PTC/NTC - Versionsgeschichte

Ulfbastel: /* Einatzmöglichkeiten */

2015-02-20T21:08:32Z

‎Einatzmöglichkeiten

Besserwessi: /* Mehr Auflösung */

2014-09-20T16:51:27Z

‎Mehr Auflösung

Besserwessi: /* Brückenschaltung */

2014-09-20T16:32:19Z

‎Brückenschaltung

Besserwessi: /* Brückenschaltung */ Anpassung U+ -> V+ passend zum Bild

2014-05-04T18:39:44Z

‎Brückenschaltung: Anpassung U+ -> V+ passend zum Bild

Besserwessi: /* Brückenschaltung */

2013-12-28T17:14:04Z

‎Brückenschaltung

Besserwessi: /* Temperaturmessung mit PTC */

2013-12-28T17:02:37Z

‎Temperaturmessung mit PTC

Heha: /* Grafisches Rechenbeispiel mittels WolframAlpha */

2012-10-08T09:33:34Z

‎Grafisches Rechenbeispiel mittels WolframAlpha

Heha: /* Spannungsteiler */

2012-09-24T08:56:17Z

‎Spannungsteiler

Heha: /* Spannungsteiler */

2012-09-24T08:44:37Z

‎Spannungsteiler

Heha: /* Spannungsteiler */

2012-09-20T11:22:44Z

‎Spannungsteiler

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 Mit NTCs und PTCs lassen sich in "normalen" Bereichen (das heißt hier kleiner etwa 200 °C) günstig Temperaturen messen. Dieses Gebiet umfasst alles vom kleinen digitalen Fieberthermometer über die verschiedenen Anzeigeinstrumente (wie Wetterstationen und KFZ-Elektronik) bis hin zu kompletten Heizungs- und Klimasteuerungen in Gebäuden.
-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.
+Daneben gibt es auch Anwendungen bei denen es nicht um eine eigentliche Messung geht:
 ==Temperaturmessung mit PTC==

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 Hier gibt es prinzipiell drei Wege:
-* Einschränken des Wandlungsbereiches durch Vorverstärkung oder mittels Referenzspannungen: Geringerer Messumfang<br><i>Typische Anwendung: Fieberthermometer</i>
+* Einschränken des Wandlungsbereiches durch Brückenschaltung und Verstärkung : Geringerer Messumfang<br><i>Typische Anwendung: Fieberthermometer</i>
-* Verwenden eines besseren (externen) A/D-Wandlers — wäre nur für Temperaturmessung Overkill
+* Verwenden eines besseren (externen) A/D-Wandlers - kann sich angesichts der gesunkenen Preise mittlerweile lohnen.
-* Verwenden eines anderen Wandlungsprinzips in Mikrocontroller-Software
+* Verwenden eines anderen Wandlungsprinzips in Mikrocontroller-Software. In der einfachsten Form Oversampling (d.h. häufiges abtasten und Mitteln) mit dem vorhandenen ADC im µC. Möglich, wenn auch nicht besonders genau, ist etwa ein Einflanken-Umsetzer mit dem µC internen Analog-Komparator,der wenig externe Beschaltung erfordert.
-−
-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 übliche Vorgehensweise ist ein Einflanken-Umsetzer, der mit dem zumeist vorhandenen Analog-Komparator arbeitet und wenig externe Beschaltung erfordert.
 ==Siehe auch==

