Anpassung der Temperatursensorfaktoren an die Anforderungen der Anwendung

Die Wahl des optimalen Temperatursensors für eine Anwendung kann angesichts der Vielfalt der verfügbaren Sensortechnologien und der unterschiedlichen Branchenanforderungen eine Herausforderung darstellen. Für viele Anwendungen sind jedoch genaue Messwerte erforderlich, so dass es wichtig ist, die breite Palette der verfügbaren Optionen zu prüfen.

Bei der Auswahl eines Temperatursensors müssen mehrere Faktoren abgewogen werden, um die Anforderungen an das Design zu erfüllen, z. B. Genauigkeit, Reaktionszeit, Kommunikationsprotokoll, Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen, Stromverbrauch, Kosten und Systemintegration. Im Allgemeinen gibt es vier Kategorien von Sensoren mit analogem Spannungsausgang und eine fünfte Kategorie, die einen digitalen Signalausgang verwendet:

• Thermoelemente haben einen großen Temperaturbereich und eine lange Lebensdauer, sie messen von kryogenen Temperaturen bis zu über 1800°C. Sie sind robust und können rauen Umgebungen standhalten und reagieren schnell auf schnelle Temperaturänderungen. Sie sind jedoch weniger genau und stabil als andere Optionen und erfordern eine Signalaufbereitung. Sie eignen sich gut für die Schwerindustrie, z. B. für die Stahl- und Glasherstellung, sowie für Haushalts- und Gewerbegeräte mit großer Hitzeentwicklung.
• Widerstandstemperaturfühler (RTDs) sind hochgenau und stabil. Sie sind ideal für die industrielle Automatisierung und Prozesssteuerung, wo Präzision entscheidend ist. RTDs werden häufig in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie für eine strenge Temperaturkontrolle bei Prozessen wie Brauen, Sterilisieren und Frittieren verwendet. Sie ermöglichen genaue Temperaturmessungen in HLK-Systemen sowie in Labor- und medizinischen Geräten wie Inkubatoren und Analyseinstrumenten. RTDs können im Vergleich zu Alternativen wie Thermoelementen teuer sein und sind empfindlich, da sie aus feinen Drähten oder Dünnschichtmessfühlern bestehen. Sie werden oft mit einer Präzisionsmessschaltung verwendet, die die Komplexität und die Kosten des Designs erhöht.
• Thermistoren sind temperaturabhängige Widerstände aus Halbleitern, die eine hohe Empfindlichkeit aufweisen. Große Widerstandsänderungen bei kleinen Temperaturveränderungen ermöglichen die Erfassung kleinster Schwankungen und eine hohe Auflösung. Die kleinen, schnellen und kostengünstigen Thermistoren sind in verschiedenen Größen erhältlich, von winzigen Kügelchen bis hin zu größeren Fühlern. Sie eignen sich hervorragend für Anwendungen mit begrenzter Temperaturspanne, typischerweise zwischen -50°C und 150°C. Thermistoren sind sehr vielseitig und finden Anwendung in medizinischen Geräten und in der Unterhaltungselektronik, wo die Umgebungs- oder Körpertemperatur eine Rolle spielt, sowie in der Automobilindustrie, in Batteriemanagementsystemen, in Verbrauchsgeräten und in der Brand- und Raucherkennung. Ihre nichtlineare Widerstandskurve erfordert jedoch Umrechnungsformeln oder Nachschlagetabellen, um den Widerstand in eine genaue Temperatur zu übersetzen, und sie können im Vergleich zu RTDs im Laufe der Zeit eine Drift aufweisen.
• Diodenbasierte Temperatursensoren bieten schnelle Reaktionszeiten und sind kleiner als die anderen drei analogen Typen. Sie lassen sich problemlos mit einem Mikrocontroller, Analog/Digital-Wandlern (ADCs) und anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) verbinden. Sie sind kostengünstig und haben einen begrenzten Temperaturbereich von -55°C bis +150°C. Sie werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, die von der Unterhaltungselektronik über die Industrieautomatisierung bis hin zu Speichersystemen in Datenzentren und der Automobilindustrie reichen. Sie weisen eine geringere Genauigkeit als RTDs auf, sind anfällig für Systemstörungen und erfordern häufig eine Kalibrierung, um konsistente Messwerte zwischen verschiedenen Geräten zu gewährleisten.
• Digitale Temperatursensoren sind integrierte Schaltungen (ICs), die die Temperatur messen und einen direkten digitalen Ausgang liefern, in der Regel über Kommunikationsprotokolle wie SMBus, I²C, SPI oder 1-Wire. Sie erfordern nicht die externe Signalaufbereitung, Verstärkung und Analog/Digital-Wandlung der analogen Optionen.

Leitlinien für die Auswahl

Bei der Wahl des geeigneten Temperatursensors müssen Genauigkeit, Reaktionszeit, Haltbarkeit und Kosten abgewogen werden. Auch branchenspezifische Anforderungen können bei der Auswahl eines geeigneten Bauteils eine Rolle spielen.

Die Betriebsumgebung der Anwendung spielt eine entscheidende Rolle. Raue Bedingungen erfordern robuste Sensoren wie Thermoelemente oder beschichtete Widerstandsthermometer, während Thermistoren oder Halbleitersensoren eher für kontrollierte Umgebungen geeignet sind. Kosten und Skalierbarkeit sind ebenfalls Faktoren, die bei der Massenproduktion zu berücksichtigen sind - Thermistoren sind wirtschaftlich, aber RTDs und hochwertige Thermoelemente bieten langfristige Stabilität.

