Gerätelüfter Lüfterregelung mit Halbleitertemperatursensoren

Bei der Steuerung von Lüftern ersetzen zunehmend digitale Halbleitertemperatursensoren herkömmliche Lösungen mit Thermistoren. Dies ist vor allem dann sinnvoll, wenn eine gute Linearität und kleine Baugrößen gefordert sind. Wir beschreiben die spezifischen Eigenschaften digitaler Halbleitersensoren und die verschiedenen Regelungsmöglichkeiten.

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Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

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Maxim Integrated Products GmbH

In vielen elektronischen Geräten und Baugruppen sind Temperatursensoren nicht mehr wegzudenken. Man findet sie unter anderem in Projektoren, modernen Batterieladegeräten für SMART-Batterien, LCD-Displays, Festplatten und PCs. Mit Hilfe von Temperaturmessungen werden Schäden und vorzeitige Ausfälle vermieden. Man schaltet bei Überhitzung die Wärmequelle rechtzeitig ab, regelt die Temperatur herunter oder trennt die Spannungsquelle von der Last, wie dies zum Beispiel beim Laden von SMART-Batterien erfolgt. Ein anderes Beispiel sind Festplatten. Die meisten Speichermedien haben einen spezifizierten Arbeitstemperaturbereich von 5 bis 55°C und die empfohlene Abschalttemperatur liegt bei ca. 65°C. Ab einer vorgegebenen maximalen Temperatur wird die Drehgeschwindigkeit herunter geregelt, bzw. das Laufwerk abgeschaltet.

Ein Nebeneffekt bei der Temperaturregelung ist eine höhere Funktionsgüte innerhalb eines spezifischen Temperaturbereichs, wie z.B. bei LCD-Displays, deren Kontrast von der Temperatur abhängig ist.

Transistoren kontra Thermistoren

Warum ersetzt man die kostengünstigen und bewährten Lösungen mit NTC-Thermistoren (Heißleiter) bzw. PTC-Thermistoren (Kaltleiter) durch npn- oder pnp-Transistoren als Fühler, obwohl Thermistoren robuster sind, in feuchter Umgebung eingesetzt werden können und der Messbereich (typ. –80 bis 250°C) größer ist?

Im Vergleich zu Thermistoren haben digitale Halbleitertemperatursensoren einen typischen Messbereich von –40 bis 125°C. Der Einsatz von Temperatursensoren auf Transistorbasis ist vor allem dann sinnvoll, wenn eine gute Linearität und kleinere Größen gefordert sind. Eine kleine Bauform ist wichtig, da man dann die Sensoren optimaler und gezielter platzieren kann. Sie lassen sich auch leicht als zusätzliche Schaltung auf einem Siliziumchip integrieren und können dort direkt die Temperatur erfassen.

Funktionsweise von digitalen Halbleitertemperatursensoren

Der Kollektorstrom bzw. die Basis-Emitter-Spannung UBE von Transistoren sind aufgrund ihrer Charakteristiken temperaturabhängig. Man nutzt diese sonst ungewollte Temperaturabhängigkeit aus und verwendet die Transistoren als Temperaturfühler. Dazu speist man die Transistoren (interne bzw. externe Transistoren) abwechselnd mit zwei definierten Kollektorströmen IC1 und IC2 (Bild 1), wobei üblicherweise das Verhältnis zwischen 1:10 gewählt wird. Bildet man nun die Differenz der beiden sich daraus ergebenden Spannungen, erhält man eine Spannung, die nur noch von Konstanten und der Temperatur abhängt. Eine interne Referenz dient gleichzeitig als Bezugspunkt für die Messung und für den eingebauten A/D-Wandler. Die Genauigkeit der Sensoren ist von der Referenz und dem Linearitätsfaktor η abhängig (Gleichung 1).

(Gl. 1)

k= 1,38x10-23 J/K (Boltzmann-Konstante)

q= 1,6 x 10-19 C (Elementarladung)

IC= Kollektorstrom in A

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