Analogtipp Höhere Zuverlässigkeit mit integrierten Temperatursensoren

Zur Temperaturmessung wünscht man sich einen möglichst kleinen Sensor, der möglichst schnell auf Temperaturänderungen anspricht. Andererseits soll die Signalkette möglichst wenige Bauelemente enthalten. Wir zeigen Ihnen, wie Sie die Grenzen bei der Temperaturmessung ausreizen.

Indem man die Signalkette zur Temperaturerfassung integriert und die Größe der Temperatursensoren verringert, lassen sich die Genauigkeit und die Reaktionszeit von Temperaturmessungen unmittelbar verbessern.

Diskrete Temperatursensoren haben zwar den Vorteil, dass sie sich wegen ihrer geringen Größe näher an den Hotspots eines Systems platzieren lassen, sie sind aber auf eine diskret implementierte Signalkette mit all ihren Nachteilen angewiesen.

Ein anschauliches Beispiel sind NTC- Thermistoren. Sie gehören zu den kleinsten Sensoren, benötigen aber ein Widerstands-Netzwerk, um die nötige Spannung bzw. den erforderlichen Strom bereitzustellen. In den Messfehler gehen damit neben den Toleranzen des Thermistors selbst und der Bias- Widerstände auch die Fehler der Spannungsversorgung ein.

Infolge der diskreten Signalkette wird das System auch anfällig für Rauschphänomene. Dies gilt ganz besonders für NTC-Thermistoren, deren Widerstand bei Temperaturänderungen nur geringfügig variiert. Man hat somit die Wahl, entweder das Rauschen hinzunehmen oder einen größeren Schaltungsaufwand zum Ausfiltern des gewünschten Signals zu akzeptieren. Werden möglichst exakte Temperaturmesswerte gewünscht, kommt man um die Integration der kompletten Signalkette nicht herum.

Häufig werden Grenztemperaturen mit einer Kombination aus Thermistor und Komparator erfasst. Wenn etwa der Bildsensor einer Kamera maximal 115 °C verträgt, die Systemtemperatur aber einen Wert von 125 °C erreichen kann, muss die Abschaltschwelle so gewählt werden, dass bleibende Schäden ausgeschlossen sind. Selbst bei Temperaturen von 100 °C können die Prozessor-Takt­rate, die Bildwiederholrate oder andere Parameter reduziert werden, um eine Komplettabschaltung zu verhindern.

Der integrierte Baustein TMP392 mit zwei Schaltschwellen spart 42 Prozent Leiterplattenfläche gegenüber der diskreten Lösung aus Thermistor und Komparator ein. Die Temperaturgenauigkeit beträgt ±1,5 °C (zwischen 0 und 70 °C) bzw. ±3 °C (zwischen –55 und 130 °C).

Temperaturmessung: Genauigkeit und Schnelligkeit

Genauigkeit und Schnelligkeit der Temperaturmessung hängen ebenfalls von der Wärmekapazität und der Platzierung des Sensorelements ab. Je größer die Wärmekapazität eines Körpers ist, umso länger dauert es, bis er Wärme aus seiner Umgebung aufnimmt und sich entsprechend erwärmt.

Das System kann deshalb weniger schnell auf Temperaturänderungen reagieren. Verkompliziert wird die Lage dadurch, dass auch die Leiterplatte und die umgebende Luft die Temperatur des Körpers beeinflussen.

Man wünscht sich also einerseits einen möglichst kleinen Temperatursensor, der möglichst schnell auf Temperaturänderungen anspricht, strebt aber andererseits einen hohen Integrationsgrad an, um die Signalkette mit möglichst wenigen Bauelementen zu implementieren.

Dass sich diese beiden scheinbar konträren Vorgaben durchaus miteinander vereinbaren lassen, zeigen die digitale Temperatursensoren TMP114 und TMP144, deren Gehäuse 0,758 mm x 0,758 mm misst und die mit 0,15 mm Bauhöhe flacher sind als typische passive Bauelemente (z. B. NTC-Thermistoren).

Damit ist sogar die Platzierung unter einem Prozessor zwischen dessen Kontaktpunkten (Bild 1) möglich. Dank der höheren Genauigkeit des TMP114 und des TMP144 lassen sich die thermischen Grenzen eines Systems also weiter ausreizen.

* William Cooper arbeitet im Bereich „Marketing and Applications, Temperature and Humidity Sensing“ bei Texas Instruments in Dallas / USA.

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