Die Toleranz des Entwicklers gegenüber Genauigkeit und Zweckmäßigkeit kann sich ebenfalls auf die Auswahl auswirken. RTDs bieten hohe Präzision, sind aber teuer, während Thermoelemente vielseitiger, aber weniger genau sind. Reaktionszeit und Platzierung spielen ebenfalls eine Rolle - kleine Sensoren mit geringer Masse wie Thermoelemente und Thermistoren reagieren schnell, aber ihre Platzierung kann die Leistung beeinträchtigen.

Die Kosten eines Sensors und der zugehörigen Schaltkreise können die Auswahl stark beeinflussen, insbesondere bei Konsumgütern oder in der Großserienfertigung. Es gibt eine beträchtliche Kostenspanne zwischen den verschiedenen Sensortypen. Analoge Sensoren erfordern eine Signalaufbereitung, während digitale Sensoren die Integration vereinfachen. Durch die Reduzierung der analogen Schaltkreise und der Kalibrierung können die Gesamtkosten minimiert werden, so dass sich sogar der Einsatz eines etwas teureren digitalen Sensors rechtfertigt.

Digitale Optionen und Merkmale

Digitale Sensoren wandeln ein analoges Signal intern um und übertragen die Daten als digitalen Strom, was oft eine bessere Störfestigkeit bietet und eine komplexere Datenverarbeitung ermöglicht. Analog Devices, Inc. (ADI) bietet eine breite Palette analoger und digitaler Temperatursensoren an, und Entwickler sollten sorgfältig prüfen, welcher Sensor den Anforderungen ihrer Anwendung am besten entspricht. Im Folgenden finden Sie eine kurze Zusammenfassung einiger digitaler Sensoren.

Wenn genaue Temperaturmessungen erforderlich sind, ist die Genauigkeit wahrscheinlich der wichtigste Auswahlfaktor. Der digitale Sensor MAX31888 von ADI bietet eine Genauigkeit von ±0,25°C über einen Bereich von -20°C bis +105°C und kommuniziert über einen 1-Wire-Bus mit einem Mikrocontroller, um hochpräzise Temperaturüberwachungsschaltungen zu ermöglichen (Abbildung 1). In jeden MAX31888 ist eine eigene 64-Bit-Registrierungsnummer einprogrammiert, die als Knotenadresse in einem Multi-Drop-1-Wire-Netzwerk dient.

Abbildung 1: Eine typische Anwendungsschaltung mit dem Temperatursensor MAX31888. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Der MAX31888 verwendet nur eine Datenleitung für die Kommunikation, von der er direkt parasitäre Energie beziehen kann, so dass Entwickler auf eine externe Versorgung verzichten können. Bei Verwendung einer externen Stromversorgungen kann diese in einem Spannungsbereich von 1,7 V bis 3,6 V liegen, bei einer Stromaufnahme von nur 68 μA während der Messung.

Bei der Entwicklung kleiner, batteriebetriebener Geräte sind Stromverbrauch und Größe die wichtigsten Faktoren. Für Anwendungen wie Wearables kombinieren die Bausteine MAX31875 von ADI, wie z. B. der MAX31875R0TZS+T (Abbildung 2), eine sehr kleine Gehäusegröße von 0,84 mm x 0,84 mm x 0,35 mm und einen niedrigen Versorgungsstromverbrauch mit einer Temperaturmessgenauigkeit von ±1°C.

Abbildung 2: Darstellung des Formfaktors des MAX31875R0TZS+T. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Die Familie MAX31875 verwendet eine I²C/SMBus-kompatible serielle Schnittstelle, die Standardbefehle zum Schreiben von Bytes, Lesen von Bytes, Senden von Bytes und Empfangen von Bytes verwendet, um Temperaturdaten zu lesen und das Sensorverhalten in einer typischen Schaltung zu konfigurieren (Abbildung 3). Sie benötigt einen durchschnittlichen Versorgungsstrom von <10 μA und kann Temperaturen von -50°C bis +150°C messen.

Abbildung 3: Eine Anwendungsschaltung mit einem digitalen Temperatursensor MAX31875. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

ADI bietet auch ICs an, die die Temperatur von Thermodioden präzise messen und in ein digitales Format umwandeln, wodurch herkömmliche Thermistoren oder Thermoelemente ersetzt werden. Diese Dioden-Fernfühler messen die Temperatur externer PN-Übergänge, wie die in CPUs, GPUs, FPGAs und ASICs eingebauten Thermodioden. Der MAX6654MEE+T misst die Temperatur an einer Thermodiode. Weitere Optionen sind für 2-, 3-, 4- und 8-Kanal-Anwendungen erhältlich.

Dioden-Fernsensoren können in elektrisch verrauschten Umgebungen mit entsprechender interner und externer Filterung in großem Umfang eingesetzt werden. Der MAX31732ATG+T ist ein 4-Kanal-Temperatursensor, der seine eigene Temperatur sowie die Temperaturen von bis zu vier externen, diodenverbundenen Transistoren überwacht (Abbildung 4).

Abbildung 4: Der MAX31732 von ADI kann bis zu vier externe diodenverbundene Transistoren überwachen, wie in dieser Anwendungsschaltung. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Der Sensor MAX31732 kann so programmiert werden, dass er ohne spezielle Software oder Firmware Temperaturschwellenwerte festlegt. Über eine serielle 2-Draht-Schnittstelle können Temperaturen überwacht und Temperaturschwellenwerte geändert werden.

Fazit

Die Wahl des optimalen Temperatursensors kann eine bessere Leistung, Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz in einer Anwendung gewährleisten. Die Auswahl kann durch eine Reihe von Faktoren beeinflusst werden, einschließlich branchenspezifischer Anforderungen und Normen sowie Kosten-Leistungs-Abwägungen. Das digitale Temperatursensor-Portfolio von ADI bietet Lösungen für die Anforderungen einer Vielzahl von Anwendungen.