Wie ein Thermistor zur Temperaturmessung verwendet wird: Funktionsweise, Schaltkreise, Anwendungen

Wenn Sie eine Heißluftfritteuse einstellen und diese genau im richtigen Moment abschaltet oder ein Reiskocher genau dann auf Warmhalten umschaltet, wenn das Getreide genug Wasser aufgenommen hat, übernimmt eine kleine Komponente die Denkarbeit für das Gerät. Diese Komponente ist der Thermistor, ein Widerstand mit zwei Anschlüssen, dessen Widerstandswert sich mit der Temperatur ändert. In diesem Artikel wird erklärt, wie ein Thermistor zur Messung der Temperatur verwendet wird: das physikalische Prinzip, nach dem er funktioniert, die Schaltung, die seinen Widerstand misst, die Mathematik, die diesen Messwert in eine Temperatur umwandelt, und die praktischen Details, die darüber entscheiden, ob die Messung auch nach jahrelangem Gebrauch genau bleibt.

Ein Widerstand, der sich mit der Temperatur ändert

Fazit zunächst: Ein NTC-Thermistor misst die Temperatur, da sein Widerstand bei steigender Temperatur auf bekannte und wiederholbare Weise abnimmt. Diese einzige Eigenschaft macht aus einer passiven Komponente einen Sensor.

Ein Thermistor besteht aus keramischen Halbleitermaterialien, normalerweise Metalloxiden, die zu kleinen Perlen, Chips oder Scheiben gesintert sind. Es gibt zwei Familien. Thermistoren mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) verringern den Widerstand, wenn die Temperatur steigt; Thermistoren mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) erhöhen den Widerstand und werden häufiger für Überstromschutz oder selbstregulierende Heizungen verwendet. Bei der Temperaturmessung dominiert der NTC-Typ.

Die Änderung ist groß genug, um ohne aufwändige Elektronik gelesen zu werden. Ein typischer 10-kΩ-NTC-Thermistor mit einer Nenntemperatur von 25 °C misst etwa 33,6 kΩ bei 0 °C und etwa 700 Ω bei 100 °C – eine Schwankung von fast 50 zu 1 über den Bereich, in dem die meisten Haushaltsgeräte betrieben werden. Ein NTC-Temperatursensor Daher ist nur ein einfacher Analogeingang an einem Mikrocontroller erforderlich, während ein Thermoelement eine Verstärkung und eine Vergleichsstellenkompensation erfordern würde. Diese Kombination aus großem Signal, niedrigen Kosten und geringer Größe ist der Grund, warum Thermistoren in fast jedem temperaturgesteuerten Gerät vorkommen.

Wie ein Mikrocontroller den Thermistor liest

Fazit zunächst: Ein Mikrocontroller liest einen Thermistor über einen Spannungsteiler, da ein Analog-Digital-Wandler (ADC) die Spannung und nicht den Widerstand misst.

Bei der Standardanordnung sind der Thermistor und ein Festwiderstand in Reihe über die Versorgungsschiene geschaltet, mit dem Messknoten dazwischen. Der ADC misst die Knotenspannung und der Widerstand wird aus dieser Spannung berechnet. Wenn sich der Thermistor auf der Low-Side und der Festwiderstand auf der High-Side befindet:

Vout = Vcc × Rfix / (Rfixed Rthermistor)

Wenn sich der Thermistor erwärmt und sein Widerstand sinkt, fällt ein größerer Teil der Versorgungsspannung über den Festwiderstand ab, sodass Vout ansteigt. Wenn es abkühlt, fällt Vout.

Eine praktische Messkette besteht aus vier Teilen:

• Eine stabile Versorgungsspannung, typischerweise 3,3 V oder 5 V
• Ein fester Widerstand mit einer engen Toleranz, vorzugsweise 1 % oder besser
• Der NTC-Thermistor in einem an die Betriebsumgebung angepassten Gehäuse
• Ein ADC mit ausreichender Auflösung, um den kleinsten Temperaturschritt zu erkennen, der für das Design wichtig ist

Ein typischer 10-kΩ-NTC-Thermistor mit einem B-Wert von 3950, gepaart mit einem 10-kΩ-Festwiderstand und einer 5-V-Versorgung, liefert folgende Messwerte:

Beachten Sie den ungleichmäßigen Abstand: Zwischen 0 °C und 25 °C ändert sich der Ausgang um 1,35 V, während er sich zwischen 75 °C und 100 °C nur um 0,32 V ändert. Bei niedrigeren Temperaturen ist die Empfindlichkeit natürlich höher. Entweder akzeptieren die Entwickler dies, ordnen den Teiler neu an, um die Empfindlichkeit auf das Betriebsfenster auszurichten, oder korrigieren ihn in der Firmware, weil die Kurve glatt und wiederholbar ist.

