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Leitfaden für das Design von Temperatursensoren

Zwar ist Temperatur der am häufigsten gemessene Parameter weltweit, aber eine präzise Messung ist schwierig. Die am häufigsten verwendeten Geräte zur elektrischen Temperaturmessung sind Thermoelemente, d. h. temperaturabhängige Widerstandselemente – RTDs und Thermistoren – und Halbleiterdiodenbauteile. Während die Methoden für den Einsatz dieser Bauteile bekannt sind, wird die Messung zu einer Herausforderung, wenn eine Präzision von über 0,5 °C oder 0,1 °C erreicht werden soll. Die Überwindung dieser Herausforderungen und die Integration der Sensoren in CPU-basierte Steuerungs- und Überwachungssysteme erfordert Fachwissen beim analogen bzw. digitalen Schaltungsdesign sowie in der Firmware-Entwicklung.

Dieser Artikel soll Technikern und Ingenieuren bei der Konstruktionsaufgabe helfen, Temperatursensoren in ihre Systeme zu integrieren, ob für die direkte Überwachung oder Steuerung, den Schutz vor Überhitzung oder die Kalibrierung anderer temperaturempfindlicher Sensoren oder Systembauteile wie Gas- und Flussmesser. Bei der ersten Beurteilung der Temperatursensortypen für die Integration in eine neue Anwendung geht es bei den ersten Fragen nicht darum, wie „gut“ ein Sensor sein mag – das kommt später – sondern, wie gut der Sensor für die Anwendung geeignet ist.

Entsprechend beginnen wir damit, uns mit den Faktoren zu beschäftigen, die diktieren, welcher Sensortyp am besten für eine bestimme Anwendung geeignet ist. Anschließend prüfen wir die verschiedenen verfügbaren Sensortypen, so dass ihre komparativen Vorteile und Nachteile offensichtlich werden. Ausgestattet mit diesen komparativen Profilen beschäftigen wir uns mit einigen konkreten praktischen Überlegungen; Ansätzen, die beim Design dieser Sensoren für die Integration in reale Anwendungen verfolgt und Punkte, die berücksichtigt werden können. Abschließend stellen wir einige momentan verfügbare Kits und Hardware heraus, die sich als guter Ausgangspunkt für das Sensorsystemdesign eignen.

Berücksichtigung der Anwendung und Anpassung des Sensors an diese Gegebenheiten

Sensoren werden durch viele Parameter charakterisiert, die im Wesentlichen in die Typen elektrisch, physikalisch und Umwelt eingeteilt werden können. Sensorprofile können in Bezug auf diese Parameter mit den Anforderungsspezifikationen einer Anwendung verglichen werden, um den Sensor zu identifizieren, der am besten passt. Beispielsweise benötigt ein Wohnungsthermostat keine sehr hohe Genauigkeit, er sollte jedoch preiswert für eine Großserienfertigung sein. Im Gegensatz dazu ist der Preis für einen Sensor in einem medizinischen Instrument wahrscheinlich weniger kritisch, aber hohe Genauigkeit, Auflösung und Störfestigkeit sind normalerweise wesentliche Faktoren.

Unterschiedliche Anwendungen stellen verschiedene Anforderungen an die Genauigkeit des Sensors. Alle Überlegungen in Bezug auf die „Genauigkeit“ sollten auf die damit in Zusammenhang stehenden Merkmale in Bezug auf das Auflösungsvermögen und die Präzision ausgedehnt werden. Genauigkeit ist die Kapazität eines Sensors, Ergebnisse zu liefern, die nahe an dem tatsächlichen Wert einer gemessenen Temperatur liegen, während das Auflösungsvermögen die minimale Eingabeänderung ist, die erforderlich ist, um eine erkennbare Änderung in der Ausgabe zu erzielen. Präzision definiert die Fähigkeit des Sensors, denselben Messwert zurückzugeben, wenn dieselbe Variable unter denselben vorgeschriebenen Bedingungen wiederholt gemessen wird.

Ein Temperaturfühler ist auch fehleranfällig, wobei es sich um systematische oder zufällige Fehler handeln kann. Systematische Fehler können durch Drift, oder wenn der Messprozess die Messgröße (Ladefehler) ändert, entstehen. Durch die Extrahierung des Signals vom Sensor zur Übertragung kann es ebenfalls zu einer Änderung oder Dämpfung kommen. Zufällige Fehler können durch Rauschen verursacht werden, das durch EMI, Effekte von Thermoelementen, Temperaturgefällen zwischen dem Sensor und dem zu messenden Werkstoff, Toleranzen, Leiterbahnwiderstände und Leckströme erzeugt werden kann.

