Bild 1: Temperaturgenauigkeit des LTC2983.

Bild 1: Temperaturgenauigkeit des LTC2983.Linear Technology

Anno 1592 legte Galileo Galilei die Grundlagen des Thermometers: Sein Thermoskop konnte immerhin Temperaturänderungen feststellen. Zweihundert Jahre später entdeckte Thomas Johann Seebeck das Thermoelement, ein Bauelement, das eine Spannung als Funktion von Temperaturunterschieden in unterschiedlichen Metallen generiert. Moderne Elektronik verwendet sowohl Thermoelemente als auch temperaturabhängige Widerstände (RTDs und Thermistoren) sowie Halbleiter-Dioden, um die Temperatur elektrisch zu messen. Trotz aller Fortschritte sind akkurate Temperaturmessungen mit 0,5 oder 0,1 °C Abweichung immer noch eine große Herausforderung (Bild 1).

Eckdaten

Der LTC2983 kann die Messwerte von Thermoelementen, RTDs, Thermistoren und Dioden mit Laborgenauigkeit direkt digitalisieren. Er kombiniert drei 24-Bit-Delta-Sigma-A/D-Wandler mit einem proprietären Front-end, um viele Probleme zu lösen, die typischerweise bei der Temperaturmessung auftreten. Kunden können auch eigene Sensoren verwenden und die nötigen Werte in den LTC2983 laden.

Um die Messwerte dieser Sensorelemente zu digitalisieren brauchen Entwickler viel Wissen im analogen und digitalen Schaltungsdesign sowie in der entsprechenden Firmware. Der LTC2983 packt diese Erfahrung in ein IC und löst damit die Herausforderungen, die der Einsatz von Thermoelementen, RTDs, Thermistoren und Dioden mit sich bringt. Er kombiniert die jeweils nötigen Analogschaltungen mit Temperaturmessalgorithmen und Linearisierungsdaten, um die exakte Temperatur in Grad Celsius auszugeben.

Thermoelemente

Thermoelemente generieren eine Spannung als Funktion des Temperaturunterschieds zwischen ihrer Oberseite und der elektrischen Verbindung auf der (kalten) Platine. Die Temperatur dieser kalten Sperrschicht dient als Vergleichstemperatur zur Kompensierung. Hierfür ist ein separater Temperatursensor nötig: Der LTC2983 erlaubt es, Dioden, RTDs und Thermistoren als Sensoren für die kalte Verbindung einzusetzen.

Um den Spannungsausgang des Thermoelements in einen Temperaturwert zu konvertieren, muss das System eine Polynomgleichung höherer Ordnung (bis zur 14ten Ordnung) lösen und zwar sowohl für die gemessene Spannung als auch für die Vergleichstemperatur. Der LTC2983 hat diese Polynome für alle acht Standardthermoelemente (J, K, N, E, R, S, T und B) integriert, Anwender können aber auch eigene Datentabellen laden. Der LTC2983 misst simultan den Ausgang des Thermoelements und die Vergleichstemperatur und führt alle erforderlichen Berechnungen aus, um die Thermoelementtemperatur in Grad Celsius anzuzeigen.

Bild 2: Herausforderungen eines Designs mit Thermoelement.

Bild 2: Herausforderungen eines Designs mit Thermoelement.Linear Technology

Kleine Signale

Da am Ausgang eines Thermoelements nur eine kleine Spannung unter 100 mV Messbereich (Bild 2) anliegt, müssen der Offset und das Rauschen des A/D-Wandlers gering sein. Zudem ist eine absolute Spannungsmessung erforderlich, die eine akkurate Referenzspannung mit geringer Drift benötigt. Der LTC2983 enthält einen rauscharmen und kontinuierlich Offset-kalibrierten 24-Bit-Delta-Sigma-A/D-Wandler (Offset und Rauschen < 1 µV) mit einer 10 ppm/°C Referenz (Bild 3).

Bild 3: Thermoelementmessung mit Kompensierung der Vergleichstemperatur über Diode.

Bild 3: Thermoelementmessung mit Kompensierung der Vergleichstemperatur über Diode.Linear Technology

Die Ausgangsspannung eines Thermoelements kann auch unter die Massespannung abfallen, wenn die Oberseite kälter ist als die Vergleichstemperatur. Die Systeme brauchen daher wahlweise eine zweite negative Versorgungsspannung oder eine Schaltung, die den Eingangspegel anhebt. Der LTC2983 enthält ein proprietäres Front-End, das Signale, die unterhalb von Masse liegen mit einer einzigen massebezogenen Stromversorgung digitalisiert.

