National Semiconductor
Im Jahr 1821 entdeckte Thomas Seebeck das nach ihm benannte physikalische Phänomen, dass ein elektrischer Strom fließt, wenn man zwei verschiedene metallische Leiter an beiden Enden miteinander verbindet und eine der beiden Verbindungsstellen erhitzt [1]. Trennt man die andere Verbindung, so kann man an ihr eine elektrische Spannung messen. Diese wiederum ist proportional zur Temperaturdifferenz zwischen der erhitzten Messstelle und der kalten Vergleichsstelle, an der die Spannung gemessen wird. Dieser so genannte Seebeck-Effekt ist die Grundlage des Thermoelements.
Thermoelemente und Halbleiter-Temperatursensoren
Thermoelemente haben eine Reihe von Vorteilen, die ausschlaggebend für ihre Popularität in vielen Anwendungen beispielsweise im industriellen, medizinischen und privaten Bereich sind. Im Vergleich zu anderen verbreiteten Temperatursensoren wie etwa Widerstandsthermometern (RTDs für „Resistance Temperature Detectors“) und IC-Sensoren sind Thermoelemente die robustesten und preisgünstigsten Bauelemente. Außerdem sind sie für die größten Temperaturbereiche geeignet und kommen als passive Sensoren ohne ein elektrisches Ansteuersignal aus, was die Systemkomplexität auf ein Minimum reduziert. Ungeachtet der vielen Pluspunkte, die Thermoelemente vorzuweisen haben, ist für das Design mit diesen Bauelementen ein umfassendes Verständnis ihrer elektrischen Eigenschaften erforderlich.
LMP90100-Steckbrief
Bei Einsatz des konfigurierbaren Sensor-Analog-Front-End-Chips LMP90100 reduziert sich eine typische Sensor-Applikation, die zurzeit noch bis zu 25 Bauelemente erfordern kann, auf ein einziges IC. Waren bisher Wochen oder gar Monate für das Design eines Sensorsystems zu veranschlagen, verringert sich dieser Zeitaufwand mit den neuen Produkten und Tools von National auf Minuten. Der LMP90100 ist das erste mehrkanalige, stromsparende 24-Bit-Sensor-AFE der Industrie mit realer kontinuierlicher Hintergrund-Kalibrierung und Diagnosefunktionen für leistungsfähige Geber- und Messwertaufnehmer-Applikationen im Bereich der Temperatur- und langsamer Druckmessung. Die patentierte kontinuierliche Hintergrund-Kalibrierung eliminiert effektiv Offset- und Verstärkungsfehler über Zeit und Temperatur. Offset- und Verstärkungsfehler werden ohne Beeinträchtigung des zu messenden Signals ermittelt. Der LMP90100 enthält einen 24-Bit-Sigma-Delta-ADC mit flexiblem Eingangsmultiplexer– für den Anschluss an beliebige Kombinationen von differenziellen oder Single-Ended-Eingängen. Signalverstärkung (1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 und 128), Abtastrate und Sensor-Diagnose können individuell für jeden Sensor programmiert werden. Außerdem stehen zur Ansteuerung der Sensoren zwei aufeinander abgestimmte Stromquellen zur Verfügung. Der LMP90100 ist für den gesamten Temperaturbereich von -40 °C bis +125 °C spezifiziert. Da er im Durchschnitt weniger als 0,7 mA aufnimmt, eignet er sich ideal für Temperaturgeber in 4- bis 20-mA-Applikationen.
Thermoelemente werden abhängig davon, welche Metalle für die Messstelle verwendet werden, in unterschiedliche Typen eingeteilt (Typ K, Typ J usw.). Je nach Typ besitzt ein Thermoelement eine bestimmte Empfindlichkeit (µV/K), einen spezifischen Temperaturbereich und eine ganz bestimmte nichtlineare Kennlinie, die den Spannungsverlauf über diesen Temperaturbereich wiedergibt. So hat ein Thermoelement vom Typ K eine durchschnittliche Empfindlichkeit von ca. 41 µV/K und einen Betriebstemperaturbereich von 200 °C bis +1.250 °C. Der nichtlineare Spannungsverlauf eines Thermoelements über den Betriebstemperaturbereich ist in Bild 1 dargestellt.
