Sowohl das «Sensor-Tutorial» als auch das «Thermal Management Handbook» behandeln aus verschiedenen Blickwinkeln die unterschiedlichen Typen von Temperatursensoren, ihre Vor- und Nachteile und die wichtigen Überlegungen bei der Auswahl eines Temperatursensors. Untersucht und erforscht werden die Sensortypen, die für verschiedene Anwendungen am besten geeignet sind. Die Autoren vergessen auch nicht, auf die jüngsten Fortschritte einzugehen, die den Stand der Technik zur Entwicklung noch besserer Temperatursensoren vorantreiben. Die Verfügbarkeit von Temperatursensoren in verschiedenen Bauformen und mit verschiedenen Funktionen machen sie für spezifische Anwendungen geeignet. Im Bereich der modernen Elektronik gibt es fünf Arten von Temperatursensoren, die am häufigsten verwendet werden:
■Thermoelemente
■Widerstandstemperaturfühler (RTDs)
■Thermistoren
■lokale Temperaturfühler-ICs
■externe thermische Dioden-Temperaturfühler-ICs
Funktionsweise der Sensoren sowie deren Vor- und Nachteile
Thermoelemente, RTDs und Thermistoren sind Sensorelemente, die auf die Temperatur messbar reagieren. Sie werden normalerweise an Schaltungen angeschlossen, die das Sensorsignal in einen nutzbaren analogen oder digitalen Wert umwandeln. Die entsprechenden Schaltungen werden üblicherweise mit ADCs, Verstärkern, Spannungsreferenzen und anderen aktiven und passiven Komponenten aufgebaut – oder aber sie können auch dedizierte Sensor-Signalkonditionierer-ICs sein. Lokale Temperatursensor-ICs nutzen die physikalischen Eigenschaften von Transistoren auf dem Chip als Sensorelement. Zusätzliche Schaltungen, wie zum Beispiel ein ADC, Verstärkerstufen und Pegelwandler, werden integriert, um einen Sensor mit einer analogen oder digitalen Schnittstelle zu bekommen.
Thermische Dioden-Ferntemperaturfühlerhaben einen externen Bipolartransistor als Sensorelement und beinhalten alle notwendigen Signalaufbereitungsschaltungen, um Temperaturen mit einem oder mehreren externen Transistoren zu messen. In dem erwähnten Tutorial werden sowohl lokale als auch entfernte thermische Diodensensoren beschrieben, wie sie Temperaturen messen und in welchen Anwendungen sie am besten eingesetzt werden sollten.
Selbstversorgende Thermoelemente bis +2000 °C
Thermoelemente werden oft in einer Vielzahl von Industrie-, Automobil- und Konsumgeräten eingesetzt. Sie sind selbstversorgend, benötigen keine Anregung und arbeiten über einen viel grösseren Temperaturbereich (bis zu +2000 °C) als andere gängige Sensoren.
Reine Thermoelementverbindungen können schnelle Ansprechzeiten aufweisen, so dass sich Messungen ohne nennenswerte Verzögerungen im Systembetrieb durchführen lassen. Thermoelemente erfassen die Temperatur mithilfe des Seebeck-Effekts, der bei einer Temperaturdifferenz an den Übergängen unterschiedlicher Metalle auftritt.
Widerstandstemperatursensor (RTD)
Der elektrische Widerstand eines jeden Metalls variiert mit der Temperatur. RTDs sind Temperatursensoren, die auf diesem Verhalten basieren. Es handelt sich dabei um Widerstände mit genau definierter Widerstands/Temperaturcharakteristik.
Platin ist aufgrund seiner chemischen Stabilität und seiner relativ linearen Reaktion auf Temperaturschwankungen das am häufigsten verwendete und genaueste Drahtmaterial in RTDs. Platin-RTDs werden auch als PRTDs bezeichnet und sind oft mit 100 Ω und 1 kΩ Widerständen (bei 0 °C) erhältlich, die als PT100 und PT1000 bezeichnet werden.
Nickel, Kupfer und andere Metalle können auch zur Herstellung von RTDs verwendet werden. Platin-Widerstandsthermometer zeichnen sich unter anderem durch einen weiten Temperaturbereich (bis +750 °C oder höher), hervorragende Genauigkeit und Wiederholbarkeit sowie eine angemessene Linearität aus. Aufgrund ihrer Genauigkeit, Stabilität und ihres weiten Temperaturbereichs werden RTDs in einer Vielzahl von Präzisionsanwendungen eingesetzt, einschliesslich Instrumentierungen und Prozesssteuerungen.
Thermistoren
Thermistoren, wie RTDs, verändern den Widerstand als Reaktion auf Temperaturänderungen. Während RTDs oft aus einem reinen Metall bestehen, werden Thermistoren in der Regel aus einem Polymer- oder Keramikmaterial hergestellt. Thermistoren sind preiswerter und weniger genau als RTDs, aber es gibt Ausnahmen. Die meisten Thermistoren sind in Zweileiterkonfigurationen erhältlich. Thermistoren mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) werden oft für Messanwendungen verwendet. Wie der Name schon sagt, nimmt der Widerstand eines NTC-Thermistors mit steigender Temperatur ab. Ein typischer Temperaturbereich ist von –90 bis +130°C – viel niedriger als bei Thermoelementen und RTDs – obwohl es auch Thermistoren mit einem grösseren Bereich gibt.
Temperatursensor-ICs
Ein lokaler Temperatursensor ist die gebräuchliche Bezeichnung für eine integrierte Schaltung, die ihre eigene Die-Temperatur mit den physikalischen Eigenschaften von Bipolartransistoren misst. Einige lokale Temperatursensoren haben Analogausgänge (entweder Spannung oder Strom), während andere einen internen ADC besitzen und einen digitalen Ausgang in einem von mehreren Formaten abgeben. I2C, SMBus, 1-Wire und SPI sind die gebräuchlichsten, aber auch PWM und andere Ausgabeformate sind verfügbar.
Ausblick
Während die Entwicklung von Temperatursensoren robust und gut verstanden ist, hat jedoch jedes Design andere Ansprüche und Herausforderungen. Zweifellos wird die Temperaturmessung auch weiterhin notwendig und vorteilhaft sein, zumal neue Fertigungsverfahren entwickelt werden und verschiedene IoT-Anwendungen sicherlich hinzukommen. Darüber hinaus werden weitere Lösungsoptionen zur Verfügung stehen, wie zum Beispiel die hochgenauen Temperatursensoren aus dem Thermomanagement-Handbuch von Maxim. Sowohl das «Sensor-Tutorial» als auch das «Thermal Management Handbook» können auf der Webseite von Polyscope heruntergeladen werden.
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