Zusätzlich zu sehr genauen Messungen müssen Thermoelementschaltungen eine Rauschunterdrückung, Eingangsschutzschaltungen und Anti-Aliasing-Filter enthalten. Die Impedanz des LTC2983-Eingangs ist hoch, bei einem maximalen Eingangsstrom von weniger als 1 nA. Er kann mit externen Schutzwiderständen und Filterkondensatoren eingesetzt werden, ohne zusätzliche Fehler zu generieren. Er hat ein digitales Filter mit 75 dB Rauschunterdrückung sowohl bei 50 Hz als auch 60 Hz auf dem Chip.

Der häufigste Fehler ist eine Unterbrechung am Thermoelement. Traditionell wurden an seinem Eingang Stromquellen oder Pull-up-Widerstände eingesetzt, um diesen Fehler zu erkennen. Dummerweise führen diese eingespeisten Signale zu Fehlern und Rauschen und sie interagieren mit der Eingangsschutzschaltung. Der LTC2983 besitzt eine spezielle Schaltung, die vor jeder Messung auf ein gebrochenes Thermoelement prüft. Ist dies der Fall, beeinflussen die Erregerströme/Widerstände der offenen Schaltung die Messgenauigkeit nicht. Der LTC2983 zeigt auch Fehler des Sensors auf der kalten Verbindungsseite an. Er kann zudem elektrostatische Entladungen (ESD) erkennen, anzeigen und sich davon wieder erholen. ESD können an langen Sensorverbindungen in industriellen Umgebungen auftreten. Der IC zeigt durch seine Fehlermeldungen auch an, ob die gemessene Temperatur über/unter dem erwarteten Bereich für ein spezielles Thermoelement liegt.

Bild 4: Designherausforderungen bei Dioden als Temperatursensor.

Bild 4: Designherausforderungen bei Dioden als Temperatursensor.Linear Technology

Dioden

Dioden sind preiswerte Halbleiterbausteine, die sich als Temperatursensoren eignen. Sie dienen üblicherweise als Sensor auf der kalten Verbindungsseite für ein Thermoelement. Wenn ein Erregerstrom an einer Diode anliegt, generiert sie eine Spannung als Funktion der Temperatur und des angelegten Stroms. Wenn man zwei perfekt abgeglichene Erregerstromquellen mit bekanntem Verhältnis an die Diode anlegt, ist das Ergebnis eine Spannung mit bekannter Proportionalität zur Temperatur (PTAT, Bild 4). Der LTC2983 generiert dieses Verhältnis akkurat mit einer überabtastenden Delta-Sigma-Architektur.

Dioden und die Leitungen, die sie mit dem A/D-Wandler verbinden, enthalten unbekannte parasitäre Diodeneffekte. Der Dreistrom-Messmodus des LTC2983 eliminiert die parasitären Anschlusswiderstände. Viele Diodenhersteller spezifizieren unterschiedliche nicht-ideale Diodenfaktoren. Der IC erlaubt daher die individuelle Programmierung jedes einzelnen nicht-idealen Diodenfaktors. Da der Chip absolute Spannungen misst, sind sowohl der Wert als auch die Drift der Referenzspannung des A/D-Wandlers von Bedeutung.

Der LTC2983 generiert automatisch die ins Verhältnis gesetzten Ströme, misst die Diodenspannung, berechnet die Temperatur mit Nutzung der programmierten Nicht-Idealität und gibt das Ergebnis in Grad Celsius aus. Er erkennt auch, wenn die Diode unterbrochen, kurzgeschlossen oder falsch eingesetzt ist.

RTDs

RTDs sind Widerstände, deren Wert sich als Funktion der Temperatur verändert. Für die Messung wird ein präzise bekannter Fühlwiderstand mit geringer Drift in Reihe mit dem RTD geschaltet. An dieses Netzwerk wird ein Erregerstrom angelegt und eine ratiometrische Messung durchgeführt. Der Wert des RTD (in Ohm) lässt sich aus diesem Verhältnis bestimmen. Eine Tabelle verzeichnet dann, welche Temperatur zu diesem Widerstandswert gehört. Der LTC2983 generiert den Erregerstrom, misst simultan den Fühlwiderstand und die RTD-Spannung, berechnet den Sensorwiderstand und zeigt das Ergebnis in Grad Celsius an.

