Je nach Anwendung können Entwickler zum Messen von Temperaturen auf eine Reihe verschiedener Sensortypen zurückgreifen (Tabelle 1).

Tabelle 1: Zum Messen von Temperaturen in Elektroniksystemen stehen Entwicklern eine Vielzahl von Sensortypen zur Verfügung.

Tabelle 1: Zum Messen von Temperaturen in Elektroniksystemen stehen Entwicklern eine Vielzahl von Sensortypen zur Verfügung. Silicon Labs

Für Temperaturmessungen, bei denen eine Genauigkeit von ±2 bis ±3 °C ausreicht, greifen viele auf Thermistoren zurück. Thermistoren sind meist preiswert zu beschaffen und ermöglichen die Entwicklung von Temperaturmessschaltungen mit einem minimalem Aufwand an Zusatzbauteilen.

Über ±2 °C Genauigkeit

Bei Anwendungen, die eine MCU enthalten und bei denen kein Analog/Digital-Wandler-Eingang zur Verfügung steht, gelten Halbleitersensoren als bevorzugte Option. Halbleitersensoren nehmen nur wenig Strom auf und ermöglichen Temperaturmessungen mit einer Genauigkeit von über ±2 °C.

Eckdaten

Temperatursensoren in CMOS-Technik wie die Familie Si705x bieten eine gleichbleibende Messgenauigkeit über die gesamten Spannungs- und Temperaturbereiche und zeichnen sich gegenüber Widerstands-Temperaturfühlern und Thermoelementen durch weitere Vorteile aus.

Widerstands-Temperaturfühler (RTDs) bieten von allen verfügbaren Temperatursensoren die höchste Genauigkeit von bis zu ±0,2 °C. Allerdings sind RTDs relativ teuer und verursachen zusätzlichen Bauteileaufwand.

Neuartige Halbleiter-Temperatursensoren wie zum Beispiel die Mitglieder der Sensorfamilie Si705x von Silicon Labs bieten eine mit RTDs vergleichbare Genauigkeit und kommen ohne zusätzliche externe Bausteine aus.

Berührungslose Temperaturmessung

Mit Thermosäulen oder Thermoketten, die thermische in elektrische Energie wandeln, lassen sich Temperaturmessungen über große Bereiche berührungslos durchführen. In einigen Anwendungen ist diese Eigenschaft von großem Vorteil. Herkömmliche Thermosäulen befinden sich im TO-5-Metallgehäuse und benötigen entweder eine externe Verstärkung oder enthalten ein eingebettetes ASIC. Dieses Konzept verursacht in Verbindung mit einem sauberen opto-mechanischen Design höhere Kosten und beschränkt den Einsatz von Thermosäulen auf Applikationen, bei denen die berührungslose Temperaturmessung signifikante Vorteile bietet. Zu den Anwendungsbeispielen für Thermosäulen zählen Ohrthermometer sowie industrielle Prozesssteuerungen, die bei hohen Temperaturen arbeiten.

Bild 1: Beispiel für die typische und die maximale Temperaturgenauigkeit eines Halbleitersensors.

Bild 1: Beispiel für die typische und die maximale Temperaturgenauigkeit eines Halbleitersensors. Silicon Labs

Halbleiter-Temperatursensoren verwenden zum Ermitteln der Temperatur üblicherweise ein Bandgap-Element, das Schwankungen der Durchlassspannung einer Diode misst. Zum Erreichen einer vernünftigen Genauigkeit sind diese bei einem einzigen Temperaturpunkt kalibriert, normalerweise 25 °C. Deshalb ergibt sich die höchste Genauigkeit am Kalibrierpunkt, während sich die Genauigkeit bei höheren oder niedrigeren Temperaturen reduziert. Für eine höhere Genauigkeit über einen großen Temperaturbereich können Entwickler zusätzliche Kalibrierpunkte oder Signalverarbeitungstechniken nutzen.

Hersteller von Halbleiter-Temperatursensoren spezifizieren die typische und die maximale Temperaturgenauigkeit innerhalb bestimmter Temperaturbereiche (Bild 1). Die typischen Werte können Anhaltspunkte für die Genauigkeit bestimmter Bausteine unter Idealbedingungen geben. Allerdings sollten sich Entwickler hinsichtlich echter Hinweise auf die Genauigkeit über mehrere Bausteine hinweg sowie unter einer Vielzahl von Bedingungen auf die die Maximalwerte verlassen.

Achtung Sekundäreffekte

Auch die Versorgungsspannung kann die Temperaturgenauigkeit eines Halbleitersensors beeinflussen. Sensorbausteine mit geringer interner Spannungsregelung reduzieren die Genauigkeit stärker, wenn die Versorgungsspannung von der Nennspannung abweicht. Die meisten Hersteller nehmen dieses Verhalten in die Spezifikationen im Datenblatt auf, wobei die Maximalwerte im Bereich von ±0,2 bis ±0,3 °C/V liegen.

Bild 2: Temperaturmessgenauigkeit über die Spannungs- und Temperaturbereiche der Sensorfamilie Si705x.

