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PTC/NTC

aus RN-Wissen, der freien Wissensdatenbank

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


Inhaltsverzeichnis

NTCs

Typische Bauform
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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:


Bild:ntcdiagramm.gif


Temperaturabhängigkeit

Mithilfe eines NTCs lässt sich ein einfacher Temperatursensor bauen. Bildet der Heißleiter einen Spannungsteiler mit einem konstanten Widerstand, so lässt sich die geteilte Spannung mithilfe eines Microcontrollers messen, wodurch auf den Widerstand des NTCs geschlossen werden kann.
Der Heißleiter ändert seinen elektrischen Widerstand nicht linear. Jedoch kann die Temperatur auch rechnerisch ermittelt werden. Es gilt:

T ~ 1/ln(R)

Bei Einbeziehung der Aktivierungsenergie, der Nenntemperatur (meist 25¬įC), und des Nennwiderstandes bei Nenntemperatur gilt folgende Funktion:

T(R) = T_N * B / (B + T_N * ln(R / R_N))

Wobei T die momentane Temperatur, T_N die Nenntemperatur (in Kelvin), R der Widerstand des Hei√üleiters und R_N den Nennwiderstand darstellt. Bei B handelt es sich um eine Materialkonstante, die vom Herrsteller im Datenblatt angegeben wird. Bei Implementierung der Funktion in ein Programm f√ľr den Microcontroller m√ľssen umbedingt die Datentypen ber√ľcksichtigt werden!

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

Das Erg√§nzen ist also ausdr√ľcklich gew√ľnscht! Besonders folgende Dinge w√ľrden noch fehlen:

Erbitte Implementierung der Gleichungen (Unbekannter Parserfehler)


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 n√§herungsweise linearer Kennlinie und dann welche mit stark nichtlinearer Kennlinie. Die linearen Typen (z.B. KTYxx Reihe) oder Platinwiderst√§nde (z.B. PT100, PT1000 ) sind mehr f√ľr die Temperaturmessung gedacht. Recht beliebt sind die PTCs der KTYxx-Reihe z.B. der KTY81-110. Sie sind sehr g√ľnstig (ca. 0,50‚ā¨) und bieten f√ľr die meisten Anwendungen eine ausreichende Genauigkeit.

F√ľr h√∂here Anforderungen an den Messbereich (je nach Typ von -260 ... 850 ¬įC) oder die Genauigkeit gibt es Platin-Widerst√§nde zur Temperaturmessung. Auch hier ist der Temperaturkoeffizient positiv (0,38 %/K bei Raumtemperatur). Am h√§ufigsten findet man hier Widerst√§nde von 100 Ohm (PT100) und 1000 Ohm (PT1000). Diese sind jedoch relativ teurer (je nach Typ und Bezugsquelle und Qualit√§t ab etwa 3 ‚ā¨).

Die stark nichtlinearen Typen sind mehr als √úbertemperaturschutz oder als selbst r√ľckstellende Sicherung geeignet. Auch dazu ein Beispieldiagramm f√ľr einen nicht linearen PTC:


Bild:Ptcdiagramm.GIF

Einatzmöglichkeiten

Mit NTCs und PTCs lassen sich in "normalen" Bereichen (das hei√üt hier kleiner etwa 200 ¬įC) g√ľnstig Temperaturen messen. Dieses Gebiet umfasst alles vom kleinen digitalen Fieberthermometer √ľber die verschiedenen Anzeigeinstrumente (wie Wetterstationen und KFZ-Elektronik) bis hin zu kompletten Heizungs- und Klimasteuerungen in Geb√§uden.

Daneben gibt es auch Anwendungen bei denen es nicht um eine eigentliche Messung geht: spezielle NTCs werden z.B. bei Netzteilen als Einschaltstrombegrenzer genutzt. Hier wird die Eigenerwärmung als gewollter Effekt mit genutzt.

Temperaturmessung mit PTC

Um aus der Widerstands√§nderung am Sensor eine passende Spannung zu erzeugen gibt es verschieden M√∂glichkeiten. 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 wesentliche Nachteile: Eine gute Konstantstromquelle ist aufwendig, und man hat dann 2 Referenzen im System und damit unn√∂tige Fehlerquellen. F√ľr eine Widerstandsmessung ist ein Widerstand als Vergleichswert besser und einfacher als das Verh√§ltnis von einer Spannungsquelle und einer Stromquelle. Daf√ľr gibt es im wesentlichen 3 M√∂glichkeiten:

1) Der selbe Strom flie√üt durch den Sensor und den Vergleichswiderstand. Die Spannung an Vergleichswiderstand wird als Referenz f√ľr den AD Wandler benutzt, die Spannung am Sensor wird gemessen. Dieses Verfahren ist vor allem mit hochaufl√∂senden AD Wandlern mit Differenzeing√§ngen (z.B. LTC2440) sinnvoll.