Die Eingangsbereichsspannung in Bezug auf die maximale und minimale Temperatur ist natürlich kritisch, aber damit verbundene Parameter treffen auch zu. Empfindlichkeit ist z. B. bei der Integration von Sensoren in die entsprechenden Messschaltungen wichtig; Sie wird als die Neigung der Kalibrierungskurve y = f(x) definiert. Ein Sensor kann auch Fehler in Bezug auf die Empfindlichkeit aufweisen, wie Sättigung und „Totzonen“. Linearität oder die Ähnlichkeit der Kalibrierungskurve mit einer angegebenen geraden Linie ist ein großes Problem für die meisten Sensoren und wird später ausführlich behandelt.

In einigen Fällen sind auch die dynamischen Merkmale des Sensors wichtig. Wie wirken sich physikalische Massen, induktive Widerstände oder elektrische bzw. thermale Kapazitäten auf die dynamische Reaktion auf einen Impuls, Schritt oder eine Eingangsänderung aus?

In vielen Anwendungen kann die Widerstandsfähigkeit des Sensors auf seine Zielumgebung genauso wichtig wie die technischen Merkmale sein. Wenn beispielsweise Korrosion auftritt, wird die Querschnittsfläche des Leiters reduziert, wodurch sich der Widerstand erhöht. Dies wiederum wirkt sich auf die Genauigkeit aus. Bei Sensoren vom Typ RTD macht dies die Wahl eines Edelmetalls attraktiv, da so das Problem verhindert werden kann. Kontamination kann im Gegensatz dazu den Widerstand reduzieren, indem an der Außenseite des Elements ein alternativer Weg oder Nebenschluss entsteht. Sowohl Kontamination als auch Korrosion können zu Drift und reduzierter Stabilität der Sensorausgabe beitragen.

Andauernde mechanische Erschütterungen und Vibrationen können die Sensormesswerte ändern oder zeitweilige oder komplette Ausfälle verursachen. Sensordrift und reduzierte Stabilität können ebenfalls das Ergebnis sein. RTD-Messfühler können beispielsweise an der Verbindung zwischen dem Bauteil und den Sensoranschlussdrähten anfällig sein. Ein typischer RTD hat laut Spezifikation eine Stoßfestigkeit von 100 G über eine Dauer von 8 ms und eine Schwingungsfestigkeit bis 20 G von 10 Hz bis 2 KHz.

Extreme Temperaturen, feuchte Orte oder reaktive Werkstoffe können den Isolationswiderstand reduzieren und einen Nebenschluss zwischen dem Bauteil und dem Gehäuse verursachen, wodurch offensichtliche Messwerte gesenkt werden. Sensoren können entsprechend als chemiebeständig, IP-zertifiziert, ATEX-zugelassen oder für Umgebungen mit starken Vibrationen ausgelegt spezifiziert werden. Umgekehrt muss eventuell auch die beabsichtigte Wirkung auf die Umwelt berücksichtigt werden; möglicherweise ist z. B. eine Zertifizierung für die Verwendung mit Lebensmitteln erforderlich.

Auch die Art und Weise, wie der Messfühler physikalisch mit seiner Umgebung interagiert, erfordert eine kritische Auseinandersetzung. Was sind die Dimensionen des anvisierten Einbauplatzes? Welche Vorbereitungen sind für den Einbau erforderlich? Wie erfolgen der Anschluss und die Integration in die verbundene elektronische Schaltung?

Es gibt weitere Faktoren, die die Wahl des Sensors beeinflussen. Dazu gehören die Einfachheit der Einrichtung und Nutzung, Kalibrierung, und ob der Sensor einen Erregerstrom für den Betrieb benötigt. Und nicht zuletzt gibt es Kostenerwägungen im Zusammenhang mit der Sensorwahl. Diese Faktoren werden jedoch im nachfolgenden Vergleich der Sensortypen besprochen.

Verschiedene verfügbare Temperatursensortypen

Zu den vier gängigen Kontaktsensortypen gehören Thermoelemente, Bauelemente mit temperaturabhängigen Widerstandswerten (RTDs), Thermistoren und Silikon-IC-Typen.

Thermoelemente

Thermoelemente sind wegen ihrer attraktiven Preisgestaltung, ihrer Einfachheit und ihrer schnellen thermalen Reaktion, einem bereiten Temperaturbereich sowie ihrer Robustheit beliebt. Ihre Nutzung ist deshalb einfach, weil sie keine Erregerspeisung benötigen. Ihre Genauigkeit ist jedoch begrenzt, sie sind im hohen Maße nicht linear und benötigen signifikante Linearisierungsalgorithmen. Im Vergleich zu Geräten, die Spannungssignale in eine digitale Repräsentation umwandeln können, ist ihre Spannungsausgabe relativ niedrig. Folglich sind analoge Verstärkungsstufen in ihrem Steuerkreis erforderlich.

