Schnelle Erstellung einer exakten Temperaturmessschaltung auf Thermistorbasis

Temperatursensoren zählen zu den am weitesten verbreiteten Sensoren in der Elektronikbranche, die unter anderem in Kalibrier-, Sicherheits- sowie in HLK-Anlagen (Heizung, Lüftung, Klima) zum Einsatz kommen. Trotz ihrer breiten Nutzung können Temperatursensoren und ihre Implementierung Entwickler vor Herausforderungen stellen, wenn es darum geht, zu möglichst geringen Kosten die höchstmögliche Genauigkeit zu erreichen.

Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, um die Temperatur zu messen. Bei den häufigsten Methoden kommen Temperatursensoren wie Thermistoren, Widerstandstemperaturdetektoren (RTDs), Thermoelemente oder Silizium-Thermometer zum Einsatz. Die Auswahl des geeignetes Sensors ist jedoch nur ein Teil der Lösung. Dieser Sensor muss mit einer Signalkette verbunden werden, die die Integrität dieses Signals aufrechterhält und dabei exakt die einzigartigen Merkmale der entsprechenden Messtechnologie kompensiert, um eine exakte digitale Darstellung der Temperatur zu gewährleisten.

Dieser Artikel stellt eine Schaltungslösung mit Stromversorgung über USB vor, der diese Aufgabe meistert. Diese Lösung verwendet einen Thermistor mit negativem Temperaturkoeffizienten (einen NTC-Thermistor) in Kombination mit dem analogen Präzisions-Mikrocontroller ADuC7023BCPZ62I-R7 von Analog Devices, um die Temperatur exakt zu überwachen.

Merkmale des NTC-Thermistors

Bei einem Thermistor handelt es sich um einen wärmeempfindlichen Widerstand, der in zwei Ausführungen erhältlich ist: als Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC-Thermistor) und als NTC-Thermistor. Ein aus polykristalliner Keramik gefertigter PTC-Thermistor verfügt über einen hohen PTC und wird üblicherweise in Schaltern verwendet. Der aus Halbleiterkeramik gefertigte NTC-Thermistor verfügt im kalten Zustand über einen relativ hohen Widerstand, der bei steigender Temperatur abnimmt. Dadurch ist dieser Thermistor für präzise Temperaturmessungen geeignet.

NTC-Thermistoren sind in drei Betriebsmodi erhältlich, in denen der Widerstand über die Temperatur, die Spannung über den Strom bzw. der Strom über die Zeit gemessen werden. Der Modus, in dem der Widerstand über die Temperatur gemessen wird, liefert die präzisesten Ergebnisse.

Entsprechende Schaltungen konfigurieren den Thermistor in einem „leistungslosen“ Zustand. Für diesen „leistungslosen“ Zustand wird angenommen, dass die Strom- oder Spannungsversorgung der Komponente keine Eigenerwärmung des Thermistors verursacht.

Bei einem typischen NTC-Thermistor wie beispielsweise dem NCP18XM472J03RB von Murata Electronics mit 4,7 Kiloohm (kΩ) in einem 0603-Gehäuse verläuft die Widerstands-Temperatur-Kennlinie überaus nichtlinear (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die Widerstands-Temperatur-Kennlinie eines typischen NTC-Thermistors verläuft überaus nichtlinear, sodass die Entwickler einen Weg finden müssen, um diese Nichtlinearität für einen vorgegebenen Temperaturbereich unter Kontrolle zu bringen. (Bildquelle: Bonnie Baker, berechnet und gezeichnet anhand von Widerstandswerten von Murata)

Das Diagramm in Abbildung 1 zeigt für den 4,7kΩ-Thermistor eine ausgeprägte Nichtlinearität. Bei der Rate, mit der der Widerstand eines NTC-Thermistors mit der Temperatur abnimmt, handelt es sich um eine Konstante, die mit Beta (ß) (in der Abbildung nicht gezeigt) bezeichnet wird. Für den 4,7kΩ-Thermistor von Murata gilt: β = 3500.

Die nichtlineare Kurve des Thermistors kann in einer Software mit einem hochauflösenden Analog/Digital-Wandler (ADC) und einem empirischen Polynom dritter Ordnung oder eine Lookup-Tabelle korrigiert werden.