Beim Design mit Thermoelementen ist zu beachten, dass es sich bei ihnen um bipolare Bauelemente handelt. Thermoelemente können somit abhängig davon, ob die Temperatur an der Messstelle höher oder niedriger ist als die Temperatur an der Vergleichsstelle, eine positive oder eine negative Spannung erzeugen.
Wie bereits erwähnt, hängt die von einem Thermoelement erzeugte Spannung von der Temperaturdifferenz zwischen der Messstelle, die in der zu messenden Umgebung platziert wird, und der Vergleichsstelle ab. Letztere befindet sich in der Regel innerhalb des Messsystems. Mit einem Thermoelement lässt sich somit niemals eine absolute Temperatur messen, sondern immer nur die Temperaturdifferenz zwischen zwei Punkten. Soll die absolute Temperatur an der Messstelle bestimmt werden, ist zunächst die Temperatur an der Vergleichsstelle zu ermitteln, damit diese in die Berechnung der absoluten Temperatur eingehen kann. Diese so genannte Vergleichsstellen-Kompensation lässt sich einfach implementieren, wenn man einen Temperatursensor-Baustein wie den LM94022 von National Semiconductor innerhalb des Messsystems nahe der Vergleichsstelle platziert. Dieser Temperatursensor sollte eine isothermische Verbindung zur Leiterplatte haben, um etwaige Temperaturunterschiede zu minimieren.
Abhängig vom Temperaturbereich und der seitens der Applikation geforderten Genauigkeit ist es häufig notwendig, das Thermoelement-Signal zu verstärken, bevor es mit einem A/D-Wandler oder Mikrocontroller weiterverarbeitet wird. Eine typische Verstärkerkonfiguration für Thermoelemente ist der Differenzverstärker, der den klaren Vorteil hat, dass etwaige Gleichtakt-Effekte, die bei langen Thermoelement-Zuleitungen in Umgebungen mit hohem Störaufkommen beträchtliche Ausmaße erreichen können, minimiert werden. Ein weiterer Pluspunkt des Differenzverstärkers ist seine Fähigkeit, den Pegel eines Signals zu verschieben. Hierdurch lässt sich erreichen, dass der Eingangs-Gleichtaktbereich der Verstärker nicht verlassen wird und man eine Sättigung des Eingangs vermeidet. Dies ist besonders in solchen Thermoelement-Applikationen sinnvoll, mit denen Temperaturen nahe oder unter der Systemtemperatur gemessen werden sollen.
Sensor-AFE mit kontinuierlicher Hintergrund-Kalibrierung
Systemdesigner haben Thermoelement-Messsysteme traditionell mit diskreten Verstärkern, ADCs und passiven Bauelementen entworfen. Mit dem LMP90100 von National Semiconductor (Steckbrief siehe Kastentext S.64) steht jetzt allerdings eine attraktive Alternative zu diesen diskreten, individuell ausgearbeiteten Designs zur Verfügung. Der LMP90100 ist ein hochintegriertes, mehrkanaliges und stromsparendes 24-Bit-Sensor-AFE. Neben einem präzisen 24-Bit-Sigma-Delta-ADC enthält der Baustein einen rauscharmen Programmable Gain Amplifier (PGA) und einen voll differenziellen, hochohmigen analogen Eingangs-Multiplexer. Der hohe Integrationsgrad und das hohe Genauigkeitsniveau machen den LMP90100 zum idealen Baustein für Thermoelement-Applikationen (Bild 2).
Thermoelemente sicher eindesignen
Thermoelemente sind so populär, weil sie preisgünstig und robust sind und über einen besonders großen Temperaturbereich hinweg eingesetzt werden können. Beim Design mit Thermoelementen sollte neben dem Typ und der entsprechenden Empfindlichkeit auch die Tatsache beachtet werden, dass es sich bei ihnen um bipolare Bauelemente handelt. Ein Differenzverstärker ist eine häufig verwendete Schaltung, die eine gute Gleichtaktunterdrückung ergibt. Je nach den individuellen Mess-Anforderungen kann auch eine Pegelumsetzer-Stufe erforderlich sein. Mit seinem geringen Rauschen, seiner niedrigen Offsetspannung, seiner hohen Gleichtaktunterdrückung und seinen Rail-to-Rail-Eingängen bringt das Sensor-AFE LMP90100 von National beste Voraussetzungen für den Einsatz in Thermoelement-Applikationen mit. Das Design einer solchen Anwendung lässt sich mit dem Online-Tool WEBENCH Sensor AFE Designer von National, das eine mühelose Ausarbeitung vom Konzept über die Simulation bis zum Prototyp ermöglicht, zügig durchziehen.