Ein Thermoelement besteht aus zwei Thermoelementen (Drähten) aus unterschiedlichen Werkstoffen, die an einem Ende, genannt der Übergang oder das Messende, verbunden sind. Das andere Ende des Thermoelements wird Endstück oder Referenzende genannt. Das Verbindungsende ist im Kontakt mit der oder eingetaucht in die Umgebung, deren Temperatur T2 gemessen werden soll, während das Endstück auf einer Referenztemperatur gehalten wird – z. B. Umgebung.

Wegen des Temperaturunterschieds zwischen dem Verbindungsende und dem Endstück, kann ein Spannungsunterschied zwischen den beiden Thermoelementen am Endstück gemessen werden, d. h., beim Thermoelement handelt es sich um einen Temperatur-Spannungswandler.

Die Beziehung zwischen Temperatur und Spannung wird in Gleichung 1 angegeben:

Gleichung 1: Temperatur-Spannungs-Beziehung des Thermoelements

Mit EMF als der elektromotorischen Kraft (engl. Electro-Motive Force) oder der Spannung, die vom Thermoelement am Endstück produziert wird, T1 und T2 sind die Temperaturen am Referenz- bzw. am Messende, S12 wird der Seebeck-Koeffizient des Thermoelements genannt und S1 und S2 sind die Seebeck-Koeffizienten der beiden Thermoelemente; der Seebeck-Koeffizient hängt vom Werkstoff des Thermoelements ab. Die Seebeck-Koeffizienten sind temperaturabhängig.

Gleichung 1 zeigt außerdem, dass der EMF des Thermoelements sowohl von T1 als auch T2 abhängt. Aus diesem Grund sollte das Endstück im Idealfall in einem Eisbad aufbewahrt werden, um eine Referenztemperatur von 0 °C bereitzustellen. In einer realen industriellen Anwendung wird das Eisbad normalerweise durch ein Kaltstellenkompensations-IC ersetzt.

Thermoelementtypen werden durch die Buchstaben B, R, S, K, N, E und J, entsprechend ihrer Spannung-Temperatur-Beziehung (siehe Abb. 2), bezeichnet. Ausführliche Informationen zur Spannung-Temperatur-Beziehung für mit Buchstaben bezeichnete Thermoelemente finden Sie auf der Website des US National Institute of Standards and Technology (NIST).

Abb. 1 Spannung-Temperatur-Beziehungen für mit Buchstaben gekennzeichnete Thermoelemente – Bild: ©Premier Farnell Ltd

Zu den Anwendungen gehören Hochtemperaturöfen, Öfen und Brennöfen, Raketentriebwerke, Sicherheitsüberwachung von Gasgeräten, chemische Produktion und Erdölraffinerien, Lebensmittelverarbeitung und -produktion sowie Eisen-, Stahl und Aluminiumproduktion und Verhüttung.

Thermistoren

Bei Thermistoren handelt es sich normalerweise um keramische Metall-Oxydhalbleiter-Messzellen. Diese können entweder einen positiven (PTC) oder einen negativen (NTC) Temperaturkoeffizienten haben, aber NTC-Typen werden normalerweise als Temperaturfühler und zum Temperaturausgleich verwendet. Sie sind preiswert und in kleinen Formfaktoren mit einem vielfältigen Angebot verfügbar. Sie zeichnen sich durch eine hohe Genauigkeit (normalerweise innerhalb von +/- ,05 % bis +/- ,02 %) und Empfindlichkeit über einen schmalen Temperaturbereich aus, und sie arbeiten mit einem geringen Erregerstrom, der den Verlust in den Drähten verringert. Sie haben eine gute elektrische Störfestigkeit und lassen sich leicht mit elektronischer Instrumentation verbinden.

Ihr Hauptnachteil besteht darin, dass ihre Widerstands-Temperaturkennlinie bei Temperaturen unter 0 °C oder über 70 °C im hohe Maße nicht linear ist. Durch ihre geringe Masse sind sie anfällig für Eigenerwärmungsfehler und sie können zu einer dauerhaften Dekalibrierung neigen (d. h. sie driften jenseits der festgelegten Toleranzen).

Die Linearisierung kann mithilfe Software von unter Verwendung von Zuordnungstabellen durchgeführt werden. Die Schaltungen zur Linearisierung vom Thermistorausgaben können jedoch aus Serien-, Parallel- und Serien-Parallel-Kombinationen von Festwiderständen und zusätzlichen Thermistoren bestehen. Die einfachste Schaltung ist ein Parallelwiderstand, dessen Wert sich aus der Gleichung 2 unten berechnen lässt:

Gleichung für RTDs mit hoher Genauigkeit

Gleichung 2: Berechnung des Linearisierungswiderstands

Zu den Anwendungen gehören medizinische Geräte, Thermostate für Wohnungen, Temperaturüberwachung in Netzteilen, Batterieladegeräten, Kaltstellenausgleich und Abschaltung bei Übertemperatur.