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 [[Bild:PT1000-Brücke.png]]
-Ein einfache, aber dennoch gute Auswerteschaltung ist eine Brückenschaltung. Wegen der relativ kleinen Spannungsänderungen wird oft eine Verstärkung benötigt, vor allem beim <b>Pt100</b> oder — Strom sparender — <b>Pt1000</b>.
+Eine einfache, aber dennoch gute Auswerteschaltung ist eine Brückenschaltung. Wegen der relativ kleinen Spannungsänderungen wird oft eine Verstärkung benötigt, vor allem beim <b>Pt100</b> oder — Strom sparender — <b>Pt1000</b>.
 Bei den gezeigten Widerstandswerten reicht der Messbereich von etwa -25 °C bis +250 °C für 0 bis V+ (z.B. 5 V) am Ausgang. Über die Widerstände R2 und R3 kann der Bereich angepasst werden. Mit R3 = 20 kΩ hätte man z.B. einen Messbereich von etwa -10 °C bis + 130 °C. Die Linearisierung erfolgt in der Regel digital hinter dem A/D-Wandler. Die Referenzspannung des A/D-Wandlers sollte V+ sein, für eine ratiometrische Messung. Wenn nur eine Versorgung (z.B. 5 V) zur Verfügung stehen, sollte V+ an den Ausgangsbereich des OPs angepasst sein, also etwa 3 V für den LM358 (oder den besseren LT1013), oder der Operationsverstärker eine Rail-to-Rail-Typ (z.B. MCP6001) sein, wenn der AD mit der Versorgungsspannung als Ref. Arbeitet.

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 Ein einfache, aber dennoch gute Auswerteschaltung ist eine Brückenschaltung. Wegen der relativ kleinen Spannungsänderungen wird oft eine Verstärkung benötigt, vor allem beim <b>Pt100</b> oder — Strom sparender — <b>Pt1000</b>.
-Bei den gezeigten Widerstandswerten reicht der Messbereich von etwa -25 °C bis +250 °C für 0 bis U+ (z.B. 5 V) am Ausgang. Über die Widerstände R2 und R3 kann der Bereich angepasst werden. Mit R3 = 20 kΩ hätte man z.B. einen Messbereich von etwa -10 °C bis + 130 °C. Die Linearisierung erfolgt in der Regel digital hinter dem A/D-Wandler. Die Referenzspannung des A/D-Wandlers sollte U+ sein, für eine ratiometrische Messung. Wenn nur eine Versorgung (z.B. 5 V) zur Verfügung stehen, sollte U+ an den Ausgangsbereich des OPs angepasst sein, also etwa 3 V für den LM358 (oder den besseren LT1013), oder der Operationsverstärker eine Rail-to-Rail-Typ (z.B. MCP6001) sein, wenn der AD mit der Versorgungsspannung als Ref. Arbeitet.
+Bei den gezeigten Widerstandswerten reicht der Messbereich von etwa -25 °C bis +250 °C für 0 bis V+ (z.B. 5 V) am Ausgang. Über die Widerstände R2 und R3 kann der Bereich angepasst werden. Mit R3 = 20 kΩ hätte man z.B. einen Messbereich von etwa -10 °C bis + 130 °C. Die Linearisierung erfolgt in der Regel digital hinter dem A/D-Wandler. Die Referenzspannung des A/D-Wandlers sollte V+ sein, für eine ratiometrische Messung. Wenn nur eine Versorgung (z.B. 5 V) zur Verfügung stehen, sollte V+ an den Ausgangsbereich des OPs angepasst sein, also etwa 3 V für den LM358 (oder den besseren LT1013), oder der Operationsverstärker eine Rail-to-Rail-Typ (z.B. MCP6001) sein, wenn der AD mit der Versorgungsspannung als Ref. Arbeitet.
 {{Ausbauwunsch|... auf jeden Fall Anwendungs- und Schaltungsbeispiele mit Heiß- oder Kaltleiter!'''}}

