Schaltungsdesign Temperaturmesssystem mit Thermistoren oder RTD?

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Das Design eines Temperaturmesssystems stellt immer einen Kompromiss dar. Wir vergleichen ein Temperaturmesssystem mit Thermistoren mit einem mit Widerstandsthermometer (RTD). Was ist bei der Auswahl der Bauelemente zu beachten?

Ein RTD ist ein Widerstand, dessen Widerstandswert sich linear mit der Temperatur ändert. Thermistoren arbeiten ähnlich wie RTDs. Im Gegensatz zu RTDs mit einem positiven Temperaturkoeffizienten können Thermistoren sowohl positive (PTC) als auch negative Temperaturkoeffizienten (NTC) haben. RTD-Sensoren decken einen viel größeren Temperaturbereich ab (üblicherweise –200 bis 850 °C) als Thermistoren.

Thermistoren bestehen aus Verbundwerkstoffen, in der Regel aus Keramik, Polymeren oder Halbleitern (Metalloxiden), die zwar kleiner und preiswerter, aber nicht so robust sind wie RTDs, die aus reinem Metall (Platin, Nickel oder Kupfer) bestehen. Thermistoren reagieren auf Temperaturänderungen viel schneller als RTDs und liefern somit eine raschere Rückmeldung.

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Daher werden Thermistoren häufig in Anwendungen eingesetzt, die niedrige Kosten, geringe Größe, schnellere Reaktionszeiten, höhere Empfindlichkeit in einem beschränkten Temperaturbereich erfordern, wie z. B. bei der Überwachung elektronischer Geräte, in Haushalten und Gebäudesteuerungen, in wissenschaftlichen Labors oder als Kaltstellenkompensation für Thermoelemente in kommerziellen oder industriellen Anwendungen.

In den meisten Fällen werden NTC-Thermistoren anstelle von PTC-Thermistoren in Präzisions-Temperaturmessanwendungen verwendet. Es gibt zudem einige wenige PTC-Thermistoren, die in Überstrom-Eingangsschutzschaltungen oder als rücksetzbare Sicherungen für Sicherheitsanwendungen eingesetzt werden.

Herausforderungen bei der Temperaturmessung mit Thermistoren

Eine hochpräzise und genaue Temperaturmessung mit Thermistoren erfordert eine präzise Signalaufbereitung, A/D-Wandlung, Linearisierung und Kompensation (Bild 2). Obwohl die Signalkette einfach und geradlinig aussieht, spielen mehrere komplexe Faktoren eine Rolle, die sich auch auf die Gesamtgröße der Systemplatine, die Kosten und die Leistung auswirken.

Bei der Entwicklung und Optimierung eines Temperaturmesssystems mit Thermistoren gibt es verschiedene Herausforderungen: Aus der breiten Palette der auf dem Markt angebotenen Thermistoren ist es schwer, das passende Bauelement zu finden. Da Thermistoren wie RTDs passive Bauelemente sind, wird ein Erregerstrom oder eine Erregerspannung verwendet, um den Widerstand des Sensors zu messen. Dazu leitet man einen kleinen elektrischer Strom durch den Sensor, um eine Spannung zu erzeugen.

Einige Auswahlkriterien

Wie sind Strom bzw. Spannung auszuwählen? Wie sollte das Thermistorsignal aufbereitet werden? Wie müssen die oben genannten Variablen angepasst werden, damit der Wandler oder andere Bausteine innerhalb ihrer Spezifikation verwendet werden? Anschluss mehrerer Thermistore in einem System: Wie werden die Sensoren angeschlossen? Können einige Blöcke von den verschiedenen Sensoren gemeinsam genutzt werden? Welche Auswirkungen hat dies auf die Gesamtleistung des Systems?

Ein wesentlicher Faktor bei Thermistoren ist ihr nichtlineares Verhalten und die Systemgenauigkeit. Dazu müssen Sie abschätzen, wie hoch der zu erwartende Fehler ist und definieren, welche Linearisierungs- und Kompensationstechniken Sie einsetzen, um die angestrebte Systemleistung zu erreichen.