Widerstandstemperaturmessfühler (RTDs)

Die meisten RTDs nutzen Platin in Draht- oder Folienform, während einige aus Nickel, einer Nickel-/Eisenlegierung oder Kupfer gefertigt sind. Zu den Vorteilen gehören eine hohe Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Stabilität mit geringem Driftfehler über den Bereich -200 °C bis +850 °C. RTDs zeichnen sich durch eine ziemlich lineare Ausgabe aus.

RTDs zeigen ein geringes Maß an Nichtlinearität, die unter Verwendung einer Zuordnungstabelle in einem Mikrocontroller korrigiert werden muss. Sie sind teurer als Thermoelemente und Thermistoren. Sie benötigen für den Betrieb eine Stromquelle und sie haben eine Eigenerwärmung; beim Einsatz muss ein Ausgleich zwischen einem übermäßigen Stabilisierungsstrom, der zu Ungenauigkeiten führt, oder einem unzureichenden Strom, der die RTD-Störfestigkeit reduziert, gefunden werden.

Eine Stromquelle von 1 mA oder weniger ist normalerweise ausreichend. Unter diesen Umständen kann die Genauigkeit eines RTD ±4,3 °C über dem Temperaturbereich betragen. Falls eine höhere Genauigkeit benötigt wird, kann die Callendar-Van Dusen-Gleichung (siehe Gleichung 3) zur Generierung einer Zuordnungstabelle verwendet werden:

Gleichung 3: Callendar-Van-Dusen-Gleichung für RTDs mit hoher Genauigkeit

RTD-Anwendungen umfassen industrielle Instrumentierung, Hitzedrahtanemometer und Messungen in Laborqualität.

Halbleiter-IC-Sensoren

Die Entwicklung der Halbleiter-IC-Sensoren wurde durch Automobil, Konsumgüter, Medizintechnik, Computer und andere Anwendungen gefördert. Sie finden sie eingebettet in den meisten PCBs und Chips.

Sie bieten die beste Linearität in der Ausgabe und erfordern keine Linearisierung oder Kaltstellenausgleich. Sie können auf demselben Chip und Prozess wie jede andere elektronische Chipfunktion erstellt werden, d. h., sie sind offen für ein hohes Maß an Integration. Ihre hohen Ausgabepegel weisen eine gute Störfestigkeit auf und sie lassen sich gut in beliebige analoge und digitale Schaltungen integrieren. Dank einem großen Betriebstemperaturbereich sind sie für zahlreiche elektronische Schaltungstypen qualifiziert – insbesondere, weil sie viele nützliche Ausgabepegel in logischer, digitaler, analoger bzw. in Impulsform bereitstellen.

Halbleiter-IC-Sensoren befinden sich in vielen Automobilanwendungen, inkl. hybriden, elektrischen und Antriebsstrangsystemen und Motoren. Andere Anwendungen umfassen Enterprise-Server, Industriesteuerungen, Gebäudeautomation, Netzautomation, Medizintechnik, Gesundheitswesen und Fitness, Test und Messungen, Fernerkundung, Anzeige und Unterhaltungselektronik.

Zusammenfassung

Abb. 2 weiter unten fasst die wichtigsten Merkmale der verschiedenen Temperatursensortypen zusammen.

Abb. 2: Vergleich der Temperatursensormerkmale – Bild: ©Premier Farnell Ltd

Verfügbarkeit der verschiedenen Typen von Sensorausgangssignalen

Ein Schlüsselvorteil der Halbleiter- oder digitalen Sensoren ist ihre Fähigkeit, die Ausgangssignale in einer nützlichen Auswahl von Formen bereitzustellen. Die Microchip-Sensorfamilie umfasst die Ausgangstypen Logisch, Spannung und serielle Bus-fähige Ausgangssignale.

Logische Ausgangssignale Temperatursensorfamilien bieten eine hervorragende Temperaturgenauigkeit (±1 °C, typisch) bei einem sehr niedrigen Betriebsstrom von weniger als 600 µA. Diese Geräte können mechanische Schalter in einer Vielzahl von Sensor- und Steuerungsanwendungen ersetzen.

Spannungsausgangssignale die Sensoren entwickeln eine Ausgangsspannung proportional zur Temperatur mit einem Nenntemperaturkoeffizienten von 6,25 mV/ °C bzw. 10 mV/ °C. Diese Temperatur-Spannungswandler können einen Temperaturbereich von –40 °C bis +125 °C erkennen und verfügen über eine Offsetspannung, die das Ablesen von negativen Temperaturen ermöglichen, ohne dass dazu eine negative Versorgungsspannung erforderlich wäre. Der extrem niedrige Betriebsstrom minimiert die Eigenerwärmung und maximiert die Lebensdauer der Batterie.

