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K (Temperaturmessung mit PTC)
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==Temperaturmessung mit PTC==
 
==Temperaturmessung mit PTC==
Damit aus der Widerstandsänderung am Sensor eine passende Spannung zu erzeugen gibt es verschieden Möglichkeiten. Ein naheliegender Weg wäre eine Konstantstromquelle, so dass die Spannung am Sensor direkt proportional zum Widerstand ist. Wenn man das Signal danach digitalisieren will, hat dieser Weg aber zwei wesenliche Nachteile: Eine gute Konstantstromquelle ist aufwendig, und man hat dann 2 Referenzen im System und damit unnötige Fehlerquellen.  Für eine Widestandsmessung ist ein Widestand als Vergeleichswert einfacher und besser als das verhältnis von einer Spannungquelle und einer Stromquelle. Dafür gibt es im wesentlichen 3 Möglichkeiten:  
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Um aus der Widerstandsänderung am Sensor eine passende Spannung zu erzeugen gibt es verschieden Möglichkeiten. Ein naheliegender Weg ist eine Konstantstromquelle, so dass die Spannung am Sensor direkt proportional zum Widerstand ist. Wenn man das Signal danach digitalisieren will, hat dieser Weg aber zwei wesenliche Nachteile: Eine gute Konstantstromquelle ist aufwendig, und man hat dann 2 Referenzen im System und damit unnötige Fehlerquellen.  Für eine Widerstandsmessung ist ein Widerstand als Vergleichswert einfacher und besser als das Verhältnis von einer Spannungquelle und einer Stromquelle. Dafür gibt es im wesentlichen 3 Möglichkeiten:  
1) Der selbe Strom fleißt durch den Sensor und den Vergleichwiderstand. Die Spannung an Vergleichwiderstand wird als Referenz für den AD Wandler benutz, die Spannung am Sensor wird gemessen. Der Strom muß dabei nicht besonders stabilisiert sein, denn es kommt nur auf das Spannungsverhältnis an.
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1) Der selbe Strom fleißt durch den Sensor und den Vergleichwiderstand. Die Spannung an Vergleichswiderstand wird als Referenz für den AD Wandler benutz, die Spannung am Sensor wird gemessen. Der Strom muß dabei nicht besonders stabilisiert sein, denn es kommt nur auf das Spannungsverhältnis an.
2) Der selbe AD Wandler mißt nacheinander die Spannung am Sensor und Vergleichwiderstand.   
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2) Der selbe AD Wandler mißt nacheinander die Spannung am Sensor und Vergleichswiderstand.   
 
3) Der Sensor und der Vergleichswiderstand bilden einen Spannunsgteiler. Die Spannung über den Spannungsteiler dient auch als Referenz für den AD-wandler. Anders als bei den beiden vorherigen Möglichkeiten ist das Ergebnis der AD Wandlung hier nicht linear vom Widerstand abhängig.
 
3) Der Sensor und der Vergleichswiderstand bilden einen Spannunsgteiler. Die Spannung über den Spannungsteiler dient auch als Referenz für den AD-wandler. Anders als bei den beiden vorherigen Möglichkeiten ist das Ergebnis der AD Wandlung hier nicht linear vom Widerstand abhängig.
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Der Strom muß dabei nicht besonders stabilisiert sein, denn es kommt nur auf das Spannungsverhältnis an.
  
 
Bei einem kleinen Messbereich lohnt es sich den konstanten Teil der Spannung abzuziehen, damit der Wertebereich des AD Wandler weitgehend ausgenutzt werden kann. Dafür kann ein einfache Brückenschaltung genutz werden.  
 
Bei einem kleinen Messbereich lohnt es sich den konstanten Teil der Spannung abzuziehen, damit der Wertebereich des AD Wandler weitgehend ausgenutzt werden kann. Dafür kann ein einfache Brückenschaltung genutz werden.  

Version vom 31. Mai 2010, 19:29 Uhr

Schaltzeichen eines NTC (oben) und eines PTC (unten)

Heißleiter (engl. NTC, negative temperature coefficient) und Kaltleiter (engl. PTC, positive temperature coefficient) sind elektrische Widerstände aus bestimmten Materialien, deren Leitfähigkeit (und damit der Widerstand) sich mit der Temperatur deutlich ändert.