2) Der selbe AD Wandler misst nacheinander die Spannung am Sensor und Vergleichswiderstand. Daf√ľr braucht man 2 Eing√§nge mit Differenzeingang.

3) Der Sensor und der Vergleichswiderstand bilden einen Spannungsteiler. Die Spannung √ľber den Spannungsteiler dient als Referenz f√ľr den AD-wandler. Anders als bei den beiden vorherigen M√∂glichkeiten ist das Ergebnis der AD Wandlung hier nicht mehr linear vom Widerstand abh√§ngig. Bei einem kleinen Messbereich und geringer Aufl√∂sung des AD's lohnt es sich ggf. den konstanten Teil der Spannung abzuziehen, damit der Wertebereich des AD Wandler weitgehend ausgenutzt werden kann. Die Schaltung ist dann eine Br√ľckenschaltung.

In allen 3 F√§llen muss der Strom nicht besonders stabilisiert sein und es wird keine stabile Referenzspannung f√ľr den AD ben√∂tigt. Es kommt nur auf das Spannungsverh√§ltnis an.

Beim Strom durch den Sensor muss ein Kompromiss zwischen gen√ľgend Spannung und der Eigenerw√§rmung des Sensors gefunden werden. Bei mehr als etwa 1 mW Verlustleistung am Sensor wird eine genaue Temperaturmessung schwierig. F√ľr genaue Messungen mit dem PT100 werden oft sogar 0,1 mW als Grenze angegeben, d.h der Strom liegt bei nur 1 mA.

Linearisierung

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

Um trotz der nicht linearen Kennlinie des Sensors ein linear von der Messgröße (Temperatur) abhängiges Ergebnis (Spannung oder Digitaler Wert) zu erhalten, bieten sich verschiedene Methoden an:

  • Man nutzt die Nichtlineare Kennlinie von Dioden. Wegen der Temperaturabh√§ngigkeit der Diodenkennlinie ist das aber schwierig und nur f√ľr sehr starke Nichtlinearit√§ten gerechtfertigt. F√ľr die schwache Nichtlinearit√§t der PTCs ist das Verfahren eher ungeeignet.
  • Man nutzt den nichtlinearen Zusammenhang zwischen Spannung und Widerstand beim Spannungsteiler, bzw. in einer Br√ľckenschaltung. Bei den Sensoren des Typs KTY81 wird mit einem 2,7kOhm-Widerstand in Reihe gerade eine relativ gute Kompensation der Nichtlinearit√§ten erreicht. Im Bereich von -40 ¬įC ... +140 ¬įC erscheint der PTC nun nahezu linear, der verbleibende Linearit√§tsfehler liegt bei etwa ¬Ī10 mV (f√ľr 5 V am Spannungsteiler). So einfach geht die Linearisierung allerdings nicht bei allen Sensoren.
  • Man √ľberl√§sst die Linearisierung den mathematischen F√§higkeiten eines Prozessors, z.B. einem ATMega-x, an dessen ADC der PTC angeschlossen ist. Das Verfahren ist sehr universell, ben√∂tigt aber einiges an Programmcode.

Schaltungsbeispiele

Br√ľckenschaltung

Bild:PT1000-Br√ľcke.png

Ein einfache, aber dennoch gute Auswerteschaltung ist eine Br√ľckenschaltung. Wegen der relativ kleinen Spannungs√§nderungen wird oft eine Verst√§rkung ben√∂tigt, vor allem beim Pt100 oder ‚ÄĒ Strom sparender ‚ÄĒ Pt1000. Bei den gezeigten Widerstandswerten reicht der Messbereich von etwa -25¬†¬įC bis +250¬†¬įC f√ľr 0 bis U+ (z.B. 5 V) am Ausgang. √úber die Widerst√§nde R2 und R3 kann der Bereich angepasst werden. Mit R3 = 20¬†kő© h√§tte man z.B. einen Messbereich von etwa -10¬†¬įC bis + 130¬†¬įC. Die Linearisierung erfolgt in der Regel digital hinter dem A/D-Wandler. Die Referenzspannung des A/D-Wandlers sollte U+ sein, f√ľr eine ratiometrische Messung. Wenn nur eine Versorgung (z.B. 5 V) zur Verf√ľgung stehen, sollte U+ an den Ausgangsbereich des OPs angepasst sein, also etwa 3 V f√ľr den LM358 (oder den besseren LT1013), oder der Operationsverst√§rker eine Rail-to-Rail-Typ (z.B. MCP6001) sein, wenn der AD mit der Versorgungsspannung als Ref. Arbeitet.

