Temperatursensor

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Will man mit einem Mikrocontroller Temperaturen messen, dann braucht man

  • einen Sensor, der die Temperatur z.B. in eine Spannung oder einen Strom umwandelt
  • einen AD-Wandler, der das Signal digitalisiert. Der kann auf dem Sensor oder dem Mikrocontroller integriert sein.

Temperatursensoren gibt es nun in allen möglichen Varianten. Vom temperaturabhängigen Widerstand bis zum fertig abgeglichenen All-in-one-Bauteil mit digitalem Ausgang. Wie bei allen Sensoren sollte man auch hier genau hinschauen und Auflösung und Genauigkeit unterscheiden.

Analoge Temperatursensoren

PT100

Unter einem PT100 versteht man einen Platinwiderstand, der bei 0°C einen Widerstand von 100 Ohm hat. Platinwiderstände sind temperaturabhängige Widerstände mit hoher Wiederholgenauigkeit und Konstanz. Wegen der relativ geringen Widerstandsänderung von nur ca. 0,4 Ohm pro Grad ist etwas mehr Schaltungsaufwand erforderlich als bei anderen Sensoren. Genauere Formeln zur Temperaturbestimmung gibt es u.a. bei der Wikipedia. Einen Schaltplan findet sich bei der c't.

Die Sensoren gibt es auch mit anderen Widerstandswerten, z.B. mit 1000Ω und heißen dann entsprechend PT1000.

Vorteil:

  • genormt
  • hohe Linearität
  • hohe Wiederholgenauigkeit
  • einfach austauschbar

Nachteil:

  • relativ teuer (bei segor.de ab 3,80€)
  • brauchen aufwendigere Auswerteschaltung

Links:

NTC/PTC

NTC und PTC sind temperaturabhängige Widerstände.

  • NTC (engl. Negative Temperature Coefficient, Heißleiter), hat bei hohen Temperaturen seinen niedrigsten Widerstand, z.B. Silizium
  • PTC (engl. Positive Temperature Coefficient, Kaltleiter), hat bei niedrigen Temperaturen seinen geringsten Widerstand, z.B. Glühlampe

Um den Widerstandswert zu messen schaltet man sie mit einem normalen Widerstand oder einer Konstantstromquelle in Reihe zu einem Spannungsteiler und misst den Spannungsabfall. Eine Beispielschaltung findet sich hier.

Vorteil:

  • billig (Reichelt 0,29 €)

Nachteil:

  • müssen abgeglichen werden
  • brauchen A/D-Wandler
  • sind nichtlinear

Links:

LMx35

Eine IC-Familie die pro Kelvin Temperaturänderung seine Ausgangsspannung um 10mV ändert. Die ICs gibt es in verschiedenen Genauigkeiten und Temperaturbereichen mit den Bezeichnungen LM135(A), LM235(A) und LM335(A). Der günstigste ist der LM335 mit einem Temperaturbereich von -40 ... +100°C. In verschiedenen Bauformen erhältlich. Beispielschaltungen finden sich im Datenblatt und hier

Vorteile:

  • hat auch ohne Kalibrierung eine Genauigkeit von einem Grad (bei 25°C)
  • relativ billig (LM335 bei Reichelt ab 0,87 €)

Nachteile:

  • benötigt A/D-Wandler
  • bei längerer Anschlussleitung störanfällig

LM334

Ein IC ähnlich dem LM335 mit dem Unterschied, dass der durch das IC fließende Strom proportional von der Temperatur abhängt. Mit einer einfachen Schaltung aus nur zwei Widerständen kann man dann den Strom in einer Weise wandeln, dass pro Kelvin eine Sapnnungsänderung von 10mV ausgegeben wird. Da die Strom-Spannungswandlung auf der Platine (und damit nahe am AD-Wandler) stattfindet und die Übertragung des Messwerts durch einen Strom stattfindet, sind Störungen durch Netzbrumm etc. viel geringer als beim LM335

Vorteile:

  • hat auch ohne Kalibrierung eine Genauigkeit von einem Grad (bei 25°C)
  • relativ billig (Reichelt 0,90 €)

Nachteile:

  • benötigt A/D-Wandler
  • Bereich 0°C-70°C

Ähnliche ICs:

  • AD592 (Ausgangsstrom 1µA pro Kelvin, absolute Temperatur) Conrad 174912 8,50€

SMT160-30

Ist ein Zwischending zwischen Digital und Analog. Sein Ausgangssignal ist ein digitales PWM-Signal, zu dessen Messung man am besten den Input-Capture-Eingang eines Mikrocontrollers verwendet. Man kann ihn also wie einen analogen Sensor nur indirekt auslesen, anstatt über einen AD-Wandler hier über einen Timer.