Bild 2: Temperaturmessgenauigkeit über die Spannungs- und Temperaturbereiche der Sensorfamilie Si705x. Silicon Labs

Bei höheren Genauigkeiten beziehungsweise bei Fehlern unter ±0,5 °C beginnen sich Sekundäreffekte bemerkbar zu machen, die auch in der Gesamtgenauigkeit eine Rolle spielen können. Diese Effekte sind in den Datenblättern der Hersteller häufig getrennt von der Spezifikation der Gesamtgenauigkeit angegeben und sollten deshalb Beachtung finden. Zu diesen Effekten zählen unter anderem die Wiederholbarkeit und das Rauschen. Dabei handelt es sich um den durch das analoge Front-End und den ADC eingeführten Fehler. Dieser kann von ±0,1 °C in Produkten mit geringerer Leistungsfähigkeit bis zu ±0,01 °C in leistungsstärkeren Produkten reichen. Ein weiterer Sekundäreffekt ist die Drift beziehungsweise die Stabilität. Dieser Effekt drückt aus, dass mit dem Altern des Sensorbausteins im Laufe der Zeit ein zusätzlicher Fehler entstehen kann.

Schaltungsentwicklung für hohe Genauigkeit

Die korrekte Platzierung der Temperatursensoren auf der Leiterplatte ist für eine gleichbleibende Genauigkeit von entscheidender Bedeutung. Zur Messung der Temperatur der Umgebungsluft sollten sich die Sensoren so weit wie möglich von anderen Wärmequellen wie etwa MCUs, Spannungsreglern und anderen Elektronikbauteilen entfernt befinden. Bringt man den Sensor auf derselben Leiterplatte wie andere wärmeerzeugenden Komponenten auf, können Aussparungen in der Leiterplatte für eine thermische Isolation sorgen. Darüber hinaus ist für eine ausreichende Lüftung zu sorgen, damit der Sensor stets der Umgebungsluft ausgesetzt ist. Ist die Temperatur von Bauteilen auf der Leiterplatte zu messen, sollten sich Temperatursensoren so nahe wie möglich an den betreffenden Bauelementen befinden. Masse- und Versorgungsspannungsflächen lassen sich als Wärmeleitpfad von den Komponenten zu den Sensoren nutzen.

Die Ansprechzeit eines Temperatursensors hängt eng mit der thermischen Masse der Leiterplatte und des Gehäuses zusammen, in dem sie sich befindet. Zum Beispiel spricht ein Temperatursensor in der Mitte einer großen Leiterplatte nur sehr langsam auf Änderungen der Lufttemperatur an. Für möglichst kurze Ansprechzeiten sollten sich Temperatursensoren auf kleineren Leiterplatten befinden. Auch kann man Ausschnitte vorsehen, um die Sensoren vom Rest der thermischen Masse des Systems zu isolieren.

Der Temperatursensor Si705x in Kürze

Der digitale Temperatursensor Si705x ist ein gutes Beispiel für einen CMOS-Halbleitersensor. Bei der Entwicklung der Sensorfamilie Si705x stand eine gleichbleibende Messgenauigkeit über die gesamten Spannungs- und Temperaturbereiche hinweg im Vordergrund. Mit einem Betriebsspannungsbereich von 1,9 bis 3,6 V sind die Sensoren der Reihe Si705x in Fernmessanwendungen direkt an eine Batterie anschließbar. Wie aus Bild 2 ersichtlich, sorgen die Bausteine für eine merkliche Verbesserung der Genauigkeit bei hohen und niedrigen Temperaturen sowie für eine minimale Genauigkeitseinbuße durch Rauschen. Zum Erreichen einer hohen Messgenauigkeit stellen derartige Bausteine Alternativen zu Widerstands-Temperaturfühlern dar (Bild 3). Zusätzliche Kosten wie bei RTDs entstehen dabei nicht.

Beispiele aus der Praxis

Entscheidend für die Wahl des richtigen Temperatursensors ist die Anwendung, in der er zuverlässig funktionieren soll. Ein Beispiel dazu sind Kühlketten für die Bereiche Pharmazie und Lebensmittellager. Hier fordert die Spezifikation E06/TR07.1 der Weltgesundheitsorganisation (WHO) eine Temperaturgenauigkeit von ±0,5 °C im Bereich -5 bis 25 °C beziehungsweise ±1 °C in den Bereichen -20 bis -5 °C sowie +25 bis +55 °C.

In HVAC-Anwendungen (Heizung, Lüftung, Klima) ist zusätzlich zur absoluten Genauigkeit die Langzeitstabilität wichtig, weil man von diesen Geräten eine Lebensdauer von vielen Jahren erwartet. Zum Beispiel weist ein Gerät mit einer Genauigkeit von ±0,005 °C pro Jahr nach zehn Jahren eine um 0,5 °C geringere Genauigkeit auf.

Bild 3: Halbleitersensoren wie der Si705x erreichen eine höhere Genauigkeit als Widerstandstemperaturfühler.

Bild 3: Halbleitersensoren wie der Si705x erreichen eine höhere Genauigkeit als Widerstandstemperaturfühler. Silicon Labs

Ein anderes Beispiel ist die Kaltstellenkompensation. Thermoelemente sind gängige Bausteine für Messungen über große Temperaturbereiche, benötigen für genaue Temperaturmessungen aber eine präzise Referenzmessung bei Zimmertemperatur.

Für Remote-Sensoren gelten wiederum andere Anforderungen. So müssen Entwickler bei der Realisierung drahtloser Remote-Sensorknoten und tragbarer Datenlogger, die normalerweise in IoT-Architekturen zu finden sind, sorgfältige Überlegungen im Hinblick auf die Versorgungsspannung anstellen. Ohne einwandfreie Spannungsregelung können Schwankungen der Batteriespannung die Temperaturgenauigkeit reduzieren.