procesor la 80°C funcționa perfect stabil. Ca regulă însă, temperaturile de peste 60°C sunt riscante.

    Din cauza frecventelor confuzii generate de raportarea eronată a temperaturii de către integratul insărcinat cu măsurarea acesteia, s-a dezvoltat o metodă empirică universală de apreciere a temperaturii procesorului, și anume atingerea cu mâna a radiatorului său. Astfel, putem ignora senzorul special de temperatură (ale cărui valori, așa cum am mai spus, nu sunt întotdeauna exacte) și cuantifica reușita răcirii active prin propriile simțuri. Desigur că "metoda degetometrului" este subiectivă, fiecare dintre noi având o altă imagine reală a verbului "frige", dar în orice caz, imposibilitatea de a ține mâna lipită de radiator constituie un semnal de alarmă. Trebuie menționat că această metodă empirică are valoare numai atâta timp cât s-a asigurat transferul optim de căldură spre cooler, prin montare precisă și prin folosirea pastei termoconductoare. În caz contrar, s-ar putea să sesizăm un cooler rece chiar dacă procesorul este pe cale să se ardă.

4. Aspecte privind realizarea practica a echipamentului de testare a temperaturii µprocesoarelor. Protectia la supraincalzire. Interfata software pentru testarea temperaturii µprocesorului.

Echipamentul de testare este alcatuit dintr-un senzor de temperatura LM335 care este atasat de microprocesor in contact direct. Semnalul ajunge la comparator unde convertorul TC7117 transforma semnalul analog in digiti, semnal care este comparat cu o valoare predefinita de catre comparatorul LM339. Daca valoarea astfel analizata este mai mica decat cea predefinita, atunci se aprinde numai ledul verde. Daca temeperatura este cu 5 grade celsius mai mica decat valoarea predefinita, atunci se va aprinde suplimentar ledul galben – led de avertizare. In momentul in care temperatura atinge nivelul critic prestabilit se va aprinde ledul rosu concomintent cu declansarea releului care va comuta automat si va intrerupe sursa de alimentare cu energie electrica (ledul verde de pe aceasta se va stinge).

O vedere detaliata a aparatului de masura:

Aparatul de masura impreuna cu bancul de test :

Placa de baza, procesorul si coolerul folosit in testul demonstrativ disparate :

Etape de montare :

Principalele componente utilizate in proiectarea aparatului de masura si protectie :

Senzor de temperatura pe baza de semiconductori LM335

LM335 converteste nivelele de temperatura in nivele de tensiune.

Seria de circuite integrate LM135..335 sunt senzori de temperatura de precizie ridicata, usor de calibrat. Functioneaza echivalent cu o dioda Zenner (2 terminale), având o tensiune de strapungere direct proportionala cu temperatura cu un factor de 10mV/K. Având o rezistenta dinamica de sub 1, dispozitivul functioneaza pe o plaja a curentilor de alimentare între 400A si 5mA practic fara nici o schimbare în performante. Daca este calibrat la 25°C LM335 are o eroare tipica mai mica de 2°C pe o gama de 100°C. Spre deosebire de alti senzori bazati pe semiconductori, LM335 are caracteristica de iesire liniara. Aplicatiile pentru acest senzor includ aproape orice tip de masurare de temperatura în gama -40°C – 100°C. Impedanta scazuta si iesirea liniara fac deosebit de usoara interfatarea cu circuitele de control sau citire.

Caracteristici:

calibrare direct în Kelvin

acuratețe de 1°C

funcționează între 400A și 5mA

rezistență dinamică mai mică de 1

ușor de calibrat

gamă largă a temperaturii de funcționare

preț redus.

LM335 este încapsulat capsula de plastic TO-92. Se recomandă pentru lipire o temperatură de 260°C timp de 10 secunde.

Vedere dinspre partea terminalelor a capsulei de plastic TO-92.

Schema electrica a circuitului integrat LM335

Acuratetea functie de temperatura

Notă: măsurătorile au fost făcute într-o baie de ulei agitată. Pentru alte condiții trebuie ținut cont de autoîncălzire.

Caracteristici electrice

Performanțe caracteristice

Timpul de raspuns Eroarea calibrata

Rezistența termică

joncțiune ambiant Constanta de timp (s)

Rezistența dinamică () Timpul de răspuns în aer

O calibrare usoara a acestui tip de senzor se poare face conectând în paralel cu bratele senzorului a unui potentiometru la care cursorul va fi conectat la pinul de ajustare. Reglarea într-un singur punct de temperatura corecteaza erorile pe întreaga gama. Acest lucru este posibil datorita faptului ca iesirea senzorului este proportionala cu temperatura absoluta (la 0K tensiunea de iesire este 0V). Erorile acestui tip de senzor sunt numai erori de panta, dar se stie sigur ca extrapolarea pantei la 0K este 0V si deci calibrarea oricarui alt punct va fixa dreapta.

Tensiunea de iesire (calibrata sau necalibrata) se poate scrie astfel:

Unde T este temperatura necunoscut si T0 este o temperatura de referinta, amândoua exprimate în grade Kelvin. Calibrând iesirea pentru o temperatura va conduce la calibrarea pentru toate temperaturile.