Widerstand in eine Temperatur umwandeln

Fazit zunächst: Sobald der Widerstand bekannt ist, wird er mit drei Standardmethoden in eine Temperatur umgewandelt: eine Nachschlagetabelle, die B-Parameter-Gleichung oder die Steinhart-Hart-Gleichung. Die Wahl ist ein Kompromiss zwischen Einfachheit, Speichernutzung und Genauigkeit.

Nachschlagetabelle (R-T-Tabelle)

Hersteller veröffentlichen für jeden Sensortyp eine Widerstands-Temperatur-Tabelle. Die Firmware speichert diese Tabelle, findet die beiden Einträge, die den aktuellen Widerstand einschließen, und interpoliert linear zwischen ihnen. Dies ist die schnellste Methode auf einem kleinen Mikrocontroller und die gebräuchlichste bei Gerätesteuerplatinen. Der Haken ist, dass die Tabelle mit dem B-Wert des Sensors übereinstimmen muss. Die Kombination eines B = 3435-Tischs mit einem B = 3950-Sensor führt an beiden Enden des Bereichs zu Fehlern von mehreren Grad.

B-Parameter-Gleichung

Für eine mittlere Temperaturspanne ergibt sich der Widerstand zu:

R(T) = R25 × exp[B × (1/T – 1/298,15)]

Dabei ist T in Kelvin, R25 der Widerstand bei 25 °C und B die Materialkonstante, typischerweise zwischen 3000 K und 5000 K für NTC-Thermistoren. Diese Gleichung benötigt nur zwei Konstanten und ist einfach zu implementieren. Es verliert an Genauigkeit, wenn die Spanne etwa 50 °C überschreitet, aber innerhalb eines engen Fensters ist es die schnellste Möglichkeit, die Temperatur ohne Tabelle abzuschätzen.

Steinhart-Hart-Gleichung

Für den größten Bereich und die beste Genauigkeit ist die Steinhart-Hart-Gleichung die Standardwahl:

1/T = A B × ln(R) C × (ln R)^3

Die drei Koeffizienten A, B und C (nicht zu verwechseln mit der oben genannten Materialkonstante) werden an die Messkurve des Sensors angepasst. Bei guten Koeffizienten bleibt diese Gleichung über die gesamte Nennspanne auf wenige Hundertstel Grad genau. Ein Mikrocontroller wertet es einige Male pro Sekunde aus, sodass der Rechenaufwand vernachlässigbar ist.

Welche Methode auch immer verwendet wird, der Sensor selbst weist Toleranzen auf. Ein Standard-NTC-Thermistor hat eine Widerstandstoleranz von etwa ±1 % bei 25 °C und eine B-Wert-Toleranz von ±1 %, was zusammen einem Fehler von etwa ±0,5 °C bis ±1 °C bei 100 °C entspricht. Wenn das Design eine höhere Genauigkeit erfordert, spezifizieren Sie einen höherwertigen Sensor oder führen Sie eine Einpunktkalibrierung in der Produktionslinie durch.

Praktische Überlegungen, die über echte Genauigkeit entscheiden

Fazit zunächst: Die Genauigkeit einer Thermistormessung wird sowohl von den Installations- und Betriebsbedingungen als auch vom Sensorelement selbst bestimmt. Bei realen Geräten verursachen vier Faktoren die meisten Fehler.

Selbsterwärmung. Der Vorstrom erwärmt den Sensor leicht über dem Messmedium und erzeugt einen dauerhaften Fehler. Halten Sie die Verlustleistung bei einem Glasperlensensor unter etwa 1 mW. Als Referenz: Ein 10-kΩ-Sensor in einem 10-kΩ-Teiler mit einer 3,3-V-Versorgung verbraucht etwa 0,27 mW bei 25 °C – sicher, aber leicht zu überschreiten, wenn die Versorgungsspannung erhöht oder der Festwiderstand viel größer gemacht wird.

B-Wert-Übereinstimmung. Zwei Sensoren mit demselben Widerstand bei 25 °C, aber unterschiedlichen B-Werten zeigen bei Raumtemperatur dasselbe an und weichen zunehmend davon ab. Bestätigen Sie, dass der B-Wert des Produktionssensors mit der Charakterisierung in der Firmware übereinstimmt. Eine Nichtübereinstimmung ist eine häufige Ursache für das Verhalten „gut bei 25 °C, falsch bei 90 °C“.

Verpackung und Reaktionszeit. Das blanke Keramikelement reagiert im Bruchteil einer Sekunde, wird aber durch die Kapselung verlangsamt. Mit Epoxidharz beschichtete Perlen reagieren schnell und eignen sich für trockene Luft, die über ein Heizelement strömt. Metall- oder silikonversiegelte Sonden sind langsamer, überstehen aber Wasser, Dampf und Reinigungsmittel. Die Auswahl einer versiegelten Sonde für eine Nassanwendung oder einer schnellen Epoxidharzperle für einen Luftstrom ist ebenso wichtig wie die elektrischen Spezifikationen.

