Messen und Regeln von Temperaturen mit Halbleitern

Welchen Sensor nimmt man wann?
Ein kurzer Ratgeber

Auf der Seite über das Messen von Temperaturen mit Halbleitern werden der LM35 und die Familie der LMx35 vorgestellt. Außerdem wird gezeigt, wie man Temperaturen mit einem npn-Transistor messen kann und es wird auch die KTY-Baureihe an PTC-Elementen angesprochen.

Wenn man vor einer konkreten Auswahl steht, welches Bauteil man für seine konkrete Messaufgabe auswählen soll, findet man dort keine konkreten Hinweise.

Hier ein paar Hinweise und Überlegungen.

Ein paar Anmerkungen zu den KTYs: Hier wird kein Halbleitereffekt, sondern die Änderung des metallischen Widerstands von Silizium bei Temperaturänderung benutzt. Der Koeffizient beträgt 0,79 %/K @ 25 °C. Haben wir bei den oben genannten Teilen als Signal eine temperaturabhängige Spannungsänderung, so muss man diese Spannungsänderung durch einen Strom durch den KTY erzeugen.

Hier eine Kurve, z. T. basierend auf den Tabellenwerten im npx-Datenblatt der KTY81.

In Braun ist der Widerstandsverlauf aufgetragen. Dieser ist leider nicht linear. Es gibt Methoden, diesen Verlauf durch Einbau des KTY81 in ein Widerstandsnetzwerk zu linearisieren, diese werden hier nicht vorgestellt. Eine umfangreiche Anleitung und viel über die interne Technologie enthält ein Text (in Englisch) von nxp/Philips.

Die Linie in Rot zeigt die Steigung in V/K, berechnet aus dem Wert des Widerstandsverlauf und einer Belastung mit einem Messstrom von 1 mA. Es ist eigentlich das Differential dR/dT x 1 mA. Dafür gilt die rechte Achse. Interessant ist, dass die Werte zum größten Teil hoch sind.

In Gelb ist zum Vergleich die "Kennlinie" eines LMx35 / LM35 gezeigt, die konstant 10 mV/K beträgt.

Die grüne gestrichelte Linie ist die Steigung, genau genommen der Absolutwert davon, eines Transistors. Diese beträgt -2 mV/K und müsste eigentlich unter der X-Achse aufgetragen werden. Außerdem ist sie nicht so linear wie gezeigt. Es soll hier nur die Größenordnung gezeigt sein.

Nun gilt in der Messtechnik eine Regel (neben anderen): Ein guter Sensior hat eine hohe Empfindlichkeit. Hier sieht man z. B. bei 50 °C: der KTY81-2xx zeigt reagiert mit 17,5 mV/K, ein LMx35 mit 10 mV/K und ein Transistor mit -2 mV/K. Das sind große Unterschiede für einen gegebenen Temperaturwert!

Genau das lässt sich bei einer Temperaturregelung gut ausnutzen.

Gezeigt wird das hier mit der Version 2 der Temperaturregelung eines Quarzofens:

Die Brückenschaltung ist blau unterlegt, der benutzte KTY ist rot hervorgehoben. Die Funktion der Schaltung ist auf der Quarzofenseite detailliert beschrieben. Man achte aber auf den Wert des Reihenwiderstands R4, der hier deutlich niedriger ist (hier 595R gegenüber 3k3, wie dort empfohlen!). Dadurch fließt ein wesentlich höherer Strom (die max. 1 mA wie empfohlen) und damit ist auch die Steigung (Ausbeute in mV/K) deutlich höher.

Das Ergebnis ist eindeutig: Das Leuchten/Nichtleuchten der LED meldet den funktionierenden Regler. Es wird geregelt geheizt  Aber die Spannung über dem KTY steht fest, auch einem 4 1/2-stelligen DVM lässt sich keine Änderung in der letzten Stelle sehen. Der Regler reagiert also auf geringste Temperatur-  und Widerstandsänderungen, die an den Eingängen des OPVs Spannungsänderungen im µV-Bereich hervorrufen, die zum Betrieb ausreichen.

Für solche Zwecke ist ein KTY also ein sehr gut geeignetes Teil. Für eine feste Temperatur.

Ein weiterer Vorteil kann sein, dass ein KTY sich wie ein "normaler" Widerstand verhält, er kann irgendwo und irgendwie in eine Schaltung eingebaut sein. Er kann die Antwort auf die "Weniger Teile, weniger Ärger" Forderung sein, denn man könnte mit Verstärkungsstufen auch die Steigung eines LMx35 oder Transistors verstärken. Man könnte!

Wenn es aber um einen großen Temperaturbereich wie z. B. den Mess-Vorsätzen zum Temperaturmessen geht, oder vielleicht um einen Regler mit einem weit einstellbaren Temperaturbereich, dann könnte ein LMx35 geeigneter sein.

Version: 1.03  Copyright: Rolf Süßbrich, Dortmund, 08.12.2015