Milliarden von Menschen gehen heute täglich mit Technik um, deren Komplexität mit den Jahren dramatisch zugenommen hat. Die Folge ist, dass die Betriebssicherheit dieser Geräte heute – ebenso wie in der Vergangenheit – von großer Bedeutung ist.
Glücklicherweise können Designer thermisch bedingte Vorfälle, wie etwa in Brand geratene Batterien oder schadhaft gewordene Bauelemente, vermeiden, indem sie eine Kühlfunktion aktivieren. Ebenso lassen sich Systeme abhängig von der Umgebungstemperatur aufwärmen oder in ihrer Leistungsfähigkeit anpassen.
Temperatursensoren im Detail
Temperatursensoren sind wesentliche Komponenten aller elektronischen Systeme und tragen dazu bei, bei maximaler Leistungsfähigkeit die Sicherheit für die Anwender zu gewährleisten. Es gibt mehrere Arten von Temperatursensoren, wie etwa IC-Temperatursensoren, Thermistoren, Thermoelemente und RTDs (Resistance Temperature Detectors), die alle durch spezifische Vor- und Nachteile gekennzeichnet sind.
Die Bezeichnung Thermistor ist ein Kofferwort aus den englischen Begriffen „thermal“ und „resistor“. Thermistoren sind sehr einfache diskrete Bauelemente mit zwei Anschlüssen, deren Widerstandswert sich abhängig von der Temperatur so stark ändert, dass diese Änderung mit den entsprechenden Schaltungen ausgewertet werden kann. Auch für Thermistoren gilt natürlich das ohmsche Gesetz, nur dass sich hier der Widerstand je nach der Temperatur, der das Bauelement ausgesetzt ist, verändert.
Stammbaum der Thermistoren
Der Widerstand eines Thermistors hängt also von seiner Temperatur ab. Mit verschiedenen Halbleitermaterialien und Herstellungsprozessen lassen sich außerdem Thermistoren mit positivem oder negativem Temperaturkoeffizienten produzieren. Bei einem NTC-Thermistor nimmt der Widerstandswert mit steigender Temperatur ab, während sich der Widerstand eines PTC-Thermistors mit zunehmender Temperatur erhöht. Die Widerstands-Temperatur-Charakteristik (R-T) lässt sich in lineare und nichtlineare Verläufe über den gesamten Temperaturbereich des Thermistors einteilen.
NTC-Thermistoren haben sich dank ihrer günstigen Preise zu den meistverwendeten Bauelementen im Bereich der Temperaturerfassung mit Thermistoren entwickelt. Allerdings gewinnen lineare Thermistoren wegen der Vorteile, die sie gegenüber NTC-Thermistoren bieten, immer mehr an Popularität.
Lineare Thermistoren auf der Basis von Silizium werden oftmals als „Silistors“ oder als KTY-Bauelemente bezeichnet. Man rechnet sie zu den PTC-Thermistoren, weil ihr Widerstand in der Regel mit steigender Temperatur zunimmt.
Nichtlineare PTC-Thermistoren werden üblicherweise für Strombegrenzungsanwendungen eingesetzt, weil ihr Widerstand ab einer bestimmten Temperatur, der sogenannten Curie-Temperatur, steil ansteigt. Wegen dieser Eigenschaften bezeichnet man nichtlineare PTC-Thermistoren häufig auch als schaltende PTC-Thermistoren.
Gängige Thermistorschaltungen
Lassen Sie uns zunächst betrachten, wie Thermistoren in der Regel verwendet werden. Da erst ein Strom einen Spannungsabfall an einem Widerstand erzeugt, benötigen auch Thermistoren eine externe Anregung, um zu funktionieren.
Eine einfache und kosteneffektive Möglichkeit, diese Anregung zu realisieren, ist die Verwendung einer Konstantspannungsquelle und eines Spannungsteilers. Wenn sich die Temperatur ändert, verändert sich auch die am Thermistor abfallende Spannung VTEMP. Beim Design einer Spannungsquelle ist es immer ratsam, eine ratiometrische Lösung zu wählen, die etwaige Änderungen der Versorgungsspannung kompensiert.
Eine andere Möglichkeit der Ansteuerung ist die Verwendung einer Konstantstromquelle. Dies ermöglicht eine bessere Kontrolle der VTEMP-Empfindlichkeit, um eine hohe Genauigkeit zu erreichen und den Eingangsbereich des verwendeten A/D-Wandlers (ADC) vollständig auszuschöpfen.