Es gibt jedoch ein akzeptables, einfacheres und kostengünstigeres Hardwareverfahren, mit dem das Linearisierungsproblem des Thermistors für einen Temperatur von ±25 °C unter Kontrolle gebracht werden kann, sofern es vor dem Erreichen des ADC angewendet wird.

Hardwarelösung zur Linearisierung

Ein einfacher Ansatz zur Linearisierung erster Ordnung des Thermistorausgangs ist es, den Thermistor in Reihe mit einem Standardwiderstand (1 %, Metallfilm) und einer Spannungsquelle zu schalten. Der Wert des in Reihe geschalteten Widerstands bestimmt den Median des linearen Bereichs des Thermistorkreises. Der Widerstand des Thermistors (R_TH) und die Steinhart-Hart-Gleichung bestimmen die Temperatur des Thermistors (Abbildung 2). Die Steinhart-Hart-Gleichung hat sich als die beste mathematische Möglichkeit zur Bestimmung der Temperatur eines NTC-Thermistors erwiesen.

Abbildung 2: Eine Spannungsteilerkonfiguration (R_TH und R₂₅) linearisiert die Kennlinie des Thermistors. Der lineare Bereich bei ADC0 (am ADC-Eingang) liegt innerhalb eines Temperaturbereichs von etwa 50 °C. (Bildquelle: Bonnie Baker)

Die Ableitung des tatsächlichen Widerstandswerts des Thermistors, R_TH, beginnt mit der Definition des Ausgangs des Spannungsteilers (V_ADC0). V_ADC0 wird dann verwendet, um den Dezimalcode des ADC-Digitalausgangs (D_OUT) zu ermitteln, wobei D_OUT von der Bit-Anzahl des ADC (N), der maximalen Eingangsspannung des ADC (V_REF) und der Eingangsspannung des ADC (V_ADC0) abhängig ist. Im dritten und letzten Schritt zur Ermittlung von R_TH wird R₂₅ (oder der Wert von R_TH bei 25 °C) mit dem Verhältnis der Anzahl an ADC-Codes zum Dezimalcode des ADC-Digitalausgangs multipliziert. Dieser dritte Schritt beginnt mit der nachstehenden Gleichung 2.

Im letzten Schritt der Berechnung wird der Widerstand des Thermistors in eine Temperatur in der Einheit Kelvin umgewandelt, indem die oben erwähnte Steinhart-Hart-Gleichung verwendet wird. Der analoge Präzisions-Mikrocontroller ADuC7023 verwendet Gleichung 4, um die Sensortemperatur zu bestimmen:

 Gleichung 4

Dabei gilt:

T₂ = gemessene Temperatur des Thermistors (in Kelvin)

T₁ = 298 Kelvin (25 °C)

β = β-Parameter des Thermistors bei 298 Kelvin oder 25 °C β = 3500

R₂₅ = Widerstand des Thermistors bei 298 Kelvin oder 25 °C R₂₅ = 4,7 kΩ

R_TH = Widerstand des Thermistors bei einer unbekannten Temperatur (berechnet mit Gleichung 3)

In Abbildung 2 beträgt der Widerstand des Thermistors (R_TH) 4,7 kΩ bei einer Temperatur von 25 °C. Da der Wert von R₂₅ dem Wert für den Thermistor bei 25 °C entspricht, liegt der lineare Bereich des Spannungsteilers um 25 °C herum (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die lineare Kennlinie eines mit einem 4,7kΩ-Standardwiderstand in Reihe geschalteten 4,7kΩ-Thermistors bei einer Spannung von 2,4 Volt am Spannungsteiler. (Bildquelle: Bonnie Baker, berechnet und gezeichnet anhand von Widerstandswerten von Murata)

In Abbildung 3 verläuft die Kennlinie des in Reihe geschalteten Thermistorsystems über einen begrenzten Temperaturbereich von etwa 0 °C bis +50 °C linear. In diesem Bereich beträgt der Delta-Temperaturfehler ±1 °C. Der Wert des Linearisierungswiderstands (R₂₅) sollte dem Wert des Thermistors am Mittelpunkt des Temperaturbereichs entsprechen, der von Interesse ist.

