Wie man mit Thermistoren die Temperatur genau messen kann

Die Temperatur ist die am häufigsten gemessene physikalische Größe, und der Thermistor gehört zu den beliebtesten Sensoren für ihre Messung. Thermistoren - eine Verschmelzung der Worte "thermisch" und "Widerstand" - können aus vielen verschiedenen Materialien hergestellt werden. Ihr physikalisches Grundprinzip ist einfach: Der Widerstand variiert mit der Temperatur in einer einigermaßen vorhersehbaren und wiederholbaren Beziehung. Da der Thermistor elektrisch wie ein Widerstand aussieht, kann er zudem trügerisch einfach zu messen scheinen: Eine geeignete Schaltungsschnittstelle erfordert nur eine ziemlich einfache Topologie.

Die Verwendung eines Thermistors zur konsistenten und genauen Temperaturmessung erfordert jedoch eine Matrix von Entscheidungen in Bezug auf die Ansteuerung der Spannungs- oder Stromquelle, die Einzel- und Mehrpunktkalibrierung, den Bereich und die Spanne sowie die Auswirkungen der verschiedenen Thermistormaterialien. In diesem Artikel werden Thermistor-Probleme, Lösungsoptionen und Kompromisse untersucht und erläutert. Beispielgeräte von Murata Electronics werden verwendet, um das Funktionsprinzip, die Beispielspezifikationen und ihre Anwendung zu erklären. Der Artikel wird auch vorstellen und zeigen, wie eine neue Familie von Thermistoren von Texas Instruments einige Mängel der Thermistoren behebt.

So viele Messmöglichkeiten

Konstrukteure haben viele Möglichkeiten für Kontakttemperatursensoren: Thermistoren, Widerstandstemperaturdetektoren (RTDs), Festkörperstromquellen und Thermoelemente. Jedes hat eine andere Kombination von Attributen für Schlüsselparameter, einschließlich Temperaturbereich, Linearität, Genauigkeit, Empfindlichkeit, Stromverbrauch, externe Schaltungen, Schnittstellen und Kosten (Tabelle 1). Es gibt keinen "idealen" Temperatursensor, da jeder für diese Parameter Stärken und Schwächen im Verhältnis zu den anderen mit sich bringt.

Tabelle 1: Dieser Vergleich der vier gebräuchlichsten Arten von Kontakttemperatursensoren zeigt ihre relativen Eigenschaften. Thermistoren haben die beste Empfindlichkeit, kämpfen mit der Linearität, benötigen aber normalerweise relativ einfache externe Schaltungen. (Tabellenquelle: DigiKey)

Obwohl der Thermistor eine etwas geringere Linearität aufweist und oft eine Kalibrierung pro Einheit benötigt, ist er dennoch ein sehr weit verbreiteter Temperatursensor. Elektrisch gesehen sieht er wie ein einfacher, einfacher Zweipol-Widerstand aus, und sein gemessener Widerstand ist eine monotone Funktion der gemessenen Temperatur. Aufgrund seiner Beliebtheit ist es in vielen Qualitäten und Gehäusetypen erhältlich, einschließlich Drahtleitungen und SMT-Technologie (Surface Mount Technology).

Eigenschaften und Parameter von Thermistoren

Wie bei jedem Sensor hat der Thermistor einige Parameter der obersten Ebene, die Konstrukteure bei der Auswahl oder Verwendung eines Sensors berücksichtigen müssen. Einige davon mögen nicht-intuitiv erscheinen oder im Widerspruch zu herkömmlichen Sensorperspektiven stehen, aber sie können mit angemessener Sorgfalt bis ins Detail gehandhabt werden.

Thermistoren gibt es in zwei Grundtypen (Abbildung 1). Eine besteht normalerweise aus einer polykristallinen Keramik und hat einen negativen Temperaturkoeffizienten (NTC), wobei ihr Widerstand mit der Temperatur abnimmt. Der andere wird als Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) bezeichnet und besteht in der Regel aus einem Halbleitermaterial. PTC hat, wie der Name schon sagt, einen positiven Temperaturkoeffizienten. Beachten Sie, dass die PTC- und NTC-Gerätekurven keine komplementären "Spiegelbilder" sind. Stattdessen hat jede ihre eigene deutliche Krümmung.

