Temperatursensoren mit einfacher Systemanbindung

Heiße Fühler

Das Angebot an Temperatursensoren ist riesig. Die angebotene Vielfalt an analogen und digitalen Sensoren macht aber die Entscheidung für den richtigen Typ nicht gerade leicht.

Bild 1 zeigt vier allgemeine Typen von Temperatursensoren. Das Prinzip des Sensors mit analogem Ausgang ist in Bild 1a dargestellt. Im Idealfall ist die Ausgangsspannung eine lineare Funktion über die Temperatur. Bild 1b zeigt einen Sensor mit einer digitalen I/O-Schnittstelle am Ausgang und Anbindung an einen Mikrocontroller. Dabei werden die Temperaturdaten als digitales Wort in Form von „Nullen“ und „Einsen“ zum Mikrocontroller übertragen, häufig geschieht dies über einen seriellen Bus. Über den selben Bus sendet der Mikrocontroller Daten zum Temperatursensor, gewöhnlich lässt sich so ein Temperaturlimit einstellen, bei dem direkt ein Alarmsignal über einen digitalen Ausgang ausgegeben wird. Der Alarm löst einen Interrupt beim Mikrocontroller aus oder schaltet z. B. einen Lüfter ein. In Bild 1c ist ein sog. „Analog Plus“ Sensor gezeigt. „Analog Plus“ Sensoren sind mit unterschiedlichen Ausgängen erhältlich. Die abgebildete Temperaturfunktion des ICs zeigt, dass der digitale Ausgang umschaltet, sobald eine spezifische Temperatur überschritten wird. In diesem Fall bedeutet das „Plus“ nicht mehr als ein analoger Temperatursensor mit anschließendem Komparator und Spannungsreferenz. Andere Typen von „Analog Plus“ Sensoren übertragen den Temperaturwert in Form eines zeitverzögerten Impulses oder in Form einer Rechteck-Frequenz bzw. Periodendauer. Bild 1d zeigt den vierten und zugleich auch den komplexesten Baustein, den Systemüberwachungsbaustein. Zusätzlich zum digitalen Interface bieten diese Typen eine Spannungsüberwachung, dessen Alarmschwellen für Über- und Unterspannung über den I/O-Bus einstellbar sind. Eine Lüfterüberwachung und/oder Steuerung kann ebenfalls integriert sein. Noch komplexere Bausteine überwachen den Ventilator mittels einem oder mehrerer Temperaturfühler. Drei der vier aufgezeigten Typen werden im Folgenden näher erläutert. Der Systemüberwachungsbaustein soll hier nicht weiter betrachtet werden. Er wurde nur der Vollständigkeit halber aufgeführt.

… mit analogem Ausgang
Was analoge Temperatursensoren betrifft, so sind derzeit Thermistoren und Halbleitersensoren am häufigsten vorzufinden. Bild 2 zeigt ganz deutlich, dass wegen seiner hohen Linearität der Halbleitersensor dem Thermistor weit überlegen ist. Über einen kleinen Temperaturbereich jedoch weist ein Thermistor eine ausreichende Linearität und höhere Empfindlichkeit auf. Inzwischen wurden jedoch viele, ehemals für Thermistoren entwickelte Schaltungen, durch Halbleitersensoren ersetzt. Halbleitersensoren sind mit unterschiedlichen Skalierungen und Offsets erhältlich. So gibt es analoge Sensoren, die entweder zu K oder zu °C bzw. °F proportionale Ausgangsfunktionen aufweisen. Einige der °C-Bausteine verfügen über eine Offsetspannung, so dass auch für negative Temperaturen eine einfache Versorgungsspannung ausreicht. Um die gemessene Temperatur in die digitale Welt zu transferieren, bedarf es weiterhin eines Komparators oder eines A/D-Konverters. Trotz dieser zusätzlichen Komponenten erfreuen sich Thermistoren und Halbleitersensoren weiterhin großer Beliebtheit, was wohl auf ihren günstigen Preis und ihre Einfachheit zurückzuführen ist.