Die Auswahl des Thermistors hängt von folgenden Faktoren ab: Dem zu messenden Temperaturbereich, der erforderlichen Genauigkeit, der Umgebung, in der der Thermistor eingesetzt wird und der Langzeitstabilität.

Strom-/Spannungserregung

Bild 3 zeigt die Stromerregung des Sensors. Ein Erregerstrom wird an den Thermistor und derselbe Strom an einen Präzisionswiderstand angelegt, wobei der Präzisionswiderstand als Referenz für die Messung verwendet wird. Der Referenzwiderstand muss einen Wert aufweisen, der größer oder gleich dem höchsten Widerstandswert des Thermistors ist (in Abhängigkeit von der im System zu messenden Mindesttemperatur).

Bei der Wahl der Größe des Erregerstroms muss wiederum der maximale Widerstand des Thermistors berücksichtigt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die über dem Sensor und dem Referenzwiderstand erzeugte Spannung immer auf einem für die Elektronik akzeptablen Pegel liegt. Erregerstromquellen benötigen eine gewisse Aussteuerungsreserve oder Ausgangskonformität. Wenn der Thermistor bei der zu messenden Mindesttemperatur einen großen Widerstand aufweist, führt dies zu einem sehr niedrigen Erregerstromwert.

Daher ist die über dem Thermistor erzeugte Spannung bei heißen Temperaturen gering. Um die Messung dieser schwachen Signale zu optimieren, kann eine programmierbare Verstärkungsstufe verwendet werden. Die Verstärkung muss jedoch dynamisch programmiert werden, da sich der Signalpegel des Thermistors mit der Temperatur erheblich ändert.

Festlegen der Verstärkung

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Verstärkung festzulegen, aber einen dynamischen Erregerstrom zu verwenden. Wenn sich also der Signalpegel des Thermistors ändert, wird der Erregerstrom dynamisch angepasst, so dass die am Thermistor erzeugte Spannung innerhalb des von der Elektronik vorgegebenen Eingangsbereichs liegt.

Der Anwender muss sicherstellen, dass die über dem Referenzwiderstand erzeugte Spannung ebenfalls auf einem für die Elektronik akzeptablen Pegel liegt. Beide Optionen erfordern ein hohes Maß an Kontrolle, wobei die Spannung am Thermistor ständig überwacht werden muss, um sicherzustellen, dass das Signal von der Elektronik gemessen werden kann. Gibt es eine einfachere Möglichkeit? Schauen wir uns einmal die Spannungserregung an.

Bei Erregung des Thermistors durch eine konstante Spannung wird der Strom durch den Thermistor automatisch skaliert, wenn sich der Widerstand des Thermistors ändert. Anstelle eines Referenzwiderstandes wird nun ein Präzisionsmesswiderstand verwendet, dessen Aufgabe es ist, den durch den Thermistor fließenden Strom zu berechnen, damit der Thermistorwiderstand ermittelt werden kann.

Da die Erregerspannung auch als ADC-Referenz verwendet wird, entfällt die Notwendigkeit einer Verstärkungsstufe. Der Prozessor ist nicht damit beschäftigt, die Spannung am Thermistor zu überwachen, festzustellen, ob der Signalpegel von der Elektronik gemessen werden kann, oder zu berechnen, auf welchen Wert der Verstärkungs-/Erregungsstrom eingestellt werden muss. Dies ist der in diesem Artikel verwendete Ansatz.

Widerstandsbereich/Erregung des Thermistors

Wenn der Nennwiderstand und der Widerstandsbereich des Thermistors klein sind, kann entweder eine Spannungs- oder eine Stromerregung verwendet werden. In diesem Fall können der Erregerstrom und die Verstärkung festgelegt werden. Die Schaltung sieht also wie in Bild 3 dargestellt aus.

Diese Methode ist sinnvoll, da der Strom, der durch den Sensor und den Referenzwiderstand fließt, gesteuert werden kann, was bei Anwendungen mit geringem Stromverbrauch von Vorteil ist. Zudem wird die Selbsterhitzung des Thermistors minimiert.