Abbildung 1: Die NTC- und PTC-Thermistoren haben entgegengesetzte und nicht-komplementäre Widerstands-Temperatur-Kurven, und beide sind hochgradig nichtlinear. Beachten Sie, dass die Skala links den relativen und nicht den absoluten Widerstand darstellt. (Bildquelle: Ametherm, Inc.)

Eine offensichtliche Frage ist, ob in einer bestimmten Anwendung ein PTC- oder ein NTC-Thermistor verwendet werden soll. In einigen Fällen ist die Wahl nicht so wichtig wie die Anpassung der Spezifikationen des einzelnen Geräts an die Anforderungen der Anwendung. Im Allgemeinen kann das NTC-Gerät für Präzisionsmessungen besser geeignet sein. Im Gegensatz dazu werden PTC-Thermistoren aufgrund ihres schnellen, ausgeprägten Widerstandsanstiegs ab einer bestimmten Temperatur, dem so genannten Curie-Punkt, typischerweise für Strombegrenzungs- oder Schaltanwendungen eingesetzt. Eine neue Klasse von PTC-Geräten erweitert jedoch die Anwendbarkeit von PTC-Geräten. Mehr dazu später.

Es gibt eine weitere Situation, in der die Wahl zwischen PTC- und NTC-Geräten kritisch sein kann. Wenn der Thermistor direkt in einer analogen Rückkopplungskonfiguration mit geschlossenem Regelkreis verwendet wird, um einen variablen Sollwert beizubehalten, ist die Steigung der Widerstandsänderung in Abhängigkeit von der Temperatur kritisch und eine Funktion der Regelkreiskonfiguration.

Wenn der Thermistor beispielsweise Teil einer Schleife ist, die zur Aufrechterhaltung eines Temperatursollwerts durch Regelung des Stroms zu einem Heizelement dient, sollte sein Widerstand mit steigender Temperatur zunehmen, um den Stromfluss zum Heizelement zu verringern; daher ist ein PTC-Thermistor die geeignete Wahl. Wenn ein NTC-Gerät aus anderen Gründen bevorzugt wird, kann die scheinbare Steilheit natürlich mit einem als invertierender Puffer konfigurierten Operationsverstärker umgekehrt werden.

Historische Anmerkung: Das erste kommerzielle Produkt von Hewlett-Packard, der klassische Audio-Oszillator Modell 200A, der 1942 patentiert wurde, verwendete den großen PTC eines Glühlampen-Glühfadens in einer negativen Rückkopplungsschleife, um die Ausgangsamplitude des Verstärkers zu stabilisieren. Obwohl es sich formal gesehen nicht um einen Thermistor handelte, wirkte der Glühdraht wie ein solcher, und die selbstkorrigierende Schaltungstopologie war zu dieser Zeit eine wichtige Neuerung.

Die wichtigsten Leistungsparameter von Thermistoren sind unter anderem :

- Nennwiderstand bei 25°C. Thermistoren werden in den Auswahlhandbüchern der Hersteller zunächst nach ihrem Nennwert bei dieser Temperatur kategorisiert. Sie können mit vielen verschiedenen Widerstandswerten bei dieser Temperatur durch Variation ihrer spezifischen Zusammensetzung hergestellt werden. Thermistoren sind mit Nennwerten von bis zu 10 Ohm (Ω) und bis zu einem Megaohm (MΩ) erhältlich. Die meisten Anwendungen verwenden Thermistoren mit einer Leistung zwischen 100 Ω und zehn Kilohm (kΩ) bei 25°C.

- Empfindlichkeit, die eine detailliertere Darstellung des Temperaturkoeffizienten darstellt. Dieser Parameter ist keine Konstante, sondern eine Funktion der Temperatur selbst sowie der Zusammensetzung des Thermistors. Die Definition im Detail ist ein Schlüsselfaktor auf dem Datenblatt. Dies ist auch einer der Faktoren, der die Auswahl und den effektiven Einsatz eines Thermistors im Gegensatz zu anderen Sensoren mit konstanten oder nahezu konstanten Temperaturkoeffizienten (tempco) über ihren gesamten Bereich erschwert.