… mit digitalem I/O-Ausgang
Vor ungefähr fünf Jahren wurde ein neuer Typ eines Temperatursensors vorgestellt. Er enthielt bereits ein digitales Interface für die Anbindung an einen Mikrocontroller. Es handelte sich dabei vor allem um I2C- oder SMBus-Schnittstellen, aber auch andere serielle Anbindungen wie SPI waren bereits verfügbar. Zusätzlich zur Auslesefunktion der Temperatur über den Mikrocontroller konnten die Bausteine auch Befehle vom Mikrocontroller empfangen. So ließen sich Temperaturgrenzen übertragen, die, wenn sie überschritten wurden, ein digitales Interruptsignal am Mikrocontroller auslösten. Der Mikrocontroller war so in der Lage, die Geschwindigkeit des Lüfters zu regeln oder seine Taktgeschwindigkeit zu reduzieren. Dadurch konnte eine Temperaturregelung erreicht werden. Inzwischen sind sehr viele Variationen und zusätzliche Funktionen verfügbar. Eine sehr verbreitete Methode ist, die Temperatur über einen Außenfühler zu messen. Bild 3 zeigt eine Anwendung eines solchen Bausteins für die Überwachung einer CPU. Heutige Hochleistungs-CPUs werden meist durch derartige Temperatur-ICs mit externen Sensoren überwacht. Die Sensoren nutzen dabei die Temperaturcharakteristik eines P-N-Übergangs bei einem Transistor, der direkt in dem zu überwachenden Chip integriert ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen externen Transistor einzusetzen, der die gleiche Funktion erfüllt.
Einige Bausteine, darunter auch der Sensor in Bild 3, weisen ein weiteres wichtiges Feature auf. Sie lösen beim Mikrocontroller einen Interrupt aus, sobald eine Temperatur gemessen wird die außerhalb der eingestellten Werte liegt. Andere Sensoren mit nur einer Temperaturschwelle lösen entweder bei Über- oder Untertemperatur einen Interrupt aus. Beide Typen werden, wie in Bild 3 gezeigt, über ein SMBus mit ihren Temperaturschwellen programmiert.
Bild 4 zeigt einen ähnlichen Baustein, der, statt eines P-N-Übergangs, vier P-N-Übergänge und seine interne Temperatur misst. Da der MAX1668 eine sehr geringe Leistungsaufnahme besitzt, entspricht die interne Temperatur ungefähr der Umgebungstemperatur. Mit der Überwachung der Umgebungstemperatur lässt sich überprüfen ob die Lüftung zuverlässig funktioniert.
Die Hauptfunktion des Bausteins in Bild 5 besteht darin, mit Hilfe der externen Temperaturüberwachung die Lüftung zu steuern. Es lassen sich zwei unterschiedliche Steuerungsmechanismen wählen. Eine davon ist die PWM-Betriebsart, bei der der Mikrocontroller die Geschwindigkeit des Lüfters als Funktion der gemessenen Temperatur steuert, und zwar über die Veränderung der Einschaltdauer. Im Vergleich zum linear geregelten Verfahren reduziert das PWM-Verfahren die Leistungsaufnahme erheblich. Da jedoch manche Lüfter im PWM-Verfahren unangenehme Nebengeräusche erzeugen können, bietet der Baustein auch das lineare Verfahren an, mit dem Nachteil einer erhöhten Leistungsaufnahme und eines weiteren Bausteins. Jedoch beträgt die zusätzliche Leistung oft nur einen Bruchteil des gesamten Systems. Der Baustein besitzt einen Alarm-Ausgang, der am Mikrocontroller einen Interrupt auslöst, sobald die Temperatur die spezifizierten Limits überschreitet. Ein weiteres Sicherheitsfeature bietet das „Overt“-Signal. Sollte die Temperatur auf einen unzulässigen Wert ansteigen, so kann der weitere Einsatz von Mikrocontroller oder Software verhindert werden. Die „Overt“-Temperaturschwelle wird ebenfalls über den SMBus programmiert. Bei der Überschreitung der Maximaltemperatur „Overt“ können vom Mikrocontroller unabhängige Komponenten angesprochen werden. Da bei derartig hohen Temperaturen ein Mikrocontroller eventuell nicht mehr zuverlässig funktioniert, kann das „Overt“-Signal zum direkten Ausschalten des Systems herangezogen werden.