Bei einem Thermistor mit niedrigem Nennwiderstand kann auch eine Spannungserregung verwendet werden. Allerdings muss der Anwender dabei sicherstellen, dass der Strom durch den Sensor zu keinem Zeitpunkt zu groß für den Sensor selbst oder für die Anwendung ist.

Bei der Verwendung von Thermistoren mit großem Nennwiderstand und großem Temperaturbereich führt die Spannungserregung zu einer einfacheren Implementierung. Der größere Nennwiderstand sorgt dafür, dass der Nennstrom auf einem angemessenen Pegel liegt. Der Entwickler muss jedoch sicherstellen, dass der Strom über den gesamten Temperaturbereich, der von der Anwendung unterstützt wird, auf einem akzeptablen Pegel liegt.

Sigma-Delta-ADCs in thermistorbasierten Anwendungen

Sigma-Delta-ADCs bieten mehrere Vorteile bei der Entwicklung von Thermistormesssystemen. Da Sigma-Delta-ADCs den analogen Eingang überabtasten, wird die externe Filterung auf ein Minimum reduziert, so dass nur ein einfaches RC-Filter erforderlich ist. Sie bieten zudem Flexibilität bei der Auswahl des Filtertyps und der Ausgangsdatenrate.

Die eingebaute digitale Filterung kann bei netzbetriebenen Designs zur Unterdrückung von Störungen aus dem Stromnetz verwendet werden. Ein 24-Bit-Bauelement wie der AD7124-4/AD7124-8 hat eine Peak-to-Peak-Auflösung von maximal 21,7 Bit und bietet somit eine ausreichend hohe Auflösung.

Weitere Vorteile sind:

• Großer Gleichtaktbereich für die Analogeingänge.

• Großer Gleichtaktbereich für die Referenzeingänge.

• Unterstützung ratiometrischer Konfigurationen.

Einige Sigma-Delta-ADCs sind hochintegriert und umfassen unter anderem:

• PGA,

• Interne Referenz,

• Erregungsströme,

• Kalibrierungsfunktionen.

Die Verwendung von Sigma-Delta-ADCs vereinfacht das Thermistor-Design erheblich und reduziert gleichzeitig die Stückliste, die Systemkosten, den Platinenplatz sowie die Markteinführungszeit.

In diesem Artikel werden die Wandler AD7124-4/AD7124-8 betrachtet, da es sich bei diesen um rauscharme, stromsparende Präzisions-ADCs mit integriertem PGA, eingebetteter Referenz, Analogeingang und Referenzpuffern handelt.

Konfiguration der Thermistorschaltung mit ADCs

Unabhängig davon, ob ein Erregerstrom oder eine Erregerspannung verwendet wird, empfiehlt sich die Verwendung einer ratiometrischen Konfiguration, bei der die Referenz- und die Sensorspannungen von derselben Erregerquelle abgeleitet werden. Das bedeutet, dass Schwankungen in der Erregungsquelle die Genauigkeit der Messung nicht beeinträchtigen.

Bild 5 zeigt einen konstanten Erregerstrom, der den Thermistor und einen Präzisionswiderstand R_REF speist, wobei die über R_REF erzeugte Spannung die Referenzspannung für die Thermistormessung ist. Der Erregerstrom muss nicht allzu genau sein und kann weniger stabil sein, da sich Fehler im Erregerstrom bei dieser Konfiguration aufheben.

Eine Stromerregung wird in der Regel der Spannungserregung vorgezogen, da sie eine bessere Kontrolle über die Empfindlichkeit und eine bessere Störfestigkeit bietet, wenn sich der Sensor an einem abgelegenen Ort befindet. Diese Art der Vorspannung wird üblicherweise für RTDs oder Thermistoren mit niedrigen Widerstandswerten verwendet.

