Tests de température sur les modules Yoctopuce

Tests de température sur les modules Yoctopuce

Vous avez peut-être remarqué que jusqu'à présent les spécifications de nos modules n'incluaient pas la plage de température de fonctionnement. Cette omission peut paraître étrange, mais nous ne voulions pas donner de chiffres bruts sans quelques explications pour les accompagner. En effet, bien que la plupart des modules aient été conçus pour une plage de température étendue, nous n'avions pas encore eu l'occasion de valider formellement les températures théoriques. Grâce à la petite installation fabriquée il y a deux semaines, c'est finalement en cours de réalisation.

Plage de température normale et plage de température étendue

Les modules Yoctopuce sont avant tout des appareils électriques de mesurage, de régulation et de laboratoire au sens de la norme IEC61010-1. La température normale de fonctionnement incontournable selon cette norme est de 5°C à 40°C. Sur cette plage de température restreinte, on s'attend à ce que toutes les spécifications de base soient respectées simultanément: précision nominale, plage de mesure de tension et de courant pour les capteurs électriques, etc.

Les modules Yoctopuce sont néanmoins prévus pour pouvoir aussi être utilisés sur une plage de températures plus étendue, quitte à limiter certaines caractéristiques dans les conditions extrêmes. L'objectif idéal serait de permettre un fonctionnement sur toute la plage communément retenue pour les composants électroniques industriels, soit de -40°C à 85°C. Mais pour rester dans des solutions technologiques raisonnables, il y a quand même quelques compromis à faire...

Voyons donc d'où viennent les contraintes de température.

Composants électromécaniques

Les connecteurs enfichables sont typiquement des causes de limitation de température de fonctionnement, en raison des déformations causés par la température, qui peuvent altérer les zones de contact. En particulier, les connecteurs micro-USB ne sont garantis que jusqu'à -30°C, raison pour laquelle aucun de nos module n'est garanti pour une température inférieure à -30°C. En pratique, si nécessaire il est possible de contourner cette limitation en utilisant un connecteur soudé aux 4 pads juste derrière la prise micro-USB, mais ça complique un peu.

Autre connecteur sensible: le porte-SIM utilisé dans les YoctoHub-GSM. Officiellement, il n'est garanti qu'entre -20°C et 70°C. Lors de nos tests, il a fonctionné sans problème à 85°C pendant plus d'une heure, mais on ne peut pas garantir son fonctionnement au dessus de 70°C si le fabricant ne le cautionne pas.

D'autres composants électromécaniques, tels que les relais, pourraient poser problème, mais ceux que nous avons choisis pour nos produits sont tous prévus pour la plage de température industrielle et ne posent donc pas de problème.

Composants dissipant de la chaleur

Les composants qui doivent de dissiper de la chaleur sont susceptibles de limiter la température de fonctionnement, car une température ambiante trop haute ne permet pas la dissipation prévue. En choisissant des composants conçus pour fonctionner à haute température on évite bien des problèmes, mais les gros consommateurs d'énergie comme les résistances shunt servant à mesurer le courant restent problématiques. Pour eux, une seule solution, documenter le derating, c'est-à-dire la limitation de courant en fonction de la température ambiante. Et pour cela, rien de tel que le test en environnement contrôlé.

Résistances et condensateurs

Les résistances et condensateurs sont susceptibles de changer de valeur en fonction de la température. Pour éviter les mauvaises surprises, nous n'utilisons jamais des condensateurs de qualité inférieure à X5R, ni des résistances moins précises que 1%, dont la valeur n'est pas susceptible de varier de manière sensible sur la plage de température industrielle. Certains cas précis nécessitent des composants encore plus stables pour garantir la précision désirée, comme nous le verrons plus bas. Mais quelles que soient les précautions prises, rien ne vaut un test en conditions réelles pour s'assurer que la conjonction de toutes les petites erreurs n'empêche pas le fonctionnement normal sur la plage de température prévue.

Autres semi-conducteurs

Certains capteurs basés sur des phénomènes physiques particuliers ne fonctionnent que dans une plage de température limitée. C'est le cas par exemple des capteurs utilisés dans le Yocto-VOC et le Yocto-CO2, et du télémètre utilisé par le Yocto-RangeFinder. Pour ces cas, nous n'avons pas d'autre solution que de limiter la plage d'utilisation étendue à celle supportée par le capteur, en l'occurrence 0...50°C pour les capteurs de qualité de l'air et -20°C...70°C pour le Yocto-RangeFinder.


