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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Dioden als Temperaturfühler


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Autor: HaraldDräger (Gast)
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Hallo,

dass man Dioden als Temperaturfühler einsetzen kann, dürfte ja bekannt 
sein.

Bei Änderung der Temperatur ändert sich die Höhe der Flußspannung und 
das läßt sich z.B. mit einem µC über den ADC einsampeln und auswerten.

Was mich interessieren würde, gibt es Dioden, die besonders gut für 
Temperaturmessungen um die Raumtemperatur herum geeignet sind (25°C 
plus/minus 10K), weil sie in diesem Bereich eine besonders hohe 
temperaturabhängige Änderung der Flußspannung erfahren?

Zur Auswahl stehen
-Ge-Diode
-Si-Diode
-Schottky-Diode
-diverse Leuchtdioden
-...
(bitte gegebenenfalls Liste fortführen)


Mir ist klar, dass es Temperatursensoren fertig zu kaufen gibt - mich 
würde trotzdem interessieren, welche Diodenart am besten geeignet ist.
Dem Gefühl nach tippe ich auf die Ge-Diode.

Autor: Erich (Gast)
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Meinem Gefühl nach hast du noch etliche weitere Diodenarten vergessen:
Z-Dioden
Tunneldioden
Fotodioden
usw.
Entweder selbst langwierige Versuchsreihe machen mit allen Kandidaten,
oder für wenig Geld einen MCP9700A kaufen.
Gruss

Autor: MaWin (Gast)
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Alle Halbleiter folgen der exponentiellen Funktion

 n ( T ) = n ⋅ 0 exp( − Eg ) / 2 ⋅ k ⋅ T

sind also prozentual gleich. Je reiner das Material, je geringer der 
Fehler, das spricht für Silizium. Für 1 GradC ist aber auch das zu 
ungenau. Temperatursensoren beispielsweise auf Chips zur Messung der 
Chiptemperatur werden eher mit einer Toleranz von 5 GradC angegeben.

Autor: Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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HaraldDräger schrieb:
> dass man Dioden als Temperaturfühler einsetzen kann, dürfte ja bekannt
> sein.
Aber man macht es nicht, weil jede Diode anders ist. Und deshalb 
jedesmal eine aufwändige Zweipunktkalibrierung nötig ist...

> gibt es Dioden, die besonders gut für Temperaturmessungen um die
> Raumtemperatur herum geeignet sind (25°C plus/minus 10K)
Was ist denn dein eigentliches Problem?

Autor: Joerg L. (Firma: 100nF 0603 X7R) (joergl)
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Für sowas gibts auch fertige Bausteine.
Vorne Diode (oder besser: Transistor) ran, hinten Temperatur über I2C 
auslesen. Fertig.
http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/1402.pdf
Zu diesem Chip gibt es Menge AppNotes, da ist genau erklärt, warum man 
die BE-Strecke eines Transistors nehmen sollte, und nicht "nur" eine 
Diode.
Die im Datenblatt beschriebene Genauigkeit wird auch erreicht, habe das 
Ding mal von -20 bis +120°C mit einem Thermoelement-Thermometer 
verglichen.
Happy reading!

Autor: Achim H. (anymouse)
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Da gibt es unterschiedliche Prozesse/Kennwerte am pn bzw. 
Schottky-Übergang. Einige davon haben stärkere, andere schwächere 
Temperaturkennwerte, manche mit positivem, manche mit negativem 
Vorzeichen.

Die Durchflusspannung (bei konstantem Strom) soll ungefähr linear (in 
erster Näherung) zur Temperatur sein, hier gilt D(Ge) = 2,3 mV/K, D(Si) 
= 3,6 mV/K.

Der Sperrsättigungsstrom hängt (in Näherung) exponentiell vom 
Temperaturunterschied zu 300K ab:

und

Auch hier wäre Si besser zum Detektieren.

Das bei Z-Dioden Zener- und Avalanche-Effekt so gegeneinander auswirken 
können, dass die Sättigungssperrspannung recht temperaturunabhängig 
werden kann, sollte bewußt sein.

--

Das Problem bei Dioden dürfte sein, dass die Effekte (a) recht klein und 
(b) sehr exemplarabhängig sein dürften, also man höhstens 
Temperaturunteschiede, schlecht aber absolute Temperaturwerte bestimmen 
kann. Man muss also für jedes Exemplar die Anzeige kalibrieren.

: Bearbeitet durch User
Autor: Harald W. (wilhelms)
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HaraldDräger schrieb:

> Was mich interessieren würde, gibt es Dioden, die besonders gut für
> Temperaturmessungen um die Raumtemperatur herum geeignet sind (25°C
> plus/minus 10K), weil sie in diesem Bereich eine besonders hohe
> temperaturabhängige Änderung der Flußspannung erfahren?