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 Ein einfache, aber dennoch gute Auswerteschaltung ist eine Brückenschaltung. Wegen der relativ kleinen Spannungsänderungen wird oft eine Verstärkung benötigt, vor allem beim <b>Pt100</b> oder — Strom sparender — <b>Pt1000</b>.
-Bei den gezeigten Widerstandswerten reicht der Messbereich von etwa -25 °C bis +250 °C für 0 bis U+ (z.B. 5 V) am Ausgang. Über die Widerstände R2 und R3 kann der Bereich angepasst werden. Mit R3 = 20 kΩ hätte man z.B. einen Messbereich von etwa -10 °C bis + 130 °C. Die Linearisierung erfolgt in der Regel digital hinter dem A/D-Wandler. Die Referenzspannung des A/D-Wandlers sollte U+ sein, für eine ratiometrische Messung. Wenn nur eine Versorgung (z.B. 5 V) zur Verfügung stehen, sollte der Operationsverstärker eine Rail-to-Rail-Typ (z.B. MCP6001) sein. Je nach Eingangsspannung genügt auch ein Rail-to-Rail-Ausgang.
+Bei den gezeigten Widerstandswerten reicht der Messbereich von etwa -25 °C bis +250 °C für 0 bis U+ (z.B. 5 V) am Ausgang. Über die Widerstände R2 und R3 kann der Bereich angepasst werden. Mit R3 = 20 kΩ hätte man z.B. einen Messbereich von etwa -10 °C bis + 130 °C. Die Linearisierung erfolgt in der Regel digital hinter dem A/D-Wandler. Die Referenzspannung des A/D-Wandlers sollte U+ sein, für eine ratiometrische Messung. Wenn nur eine Versorgung (z.B. 5 V) zur Verfügung stehen, sollte U+ an den Ausgangsbereich des OPs angepasst sein, also etwa 3 V für den LM358 (oder den besseren LT1013), oder der Operationsverstärker eine Rail-to-Rail-Typ (z.B. MCP6001) sein, wenn der AD mit der Versorgungsspannung als Ref. Arbeitet.
 {{Ausbauwunsch|... auf jeden Fall Anwendungs- und Schaltungsbeispiele mit Heiß- oder Kaltleiter!'''}}

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 Um aus der Widerstandsänderung am Sensor eine passende Spannung zu erzeugen gibt es verschieden Möglichkeiten. 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 unnötige Fehlerquellen.  Für eine Widerstandsmessung ist ein Widerstand als Vergleichswert besser und einfacher als das Verhältnis von einer Spannungsquelle und einer Stromquelle. Dafür gibt es im wesentlichen 3 Möglichkeiten:
-) Der selbe Strom fließt durch den Sensor und den Vergleichswiderstand. Die Spannung an Vergleichswiderstand wird als Referenz für den AD Wandler benutzt, die Spannung am Sensor wird gemessen. Dieses Verfahren ist vor allem mit hochauflösenden AD Wandlern sinnvoll.
+) Der selbe Strom fließt durch den Sensor und den Vergleichswiderstand. Die Spannung an Vergleichswiderstand wird als Referenz für den AD Wandler benutzt, die Spannung am Sensor wird gemessen. Dieses Verfahren ist vor allem mit hochauflösenden AD Wandlern mit Differenzeingängen (z.B. LTC2440) sinnvoll.
-) Der selbe AD Wandler misst nacheinander die Spannung am Sensor und Vergleichswiderstand.
+) Der selbe AD Wandler misst nacheinander die Spannung am Sensor und Vergleichswiderstand. Dafür braucht man 2 Eingänge mit Differenzeingang.
 ) Der Sensor und der Vergleichswiderstand bilden einen Spannungsteiler. Die Spannung über den Spannungsteiler dient als Referenz für den AD-wandler. Anders als bei den beiden vorherigen Möglichkeiten ist das Ergebnis der AD Wandlung hier nicht mehr linear vom Widerstand abhängig.
-Bei einem kleinen Messbereich lohnt es sich den konstanten Teil der Spannung abzuziehen, damit der Wertebereich des AD Wandler weitgehend ausgenutzt werden kann. Die Schaltung ist dann eine Brückenschaltung.
+Bei einem kleinen Messbereich und geringer Auflösung 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 Brückenschaltung.
 In allen 3 Fällen muss der Strom nicht besonders stabilisiert sein und es wird keine stabile Referenzspannung für den AD benötigt. Es kommt nur auf das Spannungsverhältnis an.
-Beim Strom durch den Sensor muss ein Kompromiss zwischen genügend Spannung und der Eigenerwärmung des Sensors gefunden werden.  Bei mehr als etwa 1 mW Verlustleistung am Sensor wird eine genaue Temperaturmessung schwierig. Für genaue Messungen mit dem PT100 werden oft sogar 0,1 mW als Grenze angegeben.
+Beim Strom durch den Sensor muss ein Kompromiss zwischen genügend Spannung und der Eigenerwärmung des Sensors gefunden werden.  Bei mehr als etwa 1 mW Verlustleistung am Sensor wird eine genaue Temperaturmessung schwierig. Für genaue Messungen mit dem PT100 werden oft sogar 0,1 mW als Grenze angegeben, d.h der Strom liegt bei nur 1 mA.
 ==Linearisierung==