Serielle Ausgangssignale Temperatursensorfamilien bieten eine hervorragende Temperaturgenauigkeit (±0,5°C, typisch) bei einem sehr niedrigen Betriebsstrom von weniger als 250 µA. Die Kommunikation mit diesen Geräten wird über ein dem Industriestandard entsprechendes kompatibles Schnittstellenprotokoll SMBus, I2C™ oder SPI™ realisiert. Diese Geräte zeichnen sich durch sehr schnelle Temperaturumwandlungszeiten aus. Die Temperaturauflösung für die gesamte Familie reicht dabei von 0,0625 °C bis 1 °C.

Praktische Erwägungen zur Integration von Temperatursensoren

Praktische Faktoren, die die Auswahl des Thermoelements bestimmen

Peak Sensors hat einen Designleitfaden für Thermoelemente veröffentlicht, der Informationen zur Auswahl des richtigen Thermoelements für eine Anwendung enthält (siehe unten). Die Verteilung der Auswahl wird in Abb. 3 dargestellt, wobei Sensortypen Anwendungen zugeordnet werden.

Abb. 3: Thermoelemente Anwendungen zuordnen – Bild: ©Premier Farnell Ltd

Mittelschwere und leichte Thermoelemente, entsprechend der Vorschläge in Abbildung 3, werden hauptsächlich innerhalb der Anlage verwendet; sie werden im Einsatz nicht an ihre Grenzen gebracht, werden normalerweise für niedrigere Temperaturen eingesetzt und sind häufig in Konsumgütern verbaut. Tendenziell werden diese Typen in hohen Stückzahlen produziert, sie sind preiswert und einfach zu verwenden, beim Design werden signifikante Anstrengungen zur Reduzierung der Stückkosten unternommen. Sie sind in drei grundlegenden Bauformen verfügbar:

Temperatursensoren „Flexibles Kabel“
Temperatursensoren „Starres Metallrohr“
Temperatursensoren „Mantelthermoelement“

Harter Einsatz Diese Thermoelemente werden hauptsächlich in Industrieanlagen, in der Prozesskontrolle und in Fabriken eingesetzt. Sie werden in kleineren Stückzahlen für höhere Temperaturen produziert und sind u. U. widerstandsfähig gegen chemische Belastungen, Abrieb, Druck und Karbonisierung. Im Einsatz kommen sie häufig an ihre physikalischen Grenzen und sie haben höhere Stückkosten, können jedoch zur Reparatur oder für das Recycling der wertvollen Metalle zerlegt werden. Ihre Anwendungen erfordern normalerweise die Auswahl eines geeigneten Mantels, um sie von der Zielumgebung zu schützen. Diese Sensoren haben drei grundlegende Bauformen:

Keramische Mäntel
Mäntel aus einem widerstandsfähigen Metall für hohe Temperaturen
Mäntel aus einem widerstandsfähigen Metall für chemische Umgebungen

Überlegungen zu den Betriebsbedingungen von Thermistoren

NTC-Thermistoren – werden primär zur Temperaturmessung und -kompensation verwendet – bestehen aus einem gesinterten Gemisch aus Metalloxiden, dazu gehören Nickel, Cobalt, Mangan und manchmal andere Oxide. Diese Bauteile sind als Beats, Chips, Scheiben, Stangen oder dünne Folien geformt. Bead-Thermistoren sind Tröpfchen aus Halbleiterpaste, die auf zwei Drähte aus Platinlegierung aufgebracht und bei einer hohen Temperatur gesintert wurden. Die Drähte werden anschließend geschnitten, um die einzelnen Thermistoren zu fertigen. Chip- und Scheibenthermistoren werden aus einem dünnen Plattenmaterial (Wafer) gefertigt und bei hoher Temperatur gesintert. Die Seiten werden für die Anbringung von Leitungen versilbert, und die Wafer werden in Scheiben oder Chips geschnitten. Stangenthermistoren werden einfach extrudiert.

Bestimmte Betriebsbedingungen können die Genauigkeit und Zuverlässigkeit deutlich verringern und sollten vermieden werden. Beispielsweise kann die Eigenerwärmung einen verborgenen Genauigkeitsfehler verursachen, da Thermistoren ihre eigene Wärme generieren, wenn der Erregerstrom zu hoch ist. Teile mit einer großen Dissipationskonstante, einer Montage mit geringem thermischen Widerstand und anderen Mitteln einer überlegenen Wärmeableitung haben einen geringeren Temperaturanstieg. Aber die primäre Methode, um eine übermäßige Eigenerwärmung zu vermeiden, besteht daraus, den Erregerstrom so gering wie möglich zu halten.