Diese Schaltung erfordert üblicherweise eine Präzision von 12 Bit über einen Temperaturbereich von ±25 °C mit einer Nenntemperatur des Thermistors von R₂₅.

USB-basierte Temperaturüberwachung

Der Signalweg in der Schaltungslösung beginnt mit dem kostengünstigen 4,7kΩ-Thermistor gefolgt von einem kostengünstigen Mikrocontroller ADuC7023 von Analog Devices. In den Mikrocontroller sind vier 12-Bit-Digital/Analog-Wandler (DACs), ein mehrkanaliger 12-Bit-ADC mit sukzessiver Approximation (SAR, Successive Approximation Register) und eine interne Referenzspannung von 1,2 Volt integriert. Außerdem integriert sind ein ARM7^®-Kern, 126 KB Flash, 8 KB SRAM und verschiedene digitale Peripheriebausteine wie etwa ein UART, Timer, eine SPI und zwei I²C-Schnittstellen (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die Temperaturmessschaltung wird über einen USB-Anschluss mit Strom versorgt und die digitale Kommunikation erfolgt über die I²C-Schnittstelle des Mikrocontrollers ADuC7034. (Bildquelle: Analog Devices)

In Abbildung 4 erfolgen Stromversorgung und Erdung in Gänze über die USB-Schnittstelle mit vier Adern. Der lineare Low-Dropout-Regler ADP3333ARMZ-5-R7 von Analog Devices verwendet die 5-Volt-USB-Spannungsquelle, um eine Ausgangsspannung von 3,3 Volt zu erzeugen. Der geregelte ADP3333-Ausgang liefert die DVDD-Spannung für den ADuC7023. Die AVDD-Versorgungsspannung des ADuC7023 erfordert eine zusätzliche Filterung (siehe Abbildung). Der lineare Regler verfügt außerdem über einen Filter zwischen der USB-Versorgung und dem IN-Pin.

Der Austausch von Temperaturdaten erfolgt ebenfalls über die USB-Schnittstellenpins D+ und D-. Der ADuC7023 kann zum Übertragen und Empfangen von Daten das I²C-Protokoll nutzen. Diese Anwendungsschaltung verwendet die I²C-Schnittstelle mit zwei Adern, um Daten zu übertragen und Konfigurationsbefehle zu empfangen.

Diese Anwendung verwendet folgende ADuC7023-Funktionen:

• Einen 12-Bit-ADC mit SAR.
• Einen Arm ARM7TDMI mit SRAM. Ein integrierter Flash-Speicher mit 62 KB führt den Benutzercode aus, der den ADC konfiguriert und regelt, die Kommunikation über die USB-Schnittstelle verwaltet und die Umwandlungen des ADC vom Thermistor verarbeitet.
• Die I²C-Anschlüsse stellen die Kommunikationsschnittstelle zum Host-PC dar.
• Zwei externe Schalter/Tasten (nicht abgebildet) erzwingen den Flash-Boot-Modus der Komponente: Durch Gedrückthalten von DOWNLOAD und betätigen des Schalters RESET wechselt der ADuC7023 vom normalen Benutzermodus in den Boot-Modus. Der interne Flash-Speicher kann im Boot-Modus über die USB-Schnittstelle mithilfe des Software-Tools I2CWSD der Komponente neu programmiert werden.
• VRAF ist die Bandlückenreferenz. Diese Referenzspannung steht für andere Schaltungsreferenzen im System zur Verfügung. An diese Pins wird zur Rauschunterdrückung ein Kondensator mit mindestens 0,1 Mikrofarad (μF) angeschlossen.

Da der ADuC7023 in einem chipgroßen Gehäuse mit 32 Pins und kleinem Formfaktor (5 mm x 5 mm) untergebracht ist, findet die gesamte Schaltung auf einem extrem kleinen Bereich einer Platine Platz, wodurch Kosten und Platz gespart werden.