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

Das Erg√§nzen ist also ausdr√ľcklich gew√ľnscht! Besonders folgende Dinge w√ľrden noch fehlen:

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


Spannungsteiler

F√ľr NTC (Hei√üleiter) bietet sich ein einfacher Spannungsteiler an. Den Vorwiderstand dimensioniert man so, dass er etwa so gro√ü ist wie der Widerstandswert in der Mitte des gew√ľnschten Temperatur-Messbereiches. Die A/D-Wandlung erfolgt ‚Äěratiometrisch‚Äú mit dem vollen Speisespannungsbereich. Dann hat man ‚ÄĒ nach der Linearisierung in Software ‚ÄĒ etwas oberhalb der Mitte (zu niedrigeren Temperaturen hin) die h√∂chste und am den beiden R√§ndern gleichm√§√üig abnehmende Aufl√∂sung. Von Vorteil bei dieser L√∂sung ist, dass man sich √ľber den Messbereich keine Gedanken machen muss, er ist prinzipiell 0 K .. ‚ąě K, und die Aufl√∂sung nimmt zu den beiden Extrema kontinuierlich ab.

Rechenbeispiel (NTC mit 220 kő© bei 25 ¬įC)

TemperaturNTC-WiderstandswertVorwiderstandAusgangsspannungAuflösung
0 ¬įC844 kő©100 kő©UB * 0,89410 bit: 0,4 K
12 bit: 0,1 K
10 ¬įC500 kő©UB * 0,667
40 ¬įC120 kő©UB * 0,54510 bit: 0,1 K
12 bit: 0,025 K
50 ¬įC80 kő©UB * 0,444
130 ¬įC5,63 kő©UB * 0,05310 bit: 0,75 K
12 bit: 0,2 K
140 ¬įC4,21 kő©UB * 0,040

Grafisches Rechenbeispiel mittels WolframAlpha

  • Kennlinie (R √ľber T), die Exponentialkonstante B ist hier gleich 4000 angesetzt.
  • Ausgangsspannung (U/UB √ľber T), der Hei√üleiter befindet sich einpolig auf Masse, daher nimmt die Spannung mit steigender Temperatur ab. Der Vorwiderstand ist hier genauso gro√ü wie der Hei√üleiter-Widerstand bei 25 ¬įC (Nennwiderstand). Am Wendepunkt der s-f√∂rmigen Kurve ist die Steilheit und damit die Aufl√∂sung am gr√∂√üten.
  • Steilheit (dU/UB √ľber T) = Ableitung, der Wert -0,01 bedeutet ‚Čą 0,1¬†K Aufl√∂sung bei 1024 A/D-Werten (eines 10-bit-A/D-Wandlers).

Tipp zur Spreizung des Messbereichs

Möchte man den genau arbeitenden Messbereich vergrößern, ist es am einfachsten, den Vorwiderstand umschaltbar zu machen!

Ein per Portpin schaltbarer Widerstand ist ohnehin n√∂tig, wenn die Widerstandsmessung bei einem batteriebetriebenen Aufnehmer nur kurzzeitig erfolgen soll. Um Querstrom zu vermeiden, ist f√ľr die jeweiligen niederohmigen Widerst√§nde (sofern umschaltbar mehrere vorhanden) an einem Pin anzuschlie√üen, dessen digitaler Einang abtrennbar ist. Bei manchen Controllern, etwa MSP430x2xx, ist man da eingeschr√§nkt.

Da beide A/D-Wandlungen ratiometrisch arbeiten, sind keinerlei Referenzspannungen erforderlich. Die Maßverkörperung (Vergleichsnormal) erfolgt mit dem Festwiderstand bzw. den Festwiderständen.

Mehr Auflösung

… bedeutet nicht unbedingt mehr Genauigkeit!

Hier gibt es prinzipiell drei Wege:

  • Einschr√§nken des Wandlungsbereiches durch Vorverst√§rkung oder mittels Referenzspannungen: Geringerer Messumfang
    Typische Anwendung: Fieberthermometer
  • Verwenden eines besseren (externen) A/D-Wandlers ‚ÄĒ w√§re nur f√ľr Temperaturmessung Overkill
  • Verwenden eines anderen Wandlungsprinzips in Mikrocontroller-Software

Recht gute Ergebnisse liefern Zweiflanken-A/D-Umsetzer. Diese erfordern jedoch einen OPV sowie einen Analogsignal-Umschalter. Diese sind selten in Mikrocontrollern bereits integriert.

Die √ľbliche Vorgehensweise ist ein Einflanken-Umsetzer, der mit dem zumeist vorhandenen Analog-Komparator arbeitet und wenig externe Beschaltung erfordert.

Siehe auch


Weblinks

Wikipedia: Kaltleiter

Schaltung f√ľr PT100 mit Linearisierung

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