Die Spannung VTEMP wird normalerweise direkt einem ADC zugeführt oder über einen Komparator geleitet, mit dem die Überschreitung eines bestimmten Grenzwerts detektiert werden kann. Der Ausgang des Komparators bleibt dabei so lange auf Low-Status, bis VTEMP über die durch R1 und R2 festgelegte Schwellenspannung angestiegen ist.
Wechselt der Ausgang in den High-Status, so signalisiert der Komparator eine Übertemperatur-Warnung. Damit dieses Signal erhalten bleibt, bis die Temperatur auf einen bestimmten Wert gesunken ist, kann entweder ein Komparator mit eingebauter Hysterese verwendet werden, oder man ergänzt das Design durch entsprechende Gegenkopplungs-Widerstände.
Möglicherweise zieht man einen Thermistor mit linearer Temperaturkennlinie vor, weil es die Implementierung der Software erleichtert und die Fehler durch Exemplarstreuungen verringert. In der Vergangenheit hätte man mehrere Thermistoren mit festen Widerständen kombinieren müssen, um die gewünschte lineare Temperaturcharakteristik zu erzielen. Das Mindeste, was zum Linearisieren der VTEMP-Charakteristik notwendig ist, ist jedoch ein Widerstand parallel zum Thermistor.
Lineare PTC-Thermistoren sind dagegen von sich aus linear, das heißt, sie besitzen eine lineare R-T-Kurve und eine dementsprechend lineare VTEMP-Charakteristik, sodass sie keinerlei externen Schaltungen benötigen. Wenn man also Platz und Kosten sparen muss und dennoch einen linearen Verlauf von VTEMP wünscht, kann ein linearer PTC-Thermistor die richtige Wahl sein.
Widerstandstoleranz und -empfindlichkeit
Thermistoren werden nach ihrer Widerstandstoleranz, also der positiven oder negativen Abweichung ihres Widerstands vom Sollwert bei einer bestimmten Temperatur eingeteilt. Diese Toleranz liegt zwischen 0,5 und zehn Prozent und ist in den Datenblättern als Widerstandstoleranz bei 25 °C angegeben. Bei der Auswahl eines Thermistors müssen unbedingt die Widerstandstoleranzen bei den gewünschten Temperaturen berechnet werden.
Hier sind die minimalen, typischen und maximalen Widerstandswerte aus der R-T-Tabelle des Herstellers heranzuziehen. Wichtig ist diese Berechnung, weil die Widerstandstoleranz traditioneller NTC-Thermistoren deutlich größer ist als im Datenblatt angegeben, sobald sie sich von 25 °C entfernen. In einigen Fällen kann die bei 25 °C nur ±1 Prozent betragende Toleranz bei -40 und 150 °C auf bis zu ±4 Prozent anwachsen.
Siliziumbasierte lineare Thermistoren weisen wegen ihrer Materialzusammensetzung und ihrer gleichbleibenden Widerstandsempfindlichkeit eine deutlich stabilere Widerstandstoleranz auf. Im Vergleich zu einem NTC-Thermistor mit ±1 Prozent Toleranz besitzen siliziumbasierte lineare Thermistoren bei -40 und 150 °C eine maximale Widerstandstoleranz von ±1,5 Prozent – ein großer Unterschied zu der immerhin ±4 Prozent betragenden Toleranz eines NTC-Thermistors bei diesen Temperaturextremen.
Ein weiterer Kennwert von Thermistoren ist die Empfindlichkeit, also die Widerstandsänderung pro Grad Celsius. Ist die Empfindlichkeit zu gering, um vom verwendeten ADC gemessen zu werden, kann dies die Genauigkeit der Temperaturmessungen beeinflussen.
Generell weisen NTC-Thermistoren bei niedrigen Temperaturen eine sehr hohe Empfindlichkeit auf, was auf die nichtlineare, exponentielle Abnahme ihres Widerstands mit steigender Temperatur zurückzuführen ist. Bei hohen Temperaturen dagegen geht die Empfindlichkeit drastisch zurück, was zusammen mit einer hohen Widerstandstoleranz zu falschen Temperaturmessungen führen kann.