Der ADuC7023 stellt trotz des leistungsstarken ARM7-Kerns und dem Hochgeschwindigkeits-ADC mit SAR eine energieeffiziente Lösung dar. Die gesamte Schaltung verbraucht üblicherweise 11 Milliampere (mA), wobei der ARM7-Kern mit 5 Megahertz (MHz) läuft und der primäre ADC die Werte vom externen Thermistor misst. Der Mikrocontroller und/oder der ADC können zwischen den Temperaturmessungen abgeschaltet werden, um den Stromverbrauch noch weiter zu senken.

Überlegungen zum Layout

Das Signalverarbeitungssystem aus Abbildung 4 ist komplexer als es den Anschein macht. Aus der Vogelperspektive betrachtet umfasst dieses System lediglich drei aktive Komponenten. Verborgen in den Tiefen dieser Einfachheit lauern jedoch einige interessante Layoutprobleme.

Der Mikrocontroller ADuC7023 etwa ist ein komplexes analoges und digitales System, das besondere Aufmerksamkeit in Bezug auf die Erdung erfordert. Obwohl dieses System im analogen Bereich „langsam“ erscheinen mag, handelt es sich bei seinem integrierten Track-and-Hold-ADC um eine schnelle Mehrkanal-Komponente mit einer Abtastrate von 1 Million Samples pro Sekunde und einer maximalen Taktfrequenz von 41,78 MHz. Die Anstiegs- und Abfallzeiten des Takts in diesem System beträgt nur wenige Nanosekunden. Durch diese Geschwindigkeiten platziert sich diese Anwendung in einer Hochgeschwindigkeitskategorie.

Mischsignalschaltungen erfordern zweifelsohne besondere Aufmerksamkeit. Hier ist eine Checkliste mit vier Punkten, die die wichtigsten Aspekte umfassen:

1. Verwendung von Elektrolytkondensatoren
2. Auswahl des kleineren Kondensators
3. Überlegungen zur Massefläche
4. Optionale kleine Ferritkerne

Ein großer Elektrolytkondensator wird üblicherweise mit einem Wert von 10 mF bis 100 mF verwendet und üblicherweise nicht weiter als etwa fünf Zentimeter vom Chip entfernt platziert. Diese Kondensatoren fungieren als Ladungsspeicher, um den unmittelbaren Ladungsanforderungen gerecht zu werden, die durch die Induktivität der Leiterbahnen verursacht werden.

Die kleineren Kondensatoren in der Schaltung, deren Werte üblicherweise zwischen 0,01 mF bis 0,1 mF liegen, werden so nahe wie möglich an den Stromkontakten der Komponente platziert. Zweck dieser Kondensatoren ist es, hochfrequentes Rauschen schnellstmöglich zur Masse abzuleiten.

Die Massefläche, die sich unterhalb der Entkopplungskondensatoren befindet, entkoppelt hochfrequente Ströme und minimiert EMI-/RFI-Emissionen. Es sollte sich dabei um einen großen Bereich mit geringer Impedanz handeln. Um die Induktivität zu minimieren, erfolgt die Verbindung von Kondensator und Masse über eine kurze Leiterbahn.

Neben den Entkopplungskondensatoren in Abbildung 4 erfordert der EMI-/RFI-Schutz für das USB-Kabel den Einsatz von Ferrit. In dieser Schaltung werden die BK2125HS102-T-Ferritkerne von Taiyo Yuden mit einer Impedanz von 1000 Ω bei 100 MHz verwendet.

Fazit

Temperatursensor zählen zu den am weitesten verbreiteten Sensoren. Dennoch stellen Designanforderungen die Entwickler weiterhin vor die Herausforderung, die Kosten und die Größe zu verringern und dabei gleichzeitig die Messgenauigkeit zu erhöhen. Unter Berücksichtigung dieser Überlegungen beschreibt dieser Artikel die Implementierung eines energieeffizienten Thermistorsystems auf USB-Basis, in dem ein kleiner 12-Bit-ADC und der ultrapräzise Mikrocontroller ADuC7023 von Analog Devices zum Einsatz kommen. Die Kombination setzt erfolgreich auf einen Widerstand, um einen NTC-Thermistor mit nichtlinearem Verhalten zur exakten Temperaturmessung und -überwachung zu verwenden.