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Temperaturmessung mit Thermistoren

Auf maximale Genauigkeit getrimmt

01. Juni 2021, 12:00 Uhr   |  Gordon Varney, Texas Instruments

Auf maximale Genauigkeit getrimmt
© fontriel/Adobe Stock

Kennt man die richtigen Kniffe beim Design, kann man einem PTC-Thermistor eine höhere Genauigkeit und mehr Stabilität verleihen, als es mit einem NTC-Thermistor möglich ist.

Um Temperaturen präzise zu messen, werden in vielen Anwendungen Thermistoren eingesetzt, die es als NTC oder PTC gibt. Welche Vor- und Nachteile die beiden haben und wie sich PTCs mit mehr Genauigkeit und Stabilität in ein System implementieren lassen als NTCs, erklärt Gordon Varney von TI.

Temperatursensoren kommen in ganz unterschiedlichen Anwendungen zum Einsatz. So finden sie in getakteten Stromversorgungen hoher Leistung Verwendung, in denen die Leistungstransistoren und Kühlkörper überwacht werden müssen. Ein Batterieladesystem benötigt außerdem einen Temperatursensor, um die Batterietemperatur zu überwachen – für sicheres Laden und eine optimierte Lebensdauer der Batterie. Thermostate in Privathaushalten wiederum benötigen Temperatursensoren zum Überwachen der Zimmertemperatur, damit das Heizungs-, Klimatisierungs- und Lüftungssystem entsprechend geregelt werden kann.

Um die Temperatur in den genannten Anwendungen zu messen, werden meist NTC-Thermistoren (mit negativem Temperaturkoeffizienten) verwendet. Diese Bauelemente verändern ihren Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur. Eine effizientere und präzisere Möglichkeit, den heutigen Anforderungen an die Temperaturmessung gerecht zu werden, sind auf Silizium basierende Thermistoren, die einen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) haben. Derartige PTCs sind keine resistiven Bauelemente, sondern sogenannte Current-Mode-Bauelemente, deren Ausgangsspannung sich in linearer Abhängigkeit von der Temperatur ändert.

Unabhängig davon, ob ein NTC oder PTC genutzt wird, sind ein ADC und ein Mikrocontroller (MCU) erforderlich, um das Spannungssignal des Thermistors zu messen.

Den passenden Mikrocontroller und ADC auswählen

Bei der Auswahl des Mikrocontrollers gibt es mehrere Optionen. Im ungünstigen Fall ist die Entscheidung für dieses Bauteil bereits gefallen, wenn es an die Auswahl des Temperatursensors geht. In einer solchen Situation kann man sein Augenmerk auf die Besonderheiten des im Mikrocontroller enthaltenen ADC richten, die man für die Temperaturerfassung kennen muss.

Es gibt viele verschiedene Arten von ADCs, am beliebtesten sind jedoch SAR-ADCs (Successive Approximation Register) und Delta-Sigma-ADCs. Letztere bieten eine hohe Auflösung von bis zu 32 Bit, erreichen aber nur eine geringere Abtastrate. SAR-ADCs sind die meistgenutzten ADCs. Sie sind mit Auflösungen von 8 bis 18 Bit verfügbar und weisen höhere Abtastraten auf. Für die Temperaturerfassung sind beide Bauarten geeignet.

Die Bit-Anzahl eines ADC entscheidet über die Auflösung, jedoch nicht über die Genauigkeit. Die Auflösung gibt an, in wie vielen Stufen der ADC die angelegte analoge Spannung digitalisiert. Zusammen mit der Referenzspannung (VREF) bestimmt die Auflösung darüber, welcher Spannung ein LSB (Least Significant Bits) des ADC entspricht.

Nehmen wir als Beispiel einen 10-Bit-ADC, der somit 210 (1024) LSBs besitzt. Bei einer Referenzspannung von 3,3 V entspricht ein LSB einer Spannung von 3,3 V/1024 = 0,003226 V. Bei einem 16-Bit-ADC wären es dagegen 216 (65.536) LSBs, und einem LSB würde dann eine Spannung von 0,000005035 V entsprechen. Wenn ein ADC eine höhere Auflösung (mehr Bits) aufweist, macht dies die Temperaturmessung genauer.