Ein niedriger Empfindlichkeitswert kann die Genauigkeit der Temperaturmessungen beeinträchtigen. Im Allgemeinen haben NTC-Thermistoren aufgrund ihrer exponentiell nichtlinearen Widerstandsabnahme bei niedrigen Temperaturen eine sehr hohe Empfindlichkeit. Bei hohen Temperaturen nimmt ihre Empfindlichkeit jedoch drastisch ab, was in Verbindung mit einer hohen Widerstandstoleranz zu falschen Temperaturmesswerten führen kann. Eine hohe Empfindlichkeit kann jedoch auch zu einer Überbelegung und Sättigung des Analog-Front-Ends (AFE) und des zugehörigen Analog-Digital-Wandlers (ADC) führen, wenn der Thermistor über einen großen Bereich misst. Es gibt also einen Kompromiss zwischen Empfindlichkeit und zu verwaltender Reichweite.

Der Temperaturkoeffizient Alpha (α, oder A) ist definiert als die Steigung der Widerstandskurve (R) in Abhängigkeit von der Temperatur an einem bestimmten Punkt und wird mit Gleichung 1 berechnet:

 Gleichung 1

wobei α in % pro °C angegeben ist.

Alpha selbst ist jedoch nicht konstant, sondern eine Funktion davon, wo sich der Thermistor auf der Kurve befindet. Um ihn besser zu charakterisieren, hat die Industrie einen weiteren konstanten Faktor Beta (β oder B) definiert, der als Sensitivitätsindex oder Konstante des verwendeten Materials bezeichnet wird. Um eine grobe Annäherung von R als Funktion der Temperatur über einen definierten Teilbereich zu erhalten, wird Gleichung 2 verwendet:

Gleichung 2

β wird verwendet, um eine genauere Kurve des Widerstands über der Temperatur zu entwickeln, und eine Spezifikation wie "3380 25/50" gibt eine β Konstante von 3380 über einen Temperaturbereich von 25°C bis 50°C an.

- Weitere Parameter sind die thermische Zeitkonstante (TTC), d.h. die Zeit, die der Thermistorwert benötigt, um 63% der Differenz zwischen der alten und der neuen Temperatur zu erreichen. Es gibt auch die Wärmeableitungskonstante (TDC), die mit der unvermeidlichen Eigenerwärmung zusammenhängt, die sich aus dem durch den Thermistor fließenden Strom ergibt. TDC ist die Leistungsmenge, die erforderlich ist, um die Temperatur des Thermistors um 1°C zu erhöhen, und wird in Milliwatt pro ˚C (mW/°C) angegeben. Generell sollte die Verlustleistung so gering wie möglich gehalten werden, um Eigenerwärmung und Folgefehler zu vermeiden.

Zum Beispiel ist der Murata NCP15XH103J03RC ein SMT-Thermistor im Chip-Maßstab, der in 0805-, 0603- und 0402-Gehäusen erhältlich ist, wobei der kleinste nur 1,0 × 0,5 Millimeter (mm) misst. Der kritische β Parameter ist für jede Größe derselbe Wert. Die Hauptparameter für dieses 10 kΩ/25°C-Gerät sind in Tabelle 2 zusammengefasst, die β über verschiedene Bereiche aufruft; ein zugehöriges Diagramm zeigt diese Informationen auch über die Temperatur in Abbildung 2.

Tabelle 2: Zu den kritischsten Spezifikationen bei der Beurteilung eines Thermistors, wie z.B. des Murata NCP15XH103J03RC, gehören sein Nennwiderstand bei 25°C, die Toleranz und die B-Werte bei Schlüsseltemperaturen. (Tabellenquelle: Murata Electronics)

Abbildung 2: Dieses Diagramm verbindet β (B), Temperatur und den R/R25-Faktor von -20°C bis +120°C für den Murata NCP15XH103J03RC. (Bildquelle: Murata Electronics)

Beachten Sie, dass für Thermistoren - wie für fast jedes Bauteil, unabhängig davon, wie einfach es auf den ersten Blick erscheint oder wie wenige Anschlüsse es hat - viele andere Spezifikationen der Primär-, Sekundär- und sogar der Tertiärstufe zu berücksichtigen sind. Bei Thermistoren beziehen sich viele davon auf Anfangstoleranzen verschiedener Spezifikationen sowie auf die Temperaturkoeffizienten dieser Spezifikationen.