Die meisten Messfehler und vorzeitigen Ausfälle werden durch eine unachtsame Installation und einen unachtsamen Betrieb verursacht. Obwohl Thermistoren beispielsweise als robust angesehen werden, achten Sie darauf, dass ein Gehäuse nicht beschädigt, eine Bondverbindung nicht getrennt oder die obere Temperaturgrenze überschritten wird.

Schließlich ist Alterung ein Phänomen, das häufig übersehen wird. Wenn dieser Faktor nicht im Wartungsplan berücksichtigt wird, kann dies zu einem Verlust der Kalibrierungsgenauigkeit nach einer längeren Nutzungsdauer führen. Sie manifestiert sich im Laufe der Zeit als effektiver Drift des Anschlusswiderstands aufgrund von sich langsam ändernden Widerständen im Grundmaterial und in den Kontaktbereichen zwischen den Leitungen und dem Thermistormaterial.

Abb. 4: Interne Thermistorbauelemente – Bild über Imgur

Häufige Ursachen für Fehler in RTDs

Eigenerwärmung ist die größte Problemquelle bei der Verwendung von RTDs. Die Messwerte können insbesondere beim Messen von Temperaturen unter 0 °C beeinträchtigt werden, deshalb ist es wichtig, einen möglichst geringen Erregerstrom zu wählen. Fehler können in Messungen auch durch Verbindungsleitungen verursacht werden; diese können jedoch durch die Verwendung einer Dreileitertechnik reduziert werden. Eine Vierleitertechnik ist sogar noch besser, da so der Widerstand der Messleitungen bei der Spannungsmessung entfernt werden.

Ein weiterer häufiger Fehler besteht darin, dass nicht der richtige RTD-Temperaturbereich ausgewählt wird. Der Versuch einer Messung außerhalb des zulässigen Temperaturbereichs des RTD kann größere Fehler und Schäden am Sensor hervorrufen. Design mit Halbleitertemperatursensoren – praktische Erwägungen

Ein Artikel von Emmy Denton, der am 1. Januar 2008 in Sensors Online veröffentlicht wurde, enthält viele nützliche Informationen zu den praktischen Aspekten in Bezug auf die Positionierung von Temperatursensor-ICs auf einer PCB. Vieles davon wird nachfolgend gezeigt.

IC-Temperatursensoren in der Form von Ferndioden-Temperatursensoren (RDTSs) werden zur Überwachung von Dioden-Sperrschichten in hochintegrierten leistungshungrigen Geräten wie CPU-ICs oder Bipolartransistoren verwendet. Ein RDTS mit einem vorgeschalteten Multiplexer kann eine kostengünstige Methode sein, um mehrere Temperaturmessungsknoten für ein System zu ermöglichen. Die behandelten Implementierungstechniken treffen auch für anderen analoge oder digitale IC-Temperatursensoren zu.

Die Standardgleichung für den Spannungsabfall des Basis-Emitters eines Bipolartransistors, entsprechend der Beschreibung durch das Ebbers-Moll-Transistormodell, beinhaltet einen Begriff für einen Sättigungs-Gegenstrom (Is), der die Abweichung von Gerät zu Gerät erklärt. Eine Einzelstrom-Methode kann verwendet werden, wenn die Genauigkeit nicht kritisch ist (4 °C – 8 °C).

Um den Is-Term aufzuheben, verwenden wir eine Zweistrom-Methode. Im tatsächlichen Modell ist der erforderliche Parameter die Stromdichte des Basis-Emitter-Übergangs, dies wird jedoch vereinfacht, indem die Geometrie der beiden Dioden identisch ist, und durch Skalierung des Stroms durch die Dioden. Diese Schaltung ermöglicht eine einzelne Differentialmessung, die dazu beiträgt, Rauschen an der Diode auszugleichen und so den Rauschabstand zu verbessern.

Weil Ferndiodensensoren nur eine verfügbare Diode haben, werden die zwei Differentialmessungen in aufeinander folgenden Zeitintervallen genommen, die anschließend subtrahiert werden, um einen Signalpegel von etwa 240 µV/°C zu ergeben. Der Zeitunterschied in den Messungen stellt nicht dieselbe Störfestigkeit wie bei einer einzelnen Differentialmessung bereit, sie ist jedoch weiterhin akzeptabel. Bei der Leistung der Designs, die in ICs mit hoher Dichte und hoher Leistung integriert werden, kann es große Unterschiede geben; eine sorgfältige Untersuchung der Spezifikationen der Hersteller wird empfohlen.