Dabei dürfen Genauigkeit und Auflösung keinesfalls verwechselt werden. Bei der Auflösung handelt es sich um die Fähigkeit, Änderungen im Wert der gemessenen Schaltung zu erkennen. Ein typischer Mikrocontroller-ADC für Temperaturmessungen besitzt eine Auflösung von 12 bis 16 Bit. Es lässt sich feststellen, dass ein 8-Bit- oder 10-Bit-ADC nicht genügend Auflösung bietet, um von der Genauigkeit des Thermistors zu profitieren, und eine größere Temperaturstufung aufweist, die in der Regel nicht hinnehmbar ist.

Mehr Auflösung durch Oversampling

Ziel des so genannte Oversampling ist es, die Auflösung und den Signal-Rausch-Abstand zu erhöhen. Hinter dem Oversampling steht der Gedanke, mehrere Temperaturmessungen samt dem enthaltenen Rauschen aufzusummieren und anschließend den Mittelwert aus ihnen zu bilden, um einen genaueren Wert zu erhalten. Für jedes zusätzliche Bit an Auflösung muss die Abtastrate des Signals um den Faktor 4 erhöht werden. Bei achtfacher Überabtastung nimmt die Auflösung um 2 Bit zu, und bei 16-fachem Oversampling erhält ein 10-Bit-ADC eine Auflösung von 14 Bit.

In einer Applikation lässt sich eine beliebig hohe Zahl von Signalproben (N#) verwenden, um die angestrebte Auflösung zu erzielen, solange die Zahl der Signalproben über der Nyquist-Rate liegt. Die Nyquist-Rate gibt an, wie oft ein neuer tatsächlicher Temperaturwert ausgegeben werden soll. Die Gesamtzahl der Signalproben muss mindestens um den Faktor N# größer sein als das gewünschte wirkliche Temperaturergebnis.

Wenn man bei Verwendung der Oversampling-Methode ein gewisses Dithering-Rauschen zum Eingangssignal hinzufügt, kann dies dazu beitragen, den Auflösungsfehler zu verbessern. In vielen Applikationen lohnt es sich durchaus, für eine deutliche Steigerung der Messauflösung eine gewisse Zunahme des Rauschens in Kauf zu nehmen. Platziert man das Dithering-Rauschen außerhalb des für die Messung relevanten Frequenzbereichs, lässt es sich im digitalen Teil anschließend ausfiltern, sodass die finale Messung im interessierenden Frequenzbereich durch höhere Auflösung und weniger Rauschen gekennzeichnet ist.

Die beste Methode zum Einbringen des Dithering-Rauschens besteht darin, die Common-Collector-Spannung (VCC) des Thermistor-Teilers von VREF zu separieren (unter Verwendung der internen Referenzspannungsquelle des Mikrocontrollers für den ADC). Ein Kondensator sollte nicht an der Leitung platziert sein, über die die Spannung am Widerstandsteiler abgegriffen wird. In vielen Fällen dürfte das Eigenrauschen der Schaltung ausreichen, um ein Dithering der Widerstandsteiler-Spannung für die Mittelwertbildung zu erreichen. Dabei muss die Amplitude des Dithering-Rauschens vier oder mehr Bits entsprechen. Ein 10-Bit-ADC mit einer Referenzspannung von 3,3 V weist eine Spannungsstufung von 0,0032 V auf. Wie erwähnt, muss das Dithering-Rauschen mindestens vier Bits ober- und unterhalb der erwarteten Temperaturmessung betragen. Im Fall des beschriebenen 10-Bit-ADC muss es also mindestens ±0,0128 V (0,0256 V Peak-to-Peak) über dem LSB des ADC liegen, damit die Auflösung des ADC durch Mittelwertbildung hinreichend gesteigert werden kann.

Hat der ADC einen Bit-Wert eingelesen und ist die Temperatur berechnet, kann dieser Wert in einem softwaremäßigen FIFO-Array (First In, First Out) abgelegt werden. Wird ein neuer Wert in dieses Array geladen, wird die älteste Signalprobe verworfen und alle anderen Signalproben rücken eine Zelle weiter. Diese Art der Mittelwertbildung lässt sich für alle Werte anwenden, die in einem Temperaturumwandlungsprozess benutzt werden – also für die Temperatur, den Bit-Wert des ADC, die Spannung am Widerstandsteiler oder sogar für den berechneten Widerstand. Alle diese Faktoren lassen sich gut mit der Mittelwertbildung kombinieren.

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2. Fest- oder Gleitkomma beim Mikrocontroller?
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