Ansteuerung und Erfassung des Thermistors

Da es sich um einen widerstandsbasierten Sensor handelt, ist die Ansteuerung eines Thermistors und die Erfassung seines Widerstands im Prinzip recht einfach. Im Gegensatz zu spannungsgebenden Temperatursensoren wie Thermoelementen benötigt der Thermistor eine mäßige Spannungs- oder Stromerregung, um seinen Widerstand zu messen. Der einfachste Ansatz ist die Verwendung einer einfachen, konstanten Spannungsquelle und einer Spannungsteilerschaltung (Abbildung 3). Die Ausgangsspannung (V_TEMP) kann mit Gleichung 3 berechnet werden:

Gleichung 3

Abbildung 3: Eine einfache Anordnung aus Spannungsquelle und Widerstandsspannungsteiler reicht im Prinzip aus, um den Thermistorwiderstand entsprechend V_TEMP zu messen. (Bildquelle: Texas Instruments)

In der Praxis ist es natürlich oft besser, eine ratiometrische oder Brückentopologie zu verwenden, um die Auswirkungen von Schwankungen der Stromversorgung und des Bias-Widerstands zu minimieren.

Eine alternative Anordnung, die in vielen Designs bei der Messung von Widerstand und Widerstandsänderungen bevorzugt wird, ist die Verwendung einer Konstantstromquelle (Abbildung 4). Hier kann V_TEMP mit Gleichung 4 berechnet werden:

Gleichung 4

Abbildung 4: Aufgrund der verbesserten Leistung und Steuerung der Spannungsablesung wird häufig eine Stromquelle anstelle einer Spannungsquelle und eines Spannungsteilers verwendet. (Bildquelle: Texas Instruments)

Dies bietet eine überlegene Linearität und eine bessere Kontrolle über die Empfindlichkeit der Spannung über dem Thermistor.

Die nächste Frage bezieht sich auf das AFE, das die am Thermistor gemessene Spannung verarbeitet. Für Schwellwert- und geschaltete Anwendungen kann es durch einen Komparator geleitet werden, um einen Ausgang von hoch auf niedrig oder umgekehrt umzuschalten.

Komplizierter ist die Situation, wenn der tatsächliche Temperaturwert benötigt wird, wie es oft der Fall ist. Nun müssen Fragen der Kalibrierung und Korrektur für das nichtlineare Verhalten des Thermistors behandelt werden. Das Ausgangssignal des NTC und der meisten PTC-Thermistoren ist einigermaßen vorhersehbar und hochgradig nichtlinear und wird durch eine vom Hersteller gelieferte Kurve charakterisiert, die die Widerstands-Temperatur-Beziehung für einen bestimmten Thermistortyp definiert.

Konstrukteure haben mehrere Möglichkeiten, den Spannungswert, der den Widerstand darstellt, in einen genauen Temperaturwert umzuwandeln:

- Entwickler können eine abgestufte Anordnung von mehreren Thermistoren verwenden, wobei jeder einzelne eine kleine Zone des gesamten Temperaturbereichs abdeckt, um eine stückweise lineare Näherung zu erstellen. Darüber hinaus wird die Linearität jedes Thermistors durch das Hinzufügen eines Widerstandes über jeden Thermistor etwas verbessert, allerdings zu Kosten in Bezug auf Bauteilkosten, Platinenplatz, Bestandsverwaltung und Leistung (Abbildung 5).

Abbildung 5: Unabhängig davon, ob eine Spannungs- oder Stromquelle zur Ansteuerung des Thermistors verwendet wird, wird durch das Hinzufügen eines Parallelwiderstandes dessen Linearität verbessert, allerdings mit einem Nachteil bei der Bauteilstückliste und dem Stromverbrauch. (Bildquelle: Texas Instruments)

- Sie können eine stückweise lineare Approximation in Software implementieren, bei der der Gesamtbereich in viele kleinere Bereiche unterteilt wird. Die Software kann dann eine einfache lineare Gleichung mit geeigneten Koeffizienten verwenden, um den Messwert über jedes Segment zu linearisieren und zu korrigieren. Dieser Ansatz erfordert eine moderate Menge an Prozessorressourcen und -zeit sowie einen moderaten Speicherbedarf.

