Selbsterhitzung von Thermistoren verhindern

Eck-Daten

Die analogen Picoampere-Eingänge des LTC2358 von Analog Devices, Power by Linear, besitzen eine Impedanz von mehr als 1000 GΩ, was die Signalkonditionierung deutlich vereinfacht oder sogar ganz eliminiert. In diesem Artikel stellt Analog Devices als Fortsetzung des unter Info-Direkt 810ei0118 erschienenen Beitrags anhand von Schaltungsbeispielen vor, wie sich diverse Filtermethoden auswirken sowie den Anschluss geeigneter Sensoren.

Thermistoren können Temperaturen in relativ große Ströme oder Spannungsänderungen umwandeln, die mit geringer oder sogar ohne Verstärkung einfach zu digitalisieren sind. Mit einer Impedanz im kΩ-Bereich lassen sich Thermistoren einfach von den Puffern mit hoher Impedanz des LTC2358 ansteuern. Diese relativ hohen Ströme und Spannungen am Thermistor verbrauchen aber auch Verlustleistung und bedingen eine Eigenerwärmung des Thermistors, was ihn dazu veranlasst, fehlerhaft hohe Temperaturen anzugeben. Der 20-kΩ-Thermistor Victory (Veco) 42A29 hat einen Durchmesser von 0,33 mm und eine Verlustleistung von konstant 0,09 mW/°C, was eine Eigenerwärmung von 2,2 °C in ruhender Luft mit 2 V Vorspannung ergibt. Gemessen wurde eine Eigenerwärmung von etwa 2 °C.

Die Eigenerwärmung fällt umso stärker ins Gewicht, je kleiner der Thermistor ist und je kleiner die zu messenden Größen sind, beispielsweise die von ruhenden Gasen oder kleinen Objekten. Victory unterstützt auch einen kleineren Thermistor mit einem Durchmesser von 0,25 mm mit einer konstanten Verlustleistung von 0,045 mW/°C, der die erwartete Eigenerwärmung auf 4,4 °C verdoppelt. Umgekehrt hat der größere Thermistor von Victory mit 1,1 mm Durchmesser eine konstante Verlustleistung von 0,35 mW/°C, die eine Eigenerwärmung von nur 0,6 °C ergibt. In typischen Anwendungen verursacht die Änderung des Spannungsabfalls des Thermistors, die von den Temperaturänderungen herrührt, unterschiedlich hohe Verlustleistung im Thermistor. Dies verfälscht die aktuelle Temperaturmessung durch den temperaturabhängigen Effekt der Eigenerwärmung weiter.

Bild 4: Die Auswirkung der Eigenerwärmung eines Thermistors, hier des Victory 42A29.

Bild 4: Die Auswirkung der Eigenerwärmung eines Thermistors, hier des Victory 42A29. Analog Devices

Bild 4 illustriert diese Auswirkung der Eigenerwärmung. Ein einfacher N-Kanal-MOSFET hält den Thermistor bis zur ersten Konvertierung des LTC2358 kurzgeschlossen. Die Temperaturmessung führte der LTC2358 mit einer Rate von 50 kS/s durch, nachdem M1 mit /READ ausgeschaltet wurde. Die Eigenerwärmung summierte sich auf fast 2 °C über mehrere Sekunden und änderte sich nur sehr wenig mit jeder Datenabtastung alle 20 µs. Verwenden lässt sich die Schaltung in Bild 4 auch, um schnelle Temperaturmessungen mit einem schmalen Arbeitstakt an /READ durchzuführen, was die durchschnittliche Auswirkung der Eigenerwärmung des Thermistors deutlich reduziert. Wenn /READ für eine Messwerteerfassung für 5 µs auf low gehalten wird, und sich dieser Vorgang wird alle 1 ms wiederholt, reduziert sich die durchschnittliche Auswirkung der Eigenerwärmung um den Faktor 200. Das vorgeschlagene Abtastfenster mit 5 µs erlaubt bis zu 40 pF parasitäre Kapazität am Thermistor, um bei 18 Bit mit einer Zeitkonstante von 400 ns einzuschwingen. In die Berechnung der Zeitkonstanten einzubeziehen sind dabei auch  zusätzliche Kapazitäten der Kabel am Thermistor.

Vorgespannte Fotodiode steuert ADC direkt an

Bild 5: Die vorgespannte Fotodiode steuert den LTC2358 direkt an. Der OPV lässt sich dazu einsetzen, eine feste Spannung an die Diode anzulegen.

Bild 5: Die vorgespannte Fotodiode steuert den LTC2358 direkt an. Der OPV lässt sich dazu einsetzen, eine feste Spannung an die Diode anzulegen. Analog Devices

Die analogen Eingangskanäle des ADC können den Fotostrom einer Fotodiode als den Spannungsabfall am in Reihe geschalteten, stromfühlenden Widerstand direkt messen (Bild 5). Ein OPV LTC6268 lässt sich auch in einer Transimpedanz-Konfiguration mit der Fotodiode einsetzen, um eine feste Spannung (5 V – 4,096 V = 0,904 V) an die Diode anzulegen. Zu beachten ist, dass in der gezeigten Transimpedanz-Schaltung die Messung direkt am stromfühlenden Widerstand erfolgt, sodass die Offset-Spannung des OPV keine Auswirkung auf die Messung hat. Ein nicht gepufferter ADC lässt sich nicht direkt an den invertierenden Eingang des Transimpedanz-Verstärkers anschließen.

Ansteuerung mit ferngesteuertem Sensor

Micropower-OPVs sind in der Lage, die analogen Eingangskanäle des ADC anzusteuern. Die Ansteuerung erfolgt direkt, mit geringem Leistungsbedarf und ohne Verteilung oder Belastung des OPV-Ausgangs sowie ohne Anstieg des Versorgungsstroms des OPVs. Dabei dient der OPV LTC2063 bespielsweise als Vorverstärker mit einer Verstärkung von 200 für einen Sauerstoff-Sensor von City Technology. Der OPV treibt ein verdrilltes Kabelpaar durch ein RC-Filter, wobei der Filter den OPV von der kapazitiven Last des Kabels isoliert und auch vom Kabel aufgenommene Störungen blockiert. Am analogen Eingang des A/D-Wandlers ist kein RC-Filter nötig, aber eine optionale RC-Filterung lässt sich zwischen den Vorverstärkerausgang und den ADC einfügen, um externes Rauschen und Interferenzen weiter zu reduzieren.

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