Überlegungen zum PCB-Layout: Die Verschlechterung der Integrität analoger Signale in einer PCB wird durch EMI, Effekte von Thermoelementen, Leiterbahnwiderstände und PCB-Leckströme verursacht. Die Integrität digitaler Signale wird hauptsächlich durch die Leiterbahnlänge und die Impedanz bei der Taktfrequenz verursacht.

Der Serienwiderstand sollte so weit wie möglich minimiert werden, weil je höher die Leiterbahnimpedanz, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Einkopplung von Rauschen zu einem Problem wird. Um den Serienwiderstand weiter abzuschwächen, haben RDTS-Geräte eine interne Kompensationsschaltung. Ein digitales Register, dass die Programmierung eines Offsetwertes für die vom Gerät gemeldete Temperaturmessung ermöglicht, ist relativ weit verbreitet und eignet sich zum Ausgleich des Serienwiderstands. Der Serienwiderstand hat eine lineare Funktion für einen bestimmten Sensor, weil die Eingangsstufen der meisten RDTS-Geräte den Offset im allgemeinen Modus, der durch mehrere Ohm Serienwiderstand verursacht wird, verarbeiten können.

Einige RDTS-Geräte implementieren eine Aufhebung des Serienwiderstands, aber bei dieser Methode kommt es zu mehr Rauschen in der Gesamttemperaturmessung. Geräte ohne Aufhebung des Serienwiderstands nehmen die Differenz zwischen zwei Dioden-Spannungsmesswerten bei unterschiedlichen Strompegeln. Die Aufhebung des Serienwiderstands wird häufig durch die Einführung eines anderen Strompegels und einer anderen Dioden-Spannungsmessung erreicht. Da jedoch die Spannungsmessungen nicht gleichzeitig erfolgen, wird die Rauschunterdrückung schwieriger.

Die erste Verteidigung gegen Probleme durch Rauschen ist die Schaltung innerhalb des RDTS. Wie in Abbildung 5 dargestellt wird, spielen das analoge Frontend, die ADC-Architektur und zusätzliche digitale Filterung auf dem Die eine Rolle bei der Gewährleistung einer stabilen, rauschfreien Temperaturmessung. Die meisten Sensoren enthalten analoge Filter an den Pins des RDTS. Einige implementieren ein ΣΔ (Sigma-Delta) ADC, welches einen digitalen Filter für die Mittelwertbildung an der ersten Stufe enthält. Dieser fehlt in den ADCs für eine schrittweise Näherung (SAR). Die letzte Verteidigungsstufe ist ein digitaler Filter, der in den meisten RDTS-Geräten enthalten ist, und in der Regel als digitaler Glättungsfilter bezeichnet wird. Weil es Produktunterschiede zwischen Herstellern gibt, sollte das Datenblatt für das Gerät genau gelesen werden.

Ein gutes Layout ist immer wichtig, besonders bei Signalpegel bis runter auf 240 µV/°C. Selbst bei analogen Sensoren mit einer Empfindlichkeit von 10 mV/°C ist der Signalpegel immer noch klein und Vorsicht weiterhin angebracht. In digitalen Umgebungen, bei denen die Rauschpegel viele Hundert Millivolt betragen, ist es wichtig, dass die analogen Leiterbahnen von der digitalen Schaltung und den digitalen Leiterbahnen getrennt gehalten werden: achten Sie auf induktive Kopplung zwischen den Leiterbahnen auf der PCB. Vermeiden Sie die Verlegung einer digitalen Leiterbahn parallel zu einer analogen Leiterbahn. Sollte die digitale Leiterbahn die analoge Leiterbahn kreuzen müssen, vergewissern Sie sich, dass die beiden Leiterbahnen senkrecht zueinander stehen. Schützen Sie die analogen Leiterbahnen vor Einkopplung von Rauschen, indem Sie die ordnungsgemäßen Ableitkondensatoren für das Netzteil verwenden und die Empfehlungen des Herstellers befolgen. Ohne ordnungsgemäße Ableitung kann eine falsch kompensierte Induktivität der Bonddrähte Rauschen in digitalen Sensoren verursachen.

Ein schlecht ausgewählter Ableitkondensator kann dazu führen, dass die PCB einen Fehlerstrom zu den Diodenleiterbahnen ableitet, während falsche Reinigungsverfahren Fehler in den Temperaturmessungen der Ferndiodensensoren verursachen. ein Fehlerstrom von 20 nA kann einen Fehler von über 0,2 °C verursachen.

EMI ist ein zu umfangreiches Thema, um hier behandelt zu werden, aber es gibt viele gute Informationsquellen. Effekte von Thermoelementen können vernachlässigt werden, wenn das Layout auf einige wenige Kupfer-/Lötverbindungen begrenzt ist und sich der Signalpegel im Sub-Mikrovolt-Bereich befindet.