- Sie können eine Nachschlagetabelle (LUT) erstellen, die den Widerstand gegenüber der tatsächlichen Temperatur aufzählt. Dies verbraucht minimale Prozessorressourcen und Zeit, aber mehr Speicher proportional zur Granularität der Nachschlagetabelle. Durch Interpolation kann der Speicherbedarf mit einem bescheidenen Rechenaufwand reduziert werden.

- Schließlich kann das System eine komplexe Kurvenanpassungsgleichung verwenden, die minimalen Speicher, aber beträchtliche Verarbeitungsressourcen benötigt.

Beispielsweise kann die Korrektur von Messwerten für NTC-Thermistoren mit der klassischen Steinhart-Hart-Gleichung durchgeführt werden, einer Kurvenanpassungsgleichung, die die R-T-Kurve des Thermistors, die in Gleichung 5 dargestellt ist, genau wiedergibt:

Gleichung 5

Dabei ist T die Temperatur in Kelvin, R ist der berechnete Widerstandswert, A, B und C sind berechnete Koeffizienten, die vom Konstrukteur bestimmt oder vom Thermistorhersteller bereitgestellt werden; dies wird aus offensichtlichen Gründen als "Dreipunktkalibrierung" bezeichnet.

Aus den obigen Ausführungen geht klar hervor, dass die verschiedenen Korrekturansätze Kompromisse zwischen Schaltkreisen und Komponenten, benötigtem Speicher und Verarbeitungsressourcen erfordern.

Auswahl des Thermistor-Widerstandsbereichs

Die Auswahl eines Thermistors mit dem optimalen Widerstand über den interessierenden Temperaturbereich ist eine der Herausforderungen beim Einsatz dieser Bauelemente. In mancher Hinsicht ist es analog zur Dimensionierung eines Widerstandes für die Strommessung des Nebenschlusswiderstandes, aber in anderer Hinsicht ist es ganz anders.

Ziel ist es, ein Widerstandsbauelement so zu wählen, dass der Spannungsabfall über ihm das Maximum ist, das die Schaltung ohne Überlastung akzeptieren kann. Dadurch werden der dynamische Bereich, die effektive Auflösung und das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) maximiert. Für den Strom-Shunt mit seinem Festwiderstand ist die Strom-Spannungs-Beziehung offensichtlich linear. Die Verwendung eines Widerstandes mit größerem Wert zur Anpassung an diese Spanne führt jedoch auch zu mehr Eigenerwärmung bei einem gegebenen Stromniveau, was vergeudete Leistung darstellt und auch eine erhöhte Eigenerwärmung des Sensors induziert.

Dennoch gibt es auch bei dieser Analogie von Shunt-Widerstand und Thermistor Unterschiede. Im Falle des Stromsensor-Shunts ist der Widerstand bekannt, während der Strom unbekannt ist. Für den Thermistor ist die Situation umgekehrt: der Strom aus einer Stromquelle oder die Spannung aus einer Spannungsquelle ist bekannt, aber der Widerstand ist die unbekannte Größe. Da der Widerstand des Thermistors eine nichtlineare Funktion ist, kann er plötzlich und dramatisch ansteigen, wodurch auch die Spannung über ihm ansteigt, möglicherweise über den akzeptablen Wert hinaus. Dies ist insbesondere bei PTC-Thermistoren der Fall, wenn sie sich ihrer Curie-Punkt-Temperatur nähern. Kurz gesagt: Die Thermistoranordnung ist nicht so klar abgegrenzt wie das Design des strommessenden Nebenschlusswiderstandes.

Toleranz und Empfindlichkeitsdrift sind ebenfalls Faktoren. Thermistoren haben im Vergleich zu den Nennwerten ihrer verschiedenen Parameter relativ große Toleranzen, so dass jede Modellierung eine Analyse sowohl mit Effektivwert- als auch mit Worst-Case-Spezifikationen umfassen muss, um sicherzustellen, dass die Leistung innerhalb der Schaltungsmöglichkeiten und Fehlergrenzen bleibt.