Wie bereits gesagt: Die Änderung der Flussspannung ist überall gleich.
Wegen des geringen Sperrstroms würde ich eine Si-Diode bzw. eine Diode
aus einem Si-Transistor nehmen. Man kann die Genauigkeit übrigens
enorm steigern, wenn man die Flussspannung mit zwei verschiedenen
Strömen misst. Dann kann man den exemplarabhängigen Bahnwiderstand
nämlich herausrechnen. :-) In den achtziger Jahren gab es da mal
einen interessanten Schaltvorschlag (keine Bauanleitung) in der
Elektor. Leider weiss ich nicht mehr, in welchem Heft es stand.
Die Meßtoleranz liess sich dann auf wenige zehntel Grad herunter-
drücken.
Gruss
Harald

Autor: Gerry (Gast)
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Harald Wilhelms schrieb:

> Wie bereits gesagt: Die Änderung der Flussspannung ist überall gleich.
> Wegen des geringen Sperrstroms würde ich eine Si-Diode bzw. eine Diode
> aus einem Si-Transistor nehmen. Man kann die Genauigkeit übrigens
> enorm steigern, wenn man die Flussspannung mit zwei verschiedenen
> Strömen misst. Dann kann man den exemplarabhängigen Bahnwiderstand
> nämlich herausrechnen. :-)

Genau, das Verfahren nennt sich Delta-Vbe Messung.
Von Analog Devices gibts ein Dokument, welches dieses Verfahren on-Chip 
beschreibt.
Google nach "Measuring temperatures on computer chips with speed and 
accuracy" und such darin nach delta Vbe.

Gerry

Autor: Achim H. (anymouse)
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Harald Wilhelms schrieb:
> Man kann die Genauigkeit übrigens
> enorm steigern, wenn man die Flussspannung mit zwei verschiedenen
> Strömen misst.

Das macht das erwähnte Bauteil von

Joerg L. schrieb:
> Für sowas gibts auch fertige Bausteine.
> Vorne Diode (oder besser: Transistor) ran, hinten Temperatur über I2C
> auslesen. Fertig.
> http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/1402.pdf
> Zu diesem Chip gibt es Menge AppNotes, da ist genau erklärt, warum man
> die BE-Strecke eines Transistors nehmen sollte, und nicht "nur" eine
> Diode.

Autor: HaraldDräger (Gast)
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Danke für die vielen Antworten und die Formeln!

Ich hatte mal einen Temperaturfühler mit einer 1N4148 aufgebaut - die 
temperaturabhängige Änderung/Temperaturauflösung war allerdings etwas 
gering.

Deshalb kam mir die Frage oben in den Sinn.


Lothar Miller schrieb:
>> gibt es Dioden, die besonders gut für Temperaturmessungen um die
>> Raumtemperatur herum geeignet sind (25°C plus/minus 10K)
> Was ist denn dein eigentliches Problem?

Theoretische Klärung der Frage oben. Es steckt kein Bauprojekt dahinter.

Autor: Olaf (Gast)
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Wie MaWin schon erklärt hat, es macht normalerweise keinen Sinn.
Ich kenne eigentlich nur zwei Ausnahmen.

1. Wenn die Diode/Transistor in einem IC integriert ist und ich direkt 
vor Ort messen möchte.

2. Wenn ich als Diode einen Transistor verwende der ein grosses Gehäuse 
hat das ich direkt irgendwo anschrauben kann. Das ist manchmal ganz 
praktisch.

Olaf

Autor: Harald W. (wilhelms)
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HaraldDräger schrieb:

> Ich hatte mal einen Temperaturfühler mit einer 1N4148 aufgebaut - die
> temperaturabhängige Änderung/Temperaturauflösung war allerdings etwas
> gering.
>
> Deshalb kam mir die Frage oben in den Sinn.

Passende Schaltungen mit Digitalanzeige, allerdings ohne Delta-I
findet man in jedem besseren Datenblatt für den 7106.
Gruss
Harald

Autor: nochwas (Gast)
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>Ich hatte mal einen Temperaturfühler mit einer 1N4148 aufgebaut - die
temperaturabhängige Änderung/Temperaturauflösung war allerdings etwas
gering.


Ein Frage der Sichtweise. Ein Typ-K Thermoelement bringt 40uV/K und ist 
von -196 Grad bis 1000 Grad oder so brauchbar. Fuer Temperaturmessungen 
sollte man sich relativ schnell von den controllerinternen 10Bit 
wandlern loesen.

Autor: Ulrich (Gast)
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So schlecht sind Dioden als Sensor nicht. Mit dem Delta VBE-Verfahren 
kommt man im Prinzip ganz ohne Kalibrieung aus. Man misst halt den Wert 
kT/e. Was für eine Diode man da nutzt ist im Prinzip egal, wenn sie sich 
wie eine Ideale Diode verhält - so etwas wie einer Transistor ist das 
schon nicht so weit von entfernt - unabhängig vom genauen Typ und 
Hersteller. Allerdings ist die Auswertung etwas aufwendiger.

Einfach nur die Abhängigkeit der Flussspannung von der Temperatur 
braucht wenigstens eine 1 Punkt Kalibrierung - auch hier hat man im 
Normalfall noch einen festen Punkt, weitgehend unabhängig vom Typ, 
nämlich die Extrapolation zu 0 K.

Als Typen sind vor allen die Si Typen im Glasgehäuse (etwa 1N4148) 
passend. Alternativ halt kleine Transistoren, ggf. auch im TO126 wegen 
der Möglichkeit zum anschrauben. Ge Typen sind schon wegen der Alterung 
ungeeignet.

Für tiefe Temperaturen (etwa 1..100 K)  werden Dioden auch tatsächlich 
als Sensor genutzt, allerdings dann mit individueller Kalibrierung.

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