RTDs können Temperaturen von -200 bis +850 °C messen. Der LTC2983 kann die Messwerte der meisten RTD-Typen digitalisieren (PT-10, PT-50, PT-100, PT-200, PT-500, PT-1000 und NI-120) und kennt die Koeffizienten für viele Standards (Amerikanische, Europäische, Japanische und ITS-90), aber auch für anwenderprogrammierte Tabellendaten bei kundenspezifischen RTDs.

Bild 5: Designherausforderungen bei RTDs als Temperatursensor.

Bild 5: Designherausforderungen bei RTDs als Temperatursensor.Linear Technology

Der typische Widerstand eines PT-100-RTD (Bild 5) variiert weniger als 0,04 Ω pro 1/10 °C entsprechend eines Signalpegels von 4 µV bei einer Stromerregung von 100 µA. Ein geringer A/D-Wandler-Offset und geringes Rauschen sind wichtig für akkurate Messungen. Die Messung ist relativ zum Fühlwiderstand; wobei die absoluten Werte des Erregerstroms und der Referenzspannung weniger wichtig für die Berechnung der Temperatur sind.

Gemeinsam genauer

Bisher war für die ratiometrische Messung zwischen dem RTD und dem Fühlwiderstand ein einzelner A/D-Wandler zuständig. Der Spannungsabfall des Fühlwiderstands diente als Referenzeingang des A/D-Wandlers. Diese Architektur erfordert jedoch Fühlwiderstände mit 10 kΩ oder größer, die gebuffert werden müssen, um einen Verlust (droop) aufgrund der dynamischen Referenzeingangsströme des A/D-Wandlers zu verhindern. Da der Wert des Fühlwiderstands wichtig ist, müssen diese Buffer geringen Offset, Drift und Rauschen haben. Diese Architektur macht es schwierig, Stromquellen gegenseitig abzuwechseln, um parasitäre Effekte der Thermoelemente zu eliminieren.

Bild 6: RTD-Temperaturmessung mit dem LTC2983.

Bild 6: RTD-Temperaturmessung mit dem LTC2983.Linear Technology

Die Referenzeingänge von Delta-Sigma-A/D-Wandlern sind wesentlich empfindlicher für Rauschen als die Eingänge und die Werte der Referenzspannung können zu Instabilität führen. All diese Probleme lassen sich mit mehreren A/D-Wandlern lösen (Bild 6). Der LTC2983 nutzt zwei sehr gut abgeglichene, gebufferte, auto-kalibrierte A/D-Wandler, einen für den RTD und einen für den Fühlwiderstand. Sie messen simultan sowohl RTD als auch Rsense, berechnen den RTD-Widerstand, und schlagen diesen in einer ROM-basierten Wertetabelle nach, um die Temperatur in Grad Celsius auszugeben.

RTDs gibt es in mehreren Konfigurationen: 2-Draht, 3-Draht und 4-Draht. Der LTC2983 kann sich allen drei Konfigurationen anpassen. Er kann einen einzigen Fühlwiderstand auf mehrere RTDs aufteilen. Sein Eingang mit hoher Impedanz erlaubt externe Schutzschaltungen zwischen dem RTD und den A/D-Wandlereingängen, ohne Fehler hervorzurufen. Er kann auch die Stromerregung automatisch austauschen, um externe thermische Fehler (parasitäre Thermoelemente) zu eliminieren. In Fällen, in denen parasitäre Anschlusswiderstände des Fühlwiderstands die Leistung vermindern, erlaubt der LTC2983 ein Kelvin-Messen von Rsense.