„Analog Plus“-Temperatur-Sensoren
Eine weitere Gruppe von Temperatursensoren wird „Analog Plus“-Sensor genannt. Sie kommen überall dort zum Einsatz, wo einfache Mess-Systeme gefordert sind. Aufgrund der gemessenen Temperatur liefert der Baustein ein logisches Signal am Ausgang. Er unterscheidet sich von den Typen mit digitalen I/O hauptsächlich dadurch, dass er nur eine Datenleitung als Ausgang benötigt, im Gegensatz zum kompletten seriellen Bus. Bei der einfachsten Form des „Analog Plus“-Sensors schaltet der logische Ausgang, falls eine spezifische Temperatur überschritten ist. Es gibt Bausteine, die beim Überschreiten der Schaltschwelle ein Signal setzen, andere Typen schalten bei zu tiefen Temperaturen ein. Es gibt sowohl Bausteine mit fester als auch mit variabler, über Widerstände einstellbarer Schaltschwelle.
Bausteine mit bereits vordefinierten Temperaturschwellen zeigt Bild 6. Ihr Abgleich erfolgt bereits während der IC-Fertigung im Werk. Die drei Applikationen zeigen den typischen Einsatz der Bausteine. Sobald eine Temperaturüberschreitung eintritt, wird eine Warnsignal ausgelöst, ein Baustein in den „Shut-Down“-Zustand versetzt oder ein Ventilator zugeschaltet. Wird der tatsächliche Temperaturwert benötigt, sind Sensoren hilfreich, die ein Auslesen mittels Mikrocontroller über eine Leitung ermöglichen. Mit der Möglichkeit des Mikrocontrollers, Zeiten zu messen, gelingt es, die Signale des Temperatursensors in eine Temperatur umzurechnen.
Bild 7 zeigt einen Sensor, dessen rechteckiges Ausgangssignal in der Frequenz proportional zur Umgebungstemperatur (K) ist.
Bild 8 zeigt ein ähnliches Bauteil, wobei aber hier die Periodendauer des Rechtecksignals proportional zur Umgebungstemperatur in K ist.
In Bild 9 wird ein wirklich neues Verfahren zur Temperaturübertragung auf einem Eindraht Bus gezeigt. Es ermöglicht, bis zu acht Temperatursensoren über nur eine gemeinsame Leitung anzuschließen. Zum Auslesen der Temperaturwerte werden alle Sensoren simultan über einen „Strobe“-Impuls vom Mikrocontroller getriggert. Danach wird der I/O Port des Mikrocontroller als Eingang umkonfiguriert, damit er die Daten von jedem Sensor empfangen kann. Die Temperaturdaten sind im Zeitintervall enthalten, das jeder Sensor zeitversetzt sendet. Jeder Sensor überträgt mit jeweils unterschiedlichem Zeitversatz zum „Strobe“-Impulses seinen codierten Temperaturwert. Um Kollisionen auf der gemeinsamen Datenleitung zu vermeiden, sendet jeder Sensor nur zu seinem zugewiesenen Zeitschlitz an den Mikrocontroller. Man stellt sich nun die Frage, welche Messgenauigkeit bei dieser Art von Temperatursensoren zu erwarten ist. Bei Raumtemperatur beträgt die Genauigkeit ±0,8 °C, was sowohl für die Bausteine mit Frequenz- als auch mit Periodendauer- codierten Temperaturwerten sehr beeindruckend ist. Wie sich gezeigt hat, benötigen die Bausteine nur eine äußerst geringe Anzahl an Signalleitungen. Das ist gerade für Applikationen interessant, die nur über eine begrenzte Anzahl freier Leitungen verfügen. Auch für galvanisch isolierte Temperatursensoren bietet sich eine günstige Lösung an, da nur ein Optokoppler benötigt wird. In Abbildung 8 war schon eine derartige Anwendung zu sehen. Weiterhin erweisen sich diese Sensoren in der Automobil- und Hochspannungstechnik als sehr hilfreich, da sie die Anzahl an Leitungen über längere Distanzen verringern.

Zukünftige Entwicklungen
ICs zur Temperaturmessung gibt es für einen weiten Aufgabenbereich und mit den unterschiedlichsten Schnittstellen. All diese Bausteine werden weiterentwickelt, so dass in Zukunft noch mehr applikationsspezifische Funktionen sowie weitere Möglichkeiten der Anbindung an das übrige System mit integriert sein werden. Die Möglichkeit, Bausteine immer weiter zu integrieren, und mehr Elektronik auf gleicher Chipfläche unterzubringen, wird dazu beitragen, dass Temperatursensoren bald weitere neue Funktionen und spezielle Schnittstellen enthalten werden.
Autor: Jay Scolio

Maxim
Tel. (0800) 29-5954
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www.maxim-ic.com

Bildtexte:
Bild 1: Sensor- und IC-Hersteller bieten momentan vier Arten von Temperatursensoren an.
Bild 2: Vergleich der Linearität zwischen Thermistoren und Halbleitertemperatursensoren. Die analogen Ausgangssignale zweier handelsüblicher Sensoren zeigen den krassen Unterschied.
Bild 3: Der vom Anwender zu programmierende Sensor überwacht die Temperatur der CPU mittels P-N-Übergang auf dem Chip.
Bild 4: Der vom Anwender zu programmierende Sensor misst seine eigene Temperatur, sowie vier weitere mittels externer P-N-Übergänge.
Bild 5: Temperatursensor zur PWM oder linear geregelten Lüftungssteuerung.
Bild 6: ICs mit fester Temperaturschwelle, für Temperaturanzeige oder Lüftersteuerung.
Bild 7: Temperatursensor mit einem zur Temperatur (K) proportionalen Frequenzausgang, als Teil einer Heizungssteuerung.
Bild 8: Temperatursensor, der die Periodendauer einer Rechtecksignals im Verhältnis zur Temperatur (K) verändert. Da nur eine Leitung für die Übertragung der Temperatur benötigt wird, reicht hier ein Optokoppler aus, um eine Isolierung im Signalpfad herzustellen.
Bild 9: Ein Mikrocontroller steuert bis zu acht Temperatursensoren über nur eine Signalleitung an.