Ein neuer PTC-Thermistor überwindet langjährige Probleme

Bei der Verwendung von Thermistoren müssen Designer widersprüchliche Aspekte abwägen. Einerseits sind sie preiswert, haben eine einfache Schnittstellenschaltung und sind klein; all dies ist vorteilhaft für die Platzierung und die Reaktionsfähigkeit. Auf der anderen Seite können ihre Kalibrier- und Genauigkeitsprobleme gegen ihre Verwendung sprechen, da sie wertvollen Design-In-Aufwand verbrauchen und Prozessorressourcen benötigen, um für die meisten Designs ausreichende Messwerte zu erzielen. Je nach der Robustheit der Ausführung von Ansätzen zur Lösung dieser Probleme kann der Fehler leicht zwischen ±2˚C und dem doppelten Wert liegen.

Dieser Fehler ist in einem breiten Spektrum von Anwendungen akzeptabel, aber es gibt auch viele Anwendungen, bei denen dieser Fehler nicht akzeptabel ist. Zurückblickend sind die grundlegenden Herausforderungen bei der Verwendung von Thermistoren ihre hochgradig nichtlineare Temperaturempfindlichkeit sowie die inhärenten Toleranzen und die Spezifikationsdrift. Diese Kombination erzwingt oft schwierige Kompromisse und Kompromisse, die in der Modellanalyse gesehen werden.

Eine neue Familie von siliziumbasierten PTC-Thermistoren von Texas Instruments, typisiert durch den TMP6131DYAR, minimiert viele dieser Bedenken erheblich. Es erweitert die Anwendbarkeit von Thermistoren, da es Linearität und gleichbleibende Empfindlichkeit über die Temperatur bietet (Abbildung 6).

Abbildung 6: Der lineare PTC-Thermistor TMP6131DYAR auf Siliziumbasis von Texas Instruments bietet Linearität und konstante Empfindlichkeit über die Temperatur. (Bildquelle: Texas Instruments)

Dieser ±1%, 10 kΩ (bei 25°C) Thermistor wird in den Gehäuseoptionen 0402 und 0603 mit geringer thermischer Masse für schnelles Ansprechen angeboten, während sein Betrieb mit geringer Leistung trotz seiner geringen Größe die Eigenerwärmung minimiert. Der TMP6131DYAR ist für den Bereich von -40°C bis +125°C ausgelegt und erfüllt somit die überwiegende Mehrheit der Anwendungen. Es ist auch in einer automobil-qualifizierten Geräteklasse erhältlich, was sinnvoll ist, da EV/HEV/ICE-Fahrzeuge alle eine große Anzahl "versteckter" Temperaturpunkte haben, die erfasst und überwacht werden müssen.

Außerdem weisen diese linearen Thermistoren auf Siliziumbasis aufgrund ihrer Materialzusammensetzung und ihrer konstanten Widerstandsempfindlichkeit eine wesentlich stabilere Widerstandstoleranz auf. Zum Beispiel hat ein typischer NTC-Thermistor eine viel größere Widerstandstoleranz, wenn er sich von 25°C wegbewegt, als das, was sein Datenblatt bei dieser Temperatur angibt. In einigen Fällen kann sich die Widerstandstoleranz von ±1% bei 25°C auf bis zu ±4% oder mehr bei -40°C und 150°C erhöhen.

Im Gegensatz dazu haben diese linearen Thermistoren auf Siliziumbasis wesentlich konsistentere Empfindlichkeitswerte, die stabile Messungen über den gesamten Temperaturbereich ermöglichen. Diese Eigenschaft wird durch die ziemlich lineare R-T-Kurve des TMP6131DYAR in Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 7: Im scharfen Gegensatz zu anderen PTC-Thermistoren hat der TMP6131DYAR eine nahezu lineare Temperatur-Widerstands-Kurve. (Bildquelle: Texas Instruments)

Ein zusätzlicher Vorteil dieses lineareren Verhaltens besteht darin, dass die Komplexität der Steinhart-Hart-Gleichung für eine zusätzliche Kalibrierung dieser Thermistoren auf Siliziumbasis nicht erforderlich ist, um eine verbesserte Leistung zu erzielen. Stattdessen kann die Kalibrierung mit einer viel einfacheren Polynom-Regressionsformel vierter Ordnung (Gleichung 6) durchgeführt werden, was einen stark reduzierten Verarbeitungsaufwand bedeutet.