Thermistoren

Thermistoren sind ebenfalls Widerstände, die ihren Wert als Funktion der Temperatur verändern. Anders als bei RTDs, variiert ihr Widerstand aber um mehrere Größenordnungen über dem Temperaturbereich. Um eines dieser Bauteile zu messen, ist der Fühlwiderstand in Reihe mit dem Sensor geschaltet. Ein Erregerstrom wird an das Netzwerk angelegt und eine ratiometrische Messung durchgeführt. Der Wert des Thermistors (in Ohm) lässt sich aus diesem Verhältnis bestimmen. Um daraus die Temperatur zu berechnen, muss das Systen Steinhart-Hart-Gleichungen lösen oder in Tabellen nachschlagen. Der LTC2983 generiert automatisch den Erregungsstrom, misst simultan den Fühlwiderstand und die Spannung des Thermistors, berechnet den Thermistorwiderstand und zeigt das Ergebnis in Grad Celsius an.

Thermistoren arbeiten typischerweise im Bereich zwischen -40 und +150 °C. Der LTC2983 beinhaltet Koeffizienten für Standardthermistore mit 2,252 kΩ, 3 kΩ, 5 kΩ, 10 kΩ und 30 kΩ. Da es eine Vielzahl von Thermistorarten und -werten gibt, kann der Baustein mit kundenspezifischen Thermistortabellendaten (R vs. T) oder Steinhart-Hart-Koeffizienten programmiert werden.

Bild 7: Designherausforderungen bei Thermistoren als Temperatursensor.

Bild 7: Designherausforderungen bei Thermistoren als Temperatursensor.Linear Technology

Der Widerstandswert (Bild 7) variiert um mehrere Größenordnungen. Ein Thermistor, der zum Beispiel 10 kΩ bei Raumtemperatur misst, kann hinunter auf bis zu 100 Ω bei seiner höchsten Temperatur und über 300 kΩ bei seiner kleinsten gehen, manche Thermistorstandards erreichen sogar über 1 MΩ. Um diese großen Widerstandsbereiche zu messen, werden sehr kleine Erregungsstromquellen in Verbindung mit Fühlwiderständen mit hohen Werten eingesetzt. Dadurch entstehen aber nur sehr kleine Signalpegel. Eingangs- und Referenz-Buffer sind nötig, um den dynamischen Eingangsstrom des A/D-Wandlers von diesen großen Widerständen zu isolieren.

Bild 8: Thermistor-Temperaturmessung mit dem LTC2983.

Bild 8: Thermistor-Temperaturmessung mit dem LTC2983.Linear Technology

Leider arbeiten Buffer ohne separate Stromversorgung nicht besonders gut nahe an Masse und man muss Offset/Rausch-Fehler minimieren. Alle diese Probleme beseitigt der LTC2983 (Bild 8). Er kombiniert einen proprietären, kontinuierlich kalibrierten Buffer der in der Lage ist, Signale bei oder sogar unter Masse mit multiplen A/D-Wandlern zu digitalisieren. Zwei abgeglichene, gebufferte A/D-Wandler messen simultan den Thermistor und Fühlwiderstand und berechnen die Thermistortemperatur in Grad Celsius. Fühlwiderstände mit großen Werten sind nicht nötig, was es erlaubt, mehrere RTDs und Thermistoren unterschiedlicher Typen mit einem einzigen Fühlwiderstand einzusetzen. Der LTC2983 kann auch abhängig vom Ausgangswiderstand des Thermistors den Bereich des Erregerstroms automatisch einstellen.

Bild 9: Universelles Temperaturmesssystem.

Bild 9: Universelles Temperaturmesssystem.Linear Technology

Universelles Messsystem

Den LTC2983 kann man als einen universellen Temperaturmessbaustein (Bild 9) konfigurieren. Bis zu vier Sets von universellen Eingängen können an einem einzigen LTC2983 anliegen. Jedes dieser Sets kann einen 3-Draht-RTD, 4-Draht-RTD, Thermistor oder ein Thermoelement direkt digitalisieren. Jeder Sensor kann sich die gleichen vier A/D-Wandlereingänge und Schutz-/Filterschaltungen teilen und ist via Software konfiguriert. Ein Fühlwiderstand wird auf alle vier Sensorbänke verteilt und die Kompensation der kalten Verbindungsseite wird mit einer Diode gemessen. Die Eingangstruktur des LTC2983 erlaubt es, jeden Sensor auf jedem Kanal einzusetzen. Beliebige Kombinationen von RTDs, Fühlwiderständen, Thermistoren, Thermoelementen, Dioden, und der Kompensation der kalten Verbindungsseite können an jeden einzelnen oder an alle 21 analogen Eingänge des LTC2983 angelegt werden.