NTCs

Typische Bauform
Heißleiter sind stromleitende Materialien, die bei hohen Temperaturen eine höhere Leitfähigkeit besitzen als bei tiefen Temperaturen. Sie haben einen negativen Temperaturkoeffizienten; das heißt, mit steigender Temperatur sinkt ihr elektrischer Widerstand.

Ein großer Vorteil ist die starke Temperaturabhängigkeit und der geringe Preis. Das nichtlineare Verhalten des Widerstandswertes bei sich verändernder Temperatur ist jedoch zugleich auch der größte Nachteil.

Ein einzelner, nicht kompensierter NTC ändert seinen Widerstand nicht linear. Hier dazu ein Beispieldiagramm:


Ntcdiagramm.gif

PTCs

Kaltleiter sind stromleitende Materialien, die bei hohen Temperaturen eine niedrigere Leitfähigkeit besitzen als bei tiefen Temperaturen. Sie haben einen positiven Temperaturkoeffizienten; das heißt, mit steigender Temperatur steigt auch ihr elektrischer Widerstand.

Bei den PTCs gibt es zwei Sorten: Einmal welche mit näherungsweise linearer Kennlinie und dann welche mit stark nichtlinearer Kennlinie. Die linearen Typen (z.B. KTYxx Reihe) oder Platinwiderstände (z.B. PT100, PT1000 ) sind mehr für die Temperaturmessung gedacht. Recht beliebt sind die PTCs der KTYxx-Reihe z.B. der KTY81-110. Sie sind sehr günstig (ca. 0,50€) und bieten für die meisten Anwendungen eine ausreichende Genauigkeit.

Im Vergleich zu anderen PTCs oder NTCs ist bei den PTxxx-Typen im Bereich von -200...500 °C die Kennlinie nahezu linear steigend. Dafür ist der Temperaturkoeffizient deutlich kleiner (0,38 %/K bei Raumtemperatur). Es gibt diese Kaltleiter in den Serien PT100 (mit 100 Ohm Innenwiderstand) oder PT1000 (mit 1000 Ohm). Diese sind jedoch erheblich teurer (je nach Typ und Bezugsquelle und Qualität ab etwa 3 €) als die anderen Typenreihen und werden eingesetzt, wenn höhere Anforderungen an Messbereich oder Genauigkeit gestellt werden.

Die stark nichtlinearen Typen sind mehr als Übertemperaturschutz oder als selbst rückstellende Sicherung geeignet. Auch dazu ein Beispieldiagramm für einen nicht linearen PTC:


Ptcdiagramm.GIF

Einatzmöglichkeiten

NTCs und PTCs werden immer dann eingesetzt, wenn in "normalen" Bereichen (das heißt hier kleiner etwa 200 °C) eine Temperatur gemessen werden soll. Dieses Gebiet umfasst alles vom kleinen digitalen Fieberthermometer über die verschiedenen Anzeigeinstrumente (wie Wetterstationen und KFZ-Elektronik) bis hin zu kompletten Heizungs- und Klimasteuerungen in Gebäuden.

Für Temperaturen größer etwa 150 °C werden meist spezielle Sensoren eingesetzt, wie z.B. Thermoelemente oder Platinwiderstände.

Temperaturmessung mit PTC

Um aus der Widerstandsänderung am Sensor eine passende Spannung zu erzeugen gibt es verschieden Möglichkeiten. Ein naheliegender Weg ist eine Konstantstromquelle, so dass die Spannung am Sensor direkt proportional zum Widerstand ist. Wenn man das Signal danach digitalisieren will, hat dieser Weg aber zwei wesenliche Nachteile: Eine gute Konstantstromquelle ist aufwendig, und man hat dann 2 Referenzen im System und damit unnötige Fehlerquellen. Für eine Widerstandsmessung ist ein Widerstand als Vergleichswert einfacher und besser als das Verhältnis von einer Spannungquelle und einer Stromquelle. Dafür gibt es im wesentlichen 3 Möglichkeiten: 1) Der selbe Strom fleißt durch den Sensor und den Vergleichwiderstand. Die Spannung an Vergleichswiderstand wird als Referenz für den AD Wandler benutz, die Spannung am Sensor wird gemessen. Der Strom muß dabei nicht besonders stabilisiert sein, denn es kommt nur auf das Spannungsverhältnis an. 2) Der selbe AD Wandler mißt nacheinander die Spannung am Sensor und Vergleichswiderstand. 3) Der Sensor und der Vergleichswiderstand bilden einen Spannunsgteiler. Die Spannung über den Spannungsteiler dient auch als Referenz für den AD-wandler. Anders als bei den beiden vorherigen Möglichkeiten ist das Ergebnis der AD Wandlung hier nicht linear vom Widerstand abhängig.