Platzierung. Der Thermistor misst seine eigene lokale Temperatur. Es muss so nah wie möglich an der zu kontrollierenden Stelle sitzen – dem Heizelement, dem Garraum oder der zu erhitzenden Flüssigkeit. Ein Abstand von einigen Millimetern, der Luftzug eines Kühlgebläses oder eine dicke Metallhalterung, die die Wärme ableitet, können den Messwert um mehrere Grad verschieben.

Ein Thermistorsystem in Gerätequalität, das unter Berücksichtigung dieser vier Faktoren spezifiziert und installiert wird, behält seine Kalibrierung über Jahre hinweg bei. Auf dieses Maß an Vorhersagbarkeit verlassen sich Hersteller, wenn sie einen Steuerungsalgorithmus um eine kostengünstige Komponente herum aufbauen.

Thermistormessung in realen Haushaltsgeräten

In Produktionsgeräten arbeitet der Thermistor niemals isoliert. Die Verbindung zur Steuerplatine erfolgt über einen Kabelbaum. Der Stecker, die Anschlusskabel und die Isolierung sind Teil des Messsystems. Ein Sensor mit losen Anschlüssen oder gerissener Isolierung erzeugt unregelmäßige Messwerte, die durch keine Kalibrierung korrigiert werden können. Daher bewerten Hersteller den Sensor, den Kabelbaum und den Stecker als eine Baugruppe und nicht als separate Massenteile.

In einer Heißluftfritteuse überwacht der NTC-Sensor den Garraum und meldet dies an die Steuerung, die die Heizung so schaltet, dass sie die eingestellte Temperatur hält. Der Sensor muss schnell reagieren und über große Temperaturschwankungen hinweg stabil bleiben; Ein langsamer Sensor führt zu Überschwingen und ungleichmäßiger Bräunung.

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Ein elektrischer Wasserkocher ist ein anderer Test. Der Sensor wird mit einer Thermodichtung an der Heizplatte befestigt und die Firmware überwacht einen schnellen Temperaturanstieg. Wenn die thermische Kopplung schwächer wird, kann der Wasserkocher weiter über den Siedepunkt hinaus aufheizen, bevor die Steuerung reagiert. Ein schnell reagierendes Element in Kombination mit einer zuverlässigen Montagestruktur sorgt dafür, dass sich ein Wasserkocher jedes Mal zuverlässig abschaltet.

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Ein Reiskocher führt das gleiche Prinzip weiter aus. Der Sensor sitzt unter dem Innentopf und der Controller überwacht den Temperaturanstieg, um zu entscheiden, wann das Wasser absorbiert wurde, und reduziert dann die Leistung zum Warmhalten. Es handelt sich um eine klassische Thermistoranwendung: Ein kostengünstiger Sensor, ein einfacher Teiler und eine gut charakterisierte Kurve sorgen gemeinsam für ein gleichmäßiges Kochergebnis. Der gleiche Ansatz findet sich bei Sojamilchherstellern, Küchenmaschinen und elektrischen Schnellkochtöpfen.

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Aus Beschaffungssicht ist die praktische Frage nicht, ob Thermistoren die Temperatur gut messen – das tun sie –, sondern ob der gelieferte Sensor die richtige R-T-Kurve aufweist, für die reale Umgebung verpackt und mit einer Verkabelung geliefert wird, die der Montage und dem täglichen Gebrauch standhält. Auswahl eines Hersteller von Kabelbäumen und NTC-Temperatursensoren das alle diese Elemente zusammen steuert, vermeidet die Fehlanpassungsprobleme, die auftreten, nachdem die Produkte das Feld erreichen.

Das Fazit

Ein Thermistor misst die Temperatur, weil sein Widerstand einer wiederholbaren, gut verständlichen Kurve folgt. Die Kette ist kurz: Ein Spannungsteiler wandelt den Widerstand in Spannung um, ein ADC digitalisiert diese Spannung und eine Nachschlagetabelle oder die Steinhart-Hart-Gleichung wandelt sie in eine Temperatur um. Wirkliche Genauigkeit ergibt sich aus den Details, die die Gleichungen nicht zeigen – Selbsterwärmung, B-Wert-Anpassung, Verpackung, Platzierung und die Verkabelung, die den Sensor mit dem Controller verbindet. Gehen Sie richtig mit diesen Details um, und eine Komponente, die ein paar Cent pro Einheit kostet, hält ein Gerät jahrelang im täglichen Betrieb innerhalb von ein oder zwei Grad seines Zielwerts.