Vorteile:

  • Digitales PWM-Signal ist unempfindlich gegen Störeinflüsse
  • gibt es in SO8, TO18, TO92 und TO220, gut befestigbar, z.B am Kühlkörper
  • linear
  • kein Abgleich nötig

Nachteile (viele):

  • benötigt Timer
  • jittert extrem, genaue Messungen nur über Mittelung / Filterung möglich
  • nicht nur das PWM-Verhältnis, sondern auf die Frequenz ist temp-abhängig (1-4kHz)
  • teuer (Farnell 10,90€ +16%, Conrad 9,xx€ , www.hy-line.de ??).
  • TO92 Gehäuse ist günstiger, dafür weniger genau

Links:

Thermoelement

Ein Thermoelement besteht im einfachsten Fall aus zwei ungleichen Metallendrähten, die an einem Punkt miteinander verbunden sind und bei dem die Verbindungsstelle einer anderen Temperatur ausgesetzt ist als die offenen Enden der Drähte. An den offenen Enden der Drähten entsteht eine Spannung (Thermospannung). Dieser Effekt wurde 1821 von Thomas Seebeck entdeckt (Seebeck-Effekt bei Wikipedia). Eine weitere Anwendung ist der thermoelektrische Generator ("Thermogenerator").

Vorteil:

  • über einen sehr weiten Temperaturbereich einsetzbar

Nachteil:

  • die sehr geringen Temperaturspannungen im Mikrovoltbereich benötigen eine sehr gute Auswertelektronik (guter Analogteil + AD-Wandler).

Links:

Digitale Temperatursensoren

DS1621

Der DS1621 ist Temperatursensor und A/D-Wandler in einem. Er gibt seine Daten per I²C-Bus aus. Ein Schaltplan für einen elektronischen Thermometer mit diesem IC findet sich hier.

Vorteile:

  • bereits kalibriert
  • kein A/D-Wandler nötig
  • da I²C ein Bus ist, kann man mehrere DS1621 und andere I²C-Bausteine zusammen anschließen und braucht dafür trotzdem nur zwei I/O-Ports.
  • Genauigkeit +-0,5°
  • Auflösung besser 0,01°, wenn man die beiden Zählerregister (Count-Remain und Count-per-C) auswertet

Nachteile:

  • teuer (Segor 5,80€; RS 3,95€; Conrad 4,99€)
  • trotzdem die meisten Register nichtflüchtig sind, kann man ihn nicht als Stand-Alone-Thermostat einsetzen, da er erst nach einem Start-Conversion-Befehl zu messen beginnt.

Nachfolger:

  • DS1631, DS1631A (Auto-Start-> Stand-Alone-Thermostat), DS1731
  • weitere Stand-Alone-Thermostaten: DS1821, DS1629

LM75

Der LM75 ist so ähnlich wie der DS1621, allerdings nur in SMD erhältlich und nicht so genau. Er ist aber öfters mal auf PC-Mainboards zu finden, so dass man beim Schlachten eines solchen günstig an einen Temperatursensor kommen kann. Einen Schaltplan findet man hier.

Vorteile:

  • bereits kalibriert
  • kein A/D-Wandler nötig
  • I²C-Bus Ausgang
  • billiger als DS1621 (Reichelt 2,10 €; RS 3V: 3,75€; 5V: 2,72€)

Nachteile:

  • nur im SMD-Gehäuse erhältlich
  • relativ ungenau (+-2°), kann man jedoch kalibrieren / kompensieren

Kompatible Typen:

  • AD7415ART

DS18S20 / DS18B20

Der DS18S20 (Nachfolger des DS1820) und DS18B20 sind scheinbar Temperatursensoren und A/D-Wandler in einem. Wenn man genauer hinschaut, stellt man fest, dass es sich um direktwandelnde Sensoren handelt. Die Temperatur wird ohne Umweg über eine analoge Zwischengröße (Spannung oder Strom) in ein digitales Signal überführt. Die Datenkommunikation erfolgt über ein 1-Wire-Interface, wodurch man am Mikrocontroller mit nur einen einzigen I/O-Pin auskommen kann. Außerdem beherrschen sie die parasitäre Stromversorgung, d.h. man braucht für Daten und Stromversorgung zusammen nur zwei Leitungen. Der DS18B20 hat 12 Bit Auflösung gegenüber 9 Bit Auflösung beim DS18S20.

Vorteile:

  • bereits kalibriert
  • Genauigkeit +-0,5°
  • 1-Wire-Ausgang

Nachteil:

Links:

DS1921 / DS1922

Sind wie die DS1821 1-wire-Sensoren mit zusätzlicher Logging-Funktion. Im iButton-Gehäuse befindet sich eine Lithium-Zelle, eine RTC, CMOS-RAM und der Temp-Sensor. Nach umfangreicher Progammierung startet der Button seine Mission (Aufzeichnung des Temperaturverlaufs). Gibt es auch mit zusätzlicher Feuchtemessung (DS1923).

SHT1x/SHT7x

Der SHT1x/SHT7x (SHT10, SHT11, SHT15, STH71, SHT75) sind kombinierte Temperatur- und Feuchtesensoren von Sensirion. Sie unterscheiden sich in Bauform und Genauigkeit.

Vorteile:

  • digitale Schnittstelle mit einfacher I²C-ähnlicher Ansteuerung
  • keine Kalibrierung notwendig
  • Beispielcode (C, MC51) auf der Sensirion-Seite verfügbar (relativ leicht portierbar)
  • interne Heizelemente (Funktionsprüfung, "rauhe" Umgebung)
  • Spannungsmonitor ("Battery fail")

Nachteile:

  • kann nicht am I²C Bus betrieben werden, theoretisch gleiche Clockleitung möglich, fixe Adresse
  • relativ teuer (Farnell 18,60€)
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