Zu den Verstärker-Spezifikationen, auf die es in Thermoelement-Applikationen besonders ankommt, gehören ein geringer Nullpunktfehler (Offset Error; OE), ein geringes RMS-Rauschen (en) und eine hohe Gleichtaktunterdrückung (Common-Mode Rejection Ratio – CMRR). Da die typische Ausgangsspannung eines Thermoelements im Mikrovolt-Bereich liegt, ist es entscheidend, die Offsetspannung klein zu halten, damit sie gegenüber dem zu messenden Signal vernachlässigt werden kann. Um diese Forderung zu erfüllen, ist der LMP90100 mit einer echten kontinuierlichen Hintergrund-Kalibrierung von Offset und Verstärkung ausgestattet. Mit diesem Feature werden Offset und Verstärkungsfehler über die Temperatur für alle Verstärkungen und Abtastraten praktisch eliminiert, so dass die Messgenauigkeit nicht mit Abstrichen an der Geschwindigkeit und der Stromaufnahme erkauft werden müssen. Insgesamt entsteht hier eine präzise Lösung mit einer typischen Offsetspannung von 8,4 nV und einer Temperaturdrift von 0,125 nV/K. Ebenso sorgt die Verwendung eines Verstärkers mit geringem Rauschen und hoher Gleichtaktunterdrückung dafür, dass potenzielle Gleichtakteffekte minimiert werden. Der LMP90100 bietet ein Rauschen von weniger als 10 µVrms und einen hohen CMRR-Wert von 117 dB.
Abgesehen von seiner hohen Genauigkeit punktet dieses Sensor-AFE mit einem Rail-to-Rail-Eingang und integrierten Diagnosefunktionen für den Sensor. Die Rail-to-Rail-Fähigkeit des Eingangs ermöglicht Designern die Erfassung von Signalen in der Nähe des Massepotenzials, so dass beste Voraussetzungen für die Messung von Temperaturen bestehen, die sich nicht oder nur geringfügig von der Umgebungstemperatur des Systems unterscheiden. Die Sensordiagnose erlaubt ohne Zutun des Anwenders das Erkennen von Kurzschlüssen oder Stromkreisunterbrechungen sowie bereichsüberschreitenden Signalen, was der System-Zuverlässigkeit zugutekommt.
Einfaches Design mit Online-Tool WEBENCH Sensor AFE Designer
Zur Unterstützung des LMP90100 und zur Verbesserung der Benutzerfreundlichkeit bietet National Semiconductor das kostenlos nutzbare Online-Tool „WEBENCH Sensor AFE Designer“ an. Ebenso wie das ergänzende LMP90100 Evaluation-Board macht dieses Tool von den in diesem Beitrag vorgestellten Techniken Gebrauch. Mit Sensor AFE Designer wird zunächst das Thermoelement ausgewählt und anschließend der Baustein so konfiguriert, dass er zum Sensor passt. Das Tool gibt daraufhin die geschätzten Performance-Daten des Bausteins und die Fehlerberechnungen aus und bietet die Möglichkeit, das zugehörige Evaluation Board zu bestellen. Außerdem kann das Design mit WEBENCH Sensor AFE Designer einfach optimiert werden, indem Sensoren ausgetauscht oder hinzugefügt, Kanäle konfiguriert und konfigurierbare Blöcke programmiert werden. Die Fehlerberechnungen werden dabei stets sofort entsprechend den neuen Auswahlen aktualisiert. Das Design einer spezifikationsgemäßen Schaltung gestaltet sich auf diese Weise einfach und zügig. Weitere Informationen und die Möglichkeit, ein eigenes Design zu erstellen, sind unter http://www.national.com/analog/webench/sensors zu finden. Nachdem das Design mithilfe von WEBENCH Sensor AFE Designer abgeschlossen ist, kann zur Verifikation des Signalpfad-Designs die LMP90100-Evaluierungsplattform erworben werden.
Jason Seitz
(sb)