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 ==== Grafisches Rechenbeispiel mittels WolframAlpha ====
 * [http://www.wolframalpha.com/input/?i=log+plot+y=220000*exp(4000*(1/(275%2Bx)-1/300)),+x=-50+to+150 Kennlinie (R über T)], die Exponentialkonstante '''B''' ist hier gleich 4000 angesetzt.
-* [http://www.wolframalpha.com/input/?i=plot+y=1/(1%2B1/exp(4000*(1/(275%2Bx)-1/300))),+x=-50+to+150 Ausgangsspannung (U/U<sub>B</sub> über T)], der Heißleiter befindet sich einpolig auf Masse, daher nimmt die Spannung mit steigender Temperatur ab. Der Vorwiderstand ist hier genauso groß wie der Heißleiter-Widerstand bei 25 °C (Nennwiderstand).
+* [http://www.wolframalpha.com/input/?i=plot+y=1/(1%2B1/exp(4000*(1/(275%2Bx)-1/300))),+x=-50+to+150 Ausgangsspannung (U/U<sub>B</sub> über T)], der Heißleiter befindet sich einpolig auf Masse, daher nimmt die Spannung mit steigender Temperatur ab. Der Vorwiderstand ist hier genauso groß wie der Heißleiter-Widerstand bei 25 °C (Nennwiderstand). Am Wendepunkt der s-förmigen Kurve ist die Steilheit und damit die Auflösung am größten.
 * [http://www.wolframalpha.com/input/?i=plot+derive+y=1/(1%2B1/exp(4000*(1/(275%2Bx)-1/300))),+x=-50+to+150 Steilheit (<i>d</i>U/U<sub>B</sub> über T) = Ableitung], der Wert -0,01 bedeutet ≈ 0,1 K Auflösung bei 1024 A/D-Werten (eines 10-bit-A/D-Wandlers).