Die physische Sensorplatzierung ist kritisch, um sicherzustellen, dass die beabsichtigte Temperatur gemessen wird. Die Kurve in Abbildung 6 zeigt die Leistung der 2N3904/MMBT3904-Transistoren, die auf verschiedene Weisen montiert wurde, um die Lufttemperatur zu messen. Der auf der Platine durch Bohrung montierte 2N3904 (T1) misst nicht wirklich die Lufttemperatur, obwohl das Gehäuse von der Platine entfernt montiert wurde, soweit die Leitern dies erlauben, weil die Leiter eine sehr gute wärmeleitfähige Bahn zum Sensor darstellen. Das ist gut, wenn Sie die Temperatur der Platine messen möchten, aber schlecht, wenn Sie versuchen, die Temperatur der Umgebungsluft zu messen. Bessere Alternativen werden mit den Transistoren T2 und T3 dargestellt. T2 befindet sich auf einer PCB, die sich außerhalb der Hauptplatine befindet. T3 befindet sich außerhalb der Haupt-PCB am Ende eines geschirmten verdrillten Doppelkabels. T4 misst die lokale Temperatur entsprechend der Erkennung durch einen RDTS mit vier Eingängen vom Typ National Semiconductor LM95214. Der LM95214 kann die Temperatur von vier Ferndioden sowie seine eigene Temperatur am Übergang (T4) erkennen.

Wenn wir die Leistung von T1 bis T4 vergleichen, erhalten wir die in Abbildung 6 dargestellte Kurve. Ein einfacher Leistungswiderstand in einer Umgebung mit stehender Luft dient als Wärmequelle an der Rückseite der Platine. Wenn sich der Widerstand aufheizt, erhöht sich auch die Temperatur der auf der Platine montierten 2N3904 (T1) und LM95214 (T4). Ein Thermoelement wurde als eine Referenzmessung der Lufttemperatur verwendet. Das geschirmte verdrillte Doppelkabel kann um mehrere Meter verlängert werden. In diesem Fall sollten Sie jedoch die Kapazität entsprechend den Empfehlungen des Herstellers begrenzen und den Drahtquerschnitt so wählen, dass der Serienwiderstand minimiert wird.

Es ist möglich, die meisten Fehlerquellen, jedoch nicht alle, zu kompensieren. Die besten Ergebnisse werden durch die Spezifikation eines Sensors mit integrierter Störfestigkeit und der Befolgung angemessener Layouttechniken erzielt. Vergewissern Sie sich, dass der Sensor ordnungsgemäß montiert wird, so dass die Zieltemperaturzone oder das Gerät richtig abgetastet werden. Außerdem sollten Sie sich über die Umgebung des Sensors bewusst sein.

Erste Schritte

Eine Einführung in Temperatursensoren finden Sie auf der Website Farnell. Farnell bietet außerdem eine Reihe von Evaluationskits und Modulen an, die nachfolgend beschrieben werden:

Evaluationsboard Texas Instruments TMP112EVM

Der TMP112 ist ein Temperatursensor mit digitalem Ausgang, der Temperaturmessungen mit einer 12-Bit-Auflösung bereitstellen kann. Der TMP112 verwendet eine Zweidraht-Schnittstelle, I2C™ und SMBus™, die bis zu vier Geräte an einem Bus unterstützt. Der TMP112 ist ideal für die erweiterte Temperaturmessung und ist ebenfalls für den Betrieb zwischen –40 °C und 125 °C spezifiziert. Das TMP112EVM ist eine Plattform zur Bewertung der Leistung des TMP112 unter verschiedenen Signal-, Referenz- und Versorgungsbedingungen.

Abb. 7:Evaluationsboard der Baureihe TMP112EVM

Evaluationskit der Baureihe MAX31730 von Maxim

Das Evaluationskit der Baureihe MAX31730 (EV-Kit) besteht aus der Hardware und der Software (grafische Benutzerschnittstelle (GUI)), die für den 3-Kanal-Ferntemperatursensor MAX31730 in einem μMAXM- oder TDFN-Gehäuse benötigt werden. Das EV-Kit wird über eine USB-Schnittstelle mit Spannung versorgt und beinhaltet einen installierten Sensor der Baureihe MAX31730, drei externe, mit Dioden verbundene Transistoren sowie eine USB-an-SMBus/I2C-Schnittstelle.

Abb. 8:Evaluationskit für 3-Kanal-Ferntemperatursensor der Baureihe MAX31730

Zusammenfassung

Temperaturmessung ist ein umfangreiches Thema mit verschiedenen Sensortypen, die jeweils über eigene theoretische und praktische Erwägungen in Bezug auf Auswahl und Anwendung verfügen. Dieser Artikel verfolgt das Ziel, dem Leser diese Erwägungen bewusst zu machen und Informationen zur Projektplanung beizusteuern.