Temperaturmessung

Für die Temperaturmessung kann man temperaturabhängige Widerstände benutzen:

Unterschieden werden:

• Kaltleiter (Positive Temperature Coefficient - PTC): sind Bauteile, die mit zunehmender Temperatur ihren Widerstand erhöhen.
• Heißleiter (Negative Temperature Coefficient - NTC): sind Bauteile, die mit zunehmender Temperatur ihren Widerstand verringern.

Temperaturmessung mit einem Kaltleiter

Das elektronische Symbol für einen Kaltleiter zeigt über zwei aufsteigende Pfeile, dass der Widerstand mit steigender Temperatur steigt. Um die Temperaturmessung zu verstehen, ist es sinnvoll, erst mal einen einfachen Spannungsteiler zu betrachten:

Bei der Reihenschaltung von zwei Widerständen addieren sich die Widerstandswerte. Um den Strom zu berechnen, kann das Ohmsche Gesetz verwendet werden.

Beispiel: Temperaturmessung mit dem PT1000 (R = 1000Ω bei 0°C)

Gegeben sind die Werte:

Daraus kann der Strom berechnet werden mit:

\( I = \frac{U}{R} \)

mit \( R = R_1 + R_2 \)

bei 20°C: \( I = \frac{5V}{11078\Omega} = 451,35μA \)

Mit dem Strom kann die Spannung am Widerstand

berechnet werden.

bei 20°C: \( U_2 = R_2 \cdot I = 1078\Omega \cdot 451,35 \cdot 10^9A = 486,56 \mu V \)

Der Unterschied beträgt lediglich:

ΔU = 486,56μV - 454,54μV = 32μV

Das wäre viel zu wenig für die Auflösung eines Analog-Digital-Wandlers. Deshalb wird diese kleinen Spannungsänderungen noch mit einem Referenzpunkt verglichen und mit einem Differenzverstärker (Operationsverstärkerschaltung) auf einige Volt verstärkt:

Temperaturmessschaltung      https://www.aeq-web.com/pt1000-temperature-sensor-arduino-lm358-messwandler/ (12.02.2022)

Die Schaltung wird hier diskret aufgebaut und die Auswertung mit dem eingebauten Analog-Digital-Wandlers des Mikrocontrollers auf dem Arduino Uno-Board beschrieben:
https://www.aeq-web.com/pt1000-temperature-sensor-arduino-lm358-messwandler/

Die Messung ist zwar ziemlich genau, aber die Schaltung ist relativ aufwendig. Praktischer ist die Nutzung von kostengünstigen ICs, die eine vollständige Schaltung zur Temperaturmessung integrieren:

Temperatursensor

Sensoren (lat. sentire, dt. „fühlen“ oder „empfinden“) sind technische Bauteile, die bestimmte physikalische, chemische oder biologische Größen erfassen, und in ein elektrisches Signal umformen.

Temperatursensoren liefern ein elektrisches Signal als Maß für die Temperatur. Beispiele:

• Das kann direkt eine elektrische Spannung sein, deren Höhe von der Temperatur abhängt. Dieser analoge Wert muss zur informationstechnischen Weiterverarbeitung erst noch mit einem Analog-Digital-Wandler digitalisiert werden (Bsp.: TMP36).
• Der Temperatursensor enthält bereits den Analog-Digital-Wandler und liefert bereits digitale Signale, die direkt verarbeitet werden können (Bsp.: DS18B20)

Vergleich zweier Halbleiter-Temperatursensoren

	TMP36	DS18B20
Bauform	auch in SMD-Bauweise erhältich	auch wasserdicht für den Außenbereich erhältlich
Ausgangssignal	analog	digital (über One-wire-Bus, AD-Wandler integriert)
Genauigkeit	± 2° C	± 0,5° C
Messbereich	-50° bis 125° C	-50° bis 125° C
Betriebsspannung	2,7 bis 5,5 V	3,0 bis 5,5 V
Benötigte PINs (ohne VCC und GND)	1 pro Sensor	1 für mehrere Sensoren
ungef. Stückpreis 2022	1,40 €	1 € bzw. 2 € (wasserdicht)
Datenblatt	TMP36_37_38.pdf	DS18B20.pdf

(Weitere Sensoren im Vergleich s.hier: https://iotspace.dev/vergleich-verschiedener-arduino-temperatursensoren/)

Der DS18B20 hat Vorteile bezüglich der Genauigkeit und Bus-Konnectivität. Er hat nicht nur den AD-Wandler integriert, sondern das Ausgangssignal wird über den 1-Wire-Bus bereitgestellt. Es können daher mehrere DS18B20 an einen PIN mit 1-Wire-Funktionalität angeschlossen und einzeln angesprochen werden.

Der TMP36 ist dagegen auch in SMD-Bauweise erhältlich und wird daher bei Massenproduktion auf Platinen bevorzugt werden. Bei SMD-Bauteilen (Surface Mounted Devices = oberflächenmontierte Bauteile) müssen keine Löcher in die Platine gebohrt werden, denn sie werden lediglich auf die Platine gelötet werden.

Beide Halbleiter-Sensoren nutzen übrigens ein anderes Messprinzip. Sie nutzen die Temperaturabhängigkeit der Diodenennlinie:

Temperaturabhängigkeit der Diodenkennlinie

Der nichtlinieare Widerstand eines Halbleiterübergangs (Diode oder Transistor) wird mit wachsender Temperatur kleiner. Die Diode wird also bereits bei kleinerer Spanung leitfähig. Diese relativ kleine Spannungsänderung wird auch hier mit einem festen Bezugspunkt verglichen und durch einen Operationsverstärker verstärkt.

Weiterführende Links hierzu:

https://de.wikipedia.org/wiki/Halbleiter-Temperatursensor (12.02.2022)
https://en.wikipedia.org/wiki/Silicon_bandgap_temperature_sensor (12.02.2022)