Gleichung 6

Dabei ist T die Temperatur in Celsius, R ist der berechnete Widerstandswert und A (0-4) sind die angegebenen Polynomkoeffizienten.

Die relativen Eigenschaften traditioneller NTC-Thermistoren im Vergleich zu diesen PTC-Bauelementen auf Siliziumbasis sind in Tabelle 3 dargestellt.

Tabelle 3: Die komparativen Eigenschaften der TI-Silizium-basierten PTC-Thermistoren zeigen deutliche Vorteile gegenüber konventionellen NTC-Thermistoren. (Tabellenquelle: Texas Instruments)

Inbetriebnahme des TMP6131DYAR

Thermistoren sind relativ einfach in einem Stromkreis anzuschließen, aber sie müssen dennoch evaluiert werden, um ihre Leistung auf die Anwendungsziele abzustimmen. Um den Prozess zu beschleunigen, bietet Texas Instruments das TMP6EVM, ein Prototyp-Evaluierungsmodul (EVM) für das TTMP6131DYAR an (Abbildung 8). Das ausführliche Benutzerhandbuch beschreibt die Eigenschaften, den Betrieb und die Verwendung des Evaluation-Boards, das auch ein mehrzeiliges LCD-Display enthält, so dass es dem Benutzer während des Einrichtungs- und Evaluationsmodus leicht Meldungen präsentieren kann.

Abbildung 8: Das TMP6EVM-Evaluationsmodul für Thermistoren wie den TMP6131DYAR erleichtert deren Einsatz in einer bestimmten Zielanwendung. (Bildquelle: Texas Instruments)

Das Blockdiagramm des EVMs gibt einen klareren Überblick über die in Abbildung 9 dargestellten Leistungen.

Abbildung 9: Ein Blockdiagramm des TMP6EVM-Auswertemoduls zeigt dessen in sich geschlossenes Design, einschließlich einer LCD-Anzeige zur Interaktion mit dem Gerät. (Bildquelle: Texas Instruments)

Zusätzlich zum Evaluation-Board bietet TI auch ein herunterladbares Thermistor Design Tool an, das eine komplette Widerstands-/Temperaturtabellenberechnung (R-T-Tabelle), andere hilfreiche Methoden zur Ableitung der Temperatur und Beispiel-C-Code bietet.

Fazit

Thermistoren sind weit verbreitete, einfach anzuschließende, vielseitige Sensoren zur Temperaturmessung. Ihre inhärenten Nichtlinearitäten, Toleranzen und Driften bedeuten jedoch, dass Konstrukteure ihre Datenblätter sorgfältig studieren, realisierbare Bereiche bestimmen, ihre Leistungs- und Fehlergrenzen modellieren und ein Kalibrierungsschema implementieren müssen.

Bauelemente wie der TMP6131DYAR von Texas Instruments bieten jedoch eine siliziumbasierte PTC-Lösung für den weit verbreiteten Bereich von -40°C bis +125°C und dies mit ausreichender Linearität und enger Toleranz. Auf diese Weise minimieren sie viele der Herausforderungen, die mit der Auswahl und dem Einsatz von konventionellen NTC- oder PTC-Thermistoren verbunden sind.

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Referenzen:

1. Texas Instruments, "Temperaturerfassung mit Thermistoren"
2. Texas Instruments, "Verbesserung der Temperaturmessgenauigkeit in Batterie-Überwachungssystemen"
3. Ametherm, Inc., "NTC-Thermistor Beta"
4. Ametherm, Inc., "Das Geheimnis erfolgreicher Thermistor-Betaberechnungen"
5. AVX/Kyocera, "TPCNTC/PTC-Thermistoren"
6. TDK, "NTC-Thermistoren: Allgemeine technische Informationen"
7. Bureau International des Poids et Mesures, "Leitfaden für sekundäre Thermometrie: Thermistor-Thermometrie"