Der Strom muß dabei nicht besonders stabilisiert sein, denn es kommt nur auf das Spannungsverhältnis an.

Bei einem kleinen Messbereich lohnt es sich den konstanten Teil der Spannung abzuziehen, damit der Wertebereich des AD Wandler weitgehend ausgenutzt werden kann. Dafür kann ein einfache Brückenschaltung genutz werden.

Beim Strom durch den Sensor muß ein Kompromiss zwischen genügend Spannung und dem Stromverbauch und der damit verbundenen Eigenerwärmung des Sensors gefunden werden. Bei mehr als etwa 1 mW Verlustleistung am Sensor wird eine genaue Temperaturmessung schwierig.

Linearisierung

LinearPTC.GIF KTY81 mit konstanten Strom (1,4 mA), und mit Widerstand in Reihe.

Unter Linearisierung versteht man die verschiedenen Möglichkeiten, um trotz der nicht linearen Kennline des Sensors eine Linear von der Messgröße (Temperatur) abhängiges Ergebnis Spannung oder Digitales Ergebnis zu erhalten. Dazu bieten sich verschiedene Methoden an:

  • Man nutzt die Nichtlineare Kennline von Dioden. Wegen der Temperaturabhängigkeit der Diodenkennline ist das aber schwierig und nur für sehr strarke nichtlinearitäten gerechtfertigt. Für die schwache nichtlinearität der PTCs ist das Verfahren eher ungeeignet.
  • Man nutzt den nichtlinearen Zusammenhang zwischen Spannung und Widerstand bei beim Spannungsteiler, bzw. in einer Brückenschaltung. Bei den Sensoren des Typs KTY81 wird mit einem 2,7kOhm-Widerstand in Reihe gerade eine relativ gute Kompensation der nichtlinearitäten erreicht. Im Bereich von -40 °C ... +140 °C erscheint der PTC nun nahezu linear, der verbleibende Linearitätsfehler liegt bei etwa ±10 mV (für 5 V am Spannungsteiler). Unterhalb von 50 °C ist die ausgegebene Spannung etwas zu klein, oberhalb etwas zu groß. So einfach geht die Linearisierung allerdings nicht bei allen Sensoren.
  • Man überläßt die Linearisierung den mathematischen Fähigkeiten eines Prozessors, z.B. einem ATMega-x, an dessen ADC der PTC angeschlossen ist. Das Verfahren ist sehr universell, benötigt aber einiges an Programmcode.


Es gibt diese Kaltleiter in den Serien PT100 (mit 100 Ohm Innenwiderstand) oder PT1000 (mit 1000 Ohm). Sie sind jedoch erheblich teurer als die anderen Typenreihen (je nach Typ und Bezugsquelle zwischen 5 und 15 €) und werden eingesetzt, wenn höhere Anforderungen an Messbereich oder Genauigkeit gestellt oder ein gewisser schaltungstechnischer Aufwand eingespart werden soll.

Schaltungsbeispiele

Dieser Artikel ist noch lange nicht vollständig. Der Auto/Initiator hofft das sich weitere User am Ausbau des Artikels beteiligen.

Das Ergänzen ist also ausdrücklich gewünscht! Besonders folgende Dinge würden noch fehlen:

... auf jeden Fall Anwendungs- und Schaltungsbeispiele mit Heiß- oder Kaltleiter!


Siehe auch


Weblinks

Wikipedia