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 Für <b>NTC</b> (Heißleiter) bietet sich ein einfacher Spannungsteiler an. Den Vorwiderstand dimensioniert man so, dass er etwa so groß ist wie der Widerstandswert <i>in der Mitte des gewünschten Temperatur-Messbereiches</i>. Die A/D-Wandlung erfolgt „ratiometrisch“ mit dem vollen Speisespannungsbereich. Dann hat man — nach der Linearisierung in Software — etwas oberhalb der Mitte (zu niedrigeren Temperaturen hin) die höchste und am den beiden Rändern gleichmäßig abnehmende Auflösung. Von Vorteil bei dieser Lösung ist, dass man sich über den Messbereich keine Gedanken machen muss, er ist prinzipiell 0 K .. ∞ K, und die Auflösung nimmt zu den beiden Extrema kontinuierlich ab.
-<b>Rechenbeispiel (NTC mit 220 kΩ bei 25 °C):</b>
+==== Rechenbeispiel (NTC mit 220 kΩ bei 25 °C) ====
 <table border cellspacing=0 cellpadding=4>
 <tr bgcolor=#FFFFE0><th>Temperatur<th>NTC-Widerstandswert<th>Vorwiderstand<th>Ausgangsspannung<th>Auflösung
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 </table>
-Hier ein '''grafisches Rechenbeispiel''' mittels WolframAlpha:
+==== Grafisches Rechenbeispiel mittels WolframAlpha ====
-* [http://www.wolframalpha.com/input/?i=log+plot+y=220000*exp(4000*(1/(270%2Bx)-1/300)),+x=-50+to+150 Kennlinie (R über T)],
+* [http://www.wolframalpha.com/input/?i=log+plot+y=220000*exp(4000*(1/(275%2Bx)-1/300)),+x=-50+to+150 Kennlinie (R über T)], die Exponentialkonstante '''B''' ist hier gleich 4000 angesetzt.
-* [http://www.wolframalpha.com/input/?i=plot+y=1/(1%2B1/exp(4000*(1/(270%2Bx)-1/300))),+x=-50+to+150 Ausgangsspannung (U/U<sub>B</sub> über T)],
+* [http://www.wolframalpha.com/input/?i=plot+y=1/(1%2B1/exp(4000*(1/(275%2Bx)-1/300))),+x=-50+to+150 Ausgangsspannung (U/U<sub>B</sub> über T)], der Heißleiter befindet sich einpolig auf Masse, daher nimmt die Spannung mit steigender Temperatur ab. Der Vorwiderstand ist hier genauso groß wie der Heißleiter-Widerstand bei 25 °C (Nennwiderstand).
-* [http://www.wolframalpha.com/input/?i=plot+derive+y=1/(1%2B1/exp(4000*(1/(270%2Bx)-1/300))),+x=-50+to+150 Steilheit (<i>d</i>U/U<sub>B</sub> über T) = Ableitung ~ Auflösung]
+* [http://www.wolframalpha.com/input/?i=plot+derive+y=1/(1%2B1/exp(4000*(1/(275%2Bx)-1/300))),+x=-50+to+150 Steilheit (<i>d</i>U/U<sub>B</sub> über T) = Ableitung], der Wert -0,01 bedeutet ≈ 0,1 K Auflösung bei 1024 A/D-Werten (eines 10-bit-A/D-Wandlers).
 Möchte man den ''genau arbeitenden'' Messbereich vergrößern, ist es am einfachsten, den Vorwiderstand ''umschaltbar'' zu machen!

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 === Spannungsteiler ===
-Für <b>NTC</b> (Heißleiter) bietet sich ein einfacher Spannungsteiler an. Den Vorwiderstand dimensioniert man so, dass er etwa groß ist wie der Widerstandswert <i>in der Mitte des gewünschten Temperatur-Messbereiches</i>. Die A/D-Wandlung erfolgt „ratiometrisch“ mit dem vollen Speisespannungsbereich. Dann hat man — nach der Linearisierung in Software — etwas oberhalb der Mitte (zu niedrigeren Temperaturen hin) die höchste und am den beiden Rändern gleichmäßig abnehmende Auflösung. Von Vorteil bei dieser Lösung ist, dass man sich über den Messbereich keine Gedanken machen muss, er ist prinzipiell 0 K .. ∞ K, und die Auflösung nimmt zu den beiden Extrema kontinuierlich ab.
+Für <b>NTC</b> (Heißleiter) bietet sich ein einfacher Spannungsteiler an. Den Vorwiderstand dimensioniert man so, dass er etwa so groß ist wie der Widerstandswert <i>in der Mitte des gewünschten Temperatur-Messbereiches</i>. Die A/D-Wandlung erfolgt „ratiometrisch“ mit dem vollen Speisespannungsbereich. Dann hat man — nach der Linearisierung in Software — etwas oberhalb der Mitte (zu niedrigeren Temperaturen hin) die höchste und am den beiden Rändern gleichmäßig abnehmende Auflösung. Von Vorteil bei dieser Lösung ist, dass man sich über den Messbereich keine Gedanken machen muss, er ist prinzipiell 0 K .. ∞ K, und die Auflösung nimmt zu den beiden Extrema kontinuierlich ab.
 <b>Rechenbeispiel (NTC mit 220 kΩ bei 25 °C):</b>