Pentru a asigura o bună acuratețe a măsurătorii trebuie luate mai multe precauții. Ca la orice alt senzor de temperatură autoîncălzirea poate reduce acuratețea. Senzorul trebuie să funcționeze la curentul minim permis de aplicație. Desigur, trebuie asigurat un curent suficient pentru alimentarea atât a senzorului, a potențiometrului de calibrare și a sarcinii externe. Dacă senzorul este folosit într-o incintă cu rezistență termică constantă, erorile generate de autoîncălzire pot fi calibrate. Acest lucru este posibil dacă senzorul este alimentat cu un curent invariabil cu temperatura. Încălzirea va fi atunci proporțională cu tensiunea zenner și deci cu temperatura. Astfel eroarea de autoîncălzire poate fi inclusă în coeficientul de variație cu temperatura.

Aplicații tipice:

Pentru măsurarea temperaturii la distanță trebuie folosit un generator de curent pentru a compensa în parte pierderile datorate rezistenței cablurilor. Dacă se folosesc două perechi de cablu, una pentru alimentare și una pentru semnal se pot reduce în continuare erorile. Se pot folosi astfel cabluri de lungime de până la 300m pentru o eroare de maxim 1°C. Trebuie avut în vedere faptul că pentru curenți mici de alimentare (0.5mA) nu mai este permisă prezența potențiometrului de ajustare. În acest caz ajustarea se va face din circuitul de condiționare de semnal.

Descrierea generala a convertorului analog-digital TC7117

Circuitul TC 7117 este un circuit CMOS pentru conversia analog digitala prin integrare cu dubla rampa a semnalelor cu o rezolutie de 0,05%. Circuitul contine toate componentele active necesare conversiei interne la o rata de esantionare de circa 3 conversii pe secunda, precum si decodificarii si conversiei directe pe un display LED de 3 ½ digiti (-1999….+ 1999). Dispozitivul incorporeaza si o functie de tip HOLD pentru care afisajul ramane blocat pentru un timp nedefinit atta timp cat comanda este activa in 1 logic. Aplicatii de baza ale acestui circuit includ aparate portabile de instrumentatie, multimetre digitale (tensiune, curent, ohmi, putere) masurari de temperatura sau masurari in punte Wheatstone, pH, scale digitale. Eroarea de liniaritate a circuitului este mai mica de 1bit. Intrarile diferentiale de inalta impedanta (aprox. 1 T) asigura curenti de scurgere mai mici de 1 pA, caz ideal pentru orice sursa de semnal. Zgomotul circuitului este de cca. 15 µV, de neglijat in cazul aplicatiei de fata unde senzorul LM335 are o sensibilitate de 10 mV/0C.

Circuitul 7117 necesita o referinta externa de tensiune cu care este comparat semnalul de intrare. In cazul aplicatiei de fata a fost folosit un divizor de tensiune cu potentiometru semireglabil. De asemenea sutn necesare un numar de alte 8 componente pasive dupa cum urmeaza:

o rezistenta de 1 M serie si un condensator de 10 nF paralel asigura un filtru trece-jos pentru intrarea analogica eliminand astfel orice zgomot de frecventa inalta indus de-a lungul cablurilor de conexiune de catre surse parazite de semnal.

O rezistenta de 100 k si un condensator de 100 pF servesc la generarea unei frecvente de tact de 48 kHz necesara circuitului pentru a realiza 3 esantioane / secunda.

Condensatori si rezistenta de referinta necesare pentru stocarea semnalului si prelucrearea acestuia in timpul etapei de integrare – deintegrare a conversiei analog digitale.

Circuitele integrate LM339 contin patru comparatoare independente si un etaj comun de alimentare. Iesirea este de clasa A, adica cu colector in gol, montajul necesitand rezistente de valoare 1…. 10 k conectate intre iesire si borna pozitiva a sursei de alimentare. De asemenea circuitul poate comanda direct pe iesire un LED inseriat cu o rezistenta de sarcina. Pentru comenzi de curent mai mare se folosesc circuite de amplificare cu tranzistoare exterioare. Timpul de raspuns este de circa 300 ns, mai mult decat suficient pentru aplicatia de fata unde necesitatile de comutare in caz de depasire a temperaturii prag sunt de ordinul zecimilor de secunda. Alimentarea circuitului se poate face intre 2-36 V curentul de alimentare este de 0,8 mA, tensiunile de offset si curentii de intrare sunt neglijabili pentru aplicatia de fata.

Principial, orice comparator are doua borne de intrare intitulate inversoare(-) si neinversoare(+). Cand potentialul electric de la borna inversoare este mai mic decat potentialul de la borna neiversoare atunci iesirea in colector in gol a comparatorului va fi in stare de inalta impedanta, tensiunea de iesire fiind adusa la valoarea tensiunii de alimentare (5V in cazul nostru) prin intermediul rezistentei de ridicare. Din contra, cand potentialul electric de pe borna de intrare inversoare este mai mare decat potentialul electric de pe borna neinversoare atunci tranzistorul din etajul de iesire va fi saturat, aducand tensiunea de iesire la o valoare foarte apropiata de 0V.

In figura de mai sus este prezentata o aplicatie tipica folosind comparatorul LM339 in montaj neinversor. Tensiunea de intrare Vin este conectata la borna neinversoare, fiind comparata cu tensiunea de referinta Vref data de divizorul de rezistente Rref si R1. Rezistenta de 10k este utilizata pentru ridicarea iesirii la tensiunea de alimentare, iar celelalte doua rezistente de 10k respectiv 1M, realizeaza o reactie pe borna neinversoare in scopul obtinerii unui histerezis la iesire.

Schema aparat masura

–

Schema electronica comparator

Cablaj Comparator ambele Fețe

Montaj Termometru electronic

Cablaj Comparator Bottom Side Cablaj Top Side

Cablaj termometru digital

Montaj Sursa + Releu

– montaj transformator si releu inbox –

Cablaj Sursă + Releu