Effets de la température sur la précision

De nombreux capteurs Yoctopuce sont basés sur des mesures électriques de précision. Les fortes variations de température peuvent affecter ces mesures à trois niveaux: sur le convertisseur analogique/digital, sur les résistances de précision utilisées pour la mesure et par l'effet thermocouple aux points de jonction entre les composants et le circuit imprimé.

L'erreur du convertisseur analogique/digital sur la plage de température industrielle est minime, car nous utilisons systématiquement un composant de qualité de Texas Instruments. Le choix des résistances de précision utilisées varie selon les produits, en fonction des compromis de coût/précision que nous avons fait. Pour les produits les plus précis, tels que le Yocto-PT100 et le Yocto-4-20mA-Rx, nous utilisons des résistances de précision 0.01% dont la variation en fonction de la température est limitée à quelques ppm/°C. Restent les erreurs introduites par l'effet thermocouple, difficilement prédictibles, mais qui peuvent facilement être pris en compte dans une quantification globale de l'erreur de mesure sur la base de tests réels sur la plage de température étendue.

Pour ce genre de capteur, nous indiquerons donc non seulement la plage de température de fonctionnement et la précision nominale, mais aussi le coefficient de température, c'est-à-dire l'erreur en ppm susceptible de s'ajouter par degré d'écart par rapport à une température nominale de 25°C.

L'installation de torture de modules Yoctopuce, construite à base de modules Yoctopuce
L'installation de torture de modules Yoctopuce, construite à base de modules Yoctopuce


Les tests

Cette première série de tests s'est focalisée sur les hautes températures. Nous avons effectué des tests dans notre boîte à chaud, d'abord avec une élévation de température continue de quelques degrés par minute, puis durant plus d'une heure à une température supérieure à 85°C. A part une seule surprise, tous les produits se sont plutôt bien comportés. Voici les principaux résultats:

  • Pour commencer, la seule surprise désagréable: à partir de 80°C, le Yocto-MaxiPowerRelay pouvait se déconnecter du bus USB si 3 relais ou plus étaient enclenchés simultanément. Heureusement, le problème a été facile à régler, et si vous achetez un Yocto-MaxiPowerRelay aujourd'hui, il n'aura plus ce problème.
  • Aucun problème pour le Yocto-PowerRelay par contre.
  • Fonctionnement sans faille non plus du Micro-USB-Hub-v2 à 85°C.
  • Aucun problème pour les Yocto-PWM-Rx et Yocto-PWM-Tx. Sur le Yocto-PWM-Tx on constate une variation de fréquence de l'ordre 100ppm/°C, mais le duty cycle reste naturellement constant. Nous gardons néanmoins l'idée d'ajouter un oscillateur pour réduire la variation de fréquence dans la prochaine révision...
  • Les Yocto-4-20mA-Rx et Yocto-4-20mA-Tx se comportent très bien. En particulier, la précision du Yocto-4-20mA-Rx reste excellente, avec un coefficient de température observé de moins de 10ppm/°C.
  • Les Yocto-0-10V-Rx et Yocto-0-10V-Tx sont aussi stables, avec une dérive en température de l'ordre de la précision annoncée.
  • Le Yocto-PT100 fait notre fierté, avec un coefficient de température tellement faible qu'on peine à l'observer...
  • La précision du Yocto-Volt est aussi vérifiée sur toute la plage de température étendue.
  • Les Yocto-Amp et Yocto-Watt sont moins affectés que nous le craignons par l'augmentation de la température ambiante. Non seulement aucun effet n'est visible sur la précision des mesures, mais le derating sur la puissance est limité à 0,5A/°C, ce qui permet de les utiliser à pleine puissance jusqu'à 67°C pour le Yocto-Amp et 61°C pour le Yocto-Watt.
  • Le YoctoHub-Ethernet fonctionne sans problème sur toute la plage de température, y compris en PoE. Notez que la puissance disponible en PoE baisse un peu lorsque la température ambiante dépasse 70°C, cela sera documenté.
  • Le YoctoHub-GSM-3G-EU a fonctionné sans le moindre problème à 85°C, malgré la limitation annoncée du porte SIM.

Toutes ces observations seront compilées en détail dans les spécifications de chaque produit sous peu, dès que les mesures complémentaires de grand froid auront été faites. A suivre tout bientôt...

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