Im Vergleich mit NTC-Thermistoren zeichnen sich siliziumbasierte Thermistoren durch deutlich einheitlichere Empfindlichkeitswerte aus, was stabile Messungen über den gesamten Temperaturbereich möglich macht. Diese Thermistoren besitzen überdies eine höhere Empfindlichkeit als NTC-Thermistoren, weil die Empfindlichkeit von NTC-Thermistoren oberhalb von 67 °C stark zurückgeht. Wenn es also um die präzise Messung hoher Temperaturen geht, stellen siliziumbasierte Thermistoren eine hervorragende Alternative zu traditionellen NTC-Thermistoren dar.
Kalibrierung
Es ist immer sinnvoll, Thermistoren während des Montagevorgangs zu kalibrieren, um exaktere Temperaturmessungen zu erhalten. Dies geschieht in der Regel, indem man den Widerstandswert eines Thermistors bei einer bekannten Temperatur misst und einen Offset implementiert. Abhängig von der Art des Thermistors und dem Temperaturbereich der Applikation kann die Zahl der empfohlenen Kalibrierpunkte variieren.
Wenn beispielsweise ein großer Temperaturbereich von über 50 °C gemessen werden soll, erfordern NTC-Thermistoren üblicherweise mehrere Kalibrierpunkte, um den aus der Widerstandstoleranz und der Empfindlichkeitsschwankung über den Temperaturbereich hinweg resultierenden Fehler zu verringern. Im Gegensatz dazu benötigen siliziumbasierte lineare Thermistoren nur einen Kalibrierpunkt, was an der Stabilität des Siliziums, der Linearität der R-T-Kennlinie und der geringen Widerstandstoleranz liegt.
Eigenerwärmung und Drift des Sensors
Zur Eigenerwärmung kommt es infolge der Verlustleistung, die in einem Thermistor abfällt, wenn er von einem Strom durchflossen wird. Diese im Kern des Thermistors entstehende Wärme kann die Messgenauigkeit beeinträchtigen. Das Ausmaß der Eigenerwärmung eines Thermistors hängt beispielsweise von folgenden Faktoren ab:
Materialzusammensetzung
Größe des Thermistors
Höhe des im Thermistor fließenden Stroms
Umgebungsbedingungen (etwa Wärmeleitfähigkeit der Umgebung des Sensors)
Layout der Leiterplatte
An der R-T-Kennlinie eines NTC-Thermistors ist zu erkennen, dass der Widerstand mit zunehmender Temperatur fällt, was wiederum die Verlustleistung ansteigen lässt. Mit wachsender Verlustleistung entsteht im NTC-Thermistor außerdem mehr Wärme, sodass seine Temperatur ansteigt.
Anders ist es bei einem siliziumbasierten linearen PTC-Widerstand, dessen Widerstand mit steigender Temperatur ansteigt. Hierdurch geht wiederum die Verlustleistung zurück. Da sie aus Silizium hergestellt werden, kommt es bei diesen Bauelementen im Gegensatz zur Materialzusammensetzung von NTC-Thermistoren nur zu einer minimalen Eigenerwärmung.
Abgesehen von der Eigenerwärmung können die Toleranzen zu einer Drift des Thermistors über seine Nutzungsdauer hinweg führen. Die Driftspezifikationen, die im Datenblatt eines Thermistors angegeben sein können, sind von großer Bedeutung für Anwendungen, in denen die Bauelemente über Jahre hinweg unter rauen Bedingungen eingesetzt werden.
Thermistor-Hersteller erstellen diese Spezifikationen in der Regel mithilfe beschleunigter Umgebungsbelastungstests, zu denen Temperatur- und Feuchtigkeitswechselprüfungen gehören. Auch die Drift ist bei siliziumbasierten linearen PTC-Thermistoren deutlich geringer als bei NTC-Thermistoren, da Silizium stabiler ist.
Zusammenfassung
Siliziumbasierte lineare Thermistoren bieten zahlreiche Vorteile gegenüber traditionellen NTC-Thermistoren, aber ein großes Hindernis ist der Mehrpreis gegenüber NTC-Thermistoren. Diese Hürde wurde von Texas Instruments durch Einführung einer Familie siliziumbasierter linearer Thermistoren aus dem Weg geräumt, die die gleichen kleinen Gehäuse aufweisen und zu ähnlichen Preisen angeboten werden wie NTC-Thermistoren.