Bei Thermistoren mit höheren Widerstandswerten und höherer Empfindlichkeit sind die erzeugten Signalpegel pro Temperaturänderung jedoch größer, so dass hier eine Spannungserregung zum Einsatz kommt. Beispielsweise hat ein 10 kΩ-Thermistor einen Widerstand von 10 kΩ bei 25°C. Bei –50 °C beträgt der Widerstand des NTC-Thermistors 441,117 kΩ.

Der kleinste vom AD7124-4/AD7124-8 gelieferte Erregerstrom von 50 µA erzeugt eine Spannung von 441,117 kΩ × 50 µA = 22 V, was zu hoch ist und außerhalb des Betriebsbereichs der meisten in diesem Anwendungsbereich verwendeten ADCs liegt. Zudem sind Thermistoren in der Regel in der Nähe der Elektronik angeschlossen oder angeordnet, so dass der Vorteil der Störfestigkeit des Erregerstroms nicht benötigt wird.

Bild 6 zeigt eine konstante Erregerspannung, mit der eine Spannung über dem NTC-Thermistor erzeugt wird. Durch Hinzufügen eines Reihenmesswiderstands in Form einer Spannungsteilerschaltung wird der Stromfluss über den Thermistor auf den Wert bei dessen Mindestwiderstand begrenzt. In dieser Konfiguration muss der Wert des Messwiderstands, R_SENSE, gleich dem Widerstand des Thermistors bei der Basistemperatur von 25 °C sein, damit die Ausgangsspannung auf den mittleren Wert der Referenzspannung eingestellt wird, wenn diese ihre Nenntemperatur von 25 °C erreicht hat. Wenn also ein 10 kΩ-Thermistor verwendet wird, der bei 25 °C einen Widerstand von 10 kΩ hat, muss R_SENSE gleich 10 kΩ sein.

Wenn sich die Temperatur ändert, ändert sich auch der Widerstand des NTC-Thermistors, und der Anteil der Erregerspannung am Thermistor ändert sich ebenfalls, wodurch eine Ausgangsspannung erzeugt wird, die proportional zum Widerstand des NTCs ist.

Ratiometrische Messung

Wenn die ausgewählte Referenzspannung, die zur Versorgung des Thermistors und/oder von R_SENSE verwendet wird, dieselbe ist wie die für die Messung verwendete ADC-Referenz, wird das System für eine ratiometrische Messung konfiguriert (Bild 7), so dass alle mit der Erregerspannungsquelle verbundenen Fehler eliminiert werden.

Es ist zu beachten, dass sowohl der Messwiderstand (Spannungserregung) als auch der Referenzwiderstand (Stromerregung) eine geringe Anfangstoleranz und eine geringe Drift aufweisen müssen, da beide Variablen zur Gesamtgenauigkeit des Systems beitragen.

Wenn mehrere Thermistoren verwendet werden, kann eine einzige Erregerspannung verwendet werden. Allerdings muss jeder Thermistor seinen eigenen Präzisionsmesswiderstand haben, wie in Abbildung 8 gezeigt. Eine weitere Option ist die Verwendung eines externen Multiplexers oder von Schaltern mit niedrigem On-Widerstand, die die gemeinsame Nutzung eines einzigen Präzisionsmesswiderstands ermöglichen. Bei dieser Konfiguration benötigt jeder Thermistor eine gewisse Einschwingzeit bei der Messung.

Temperaturmesssystemen mehrere Aspekte zu berücksichtigen sind: Sensorauswahl, Sensorkonnektivität, Kompromisse bei der Komponentenauswahl, ADC-Konfiguration und der Beitrag dieser verschiedenen Variablen zur Gesamtgenauigkeit des Systems. Im nächsten Artikel dieser Reihe wird erläutert, wie das Systemdesign und das Gesamtfehlerbudget des Systems optimiert werden können, um die angestrebte Leistung zu erreichen.

In Teil 2 des Artikels erläutern wir, wie das Messsystem optimiert und bewertet werden kann. (kr)

* Jellenie Rodriguez ist Applikationsingenieurin Präzisionsverstärker bei Analog Devices. Mary McCarthy ist Applikationsingenieurin Linear- und Präzisionsverstärker bei Analog Devices in Wilmington / USA.

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