Die richtige Temperatur ist aber nicht nur für den Menschen wichtig sondern sie spielt auch in der Technik eine überragende Rolle. Jede elektronische Schaltung wird von der Umgebungstemperatur beeinflusst. Oft ist sogar erheblicher Aufwand erforderlich, um unerwünschte Temperatureffekte auszuschließen.
Andererseits kann man natürlich die Temperaturabhängigkeit eines elektronischen Bauelements auch für Messaufgaben nutzen. Speziell für diesen Zweck optimierte Komponenten werden als Thermosensoren eingesetzt. Von besonderer Bedeutung sind temperaturabhängige Widerstände. Dabei unterscheidet man zwei Haupttypen:
- Die Gruppe der PTCs (Positive Temperature Coeficient) Bauelemente dieser Gruppe zeichnen sich dadurch aus, dass ihr Widerstand mit steigender Temperatur zunimmt
- Die Gruppe der NTCs (Negative Temperature Coeficient) Der Widerstand dieser Bauelemente nimmt mit zunehmender Temperatur ab. Sie werden deshalb auch als Heißleiter bezeichnet.
Besonders häufig werden NTC-Temperaturfühler eingesetzt. NTCs sind ungepolte Bauelemente, die aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Strombelastbarkeit elektrisch recht robust sind. Da auch jeder pn-Übergang stark temperaturabhängige Eigenschaften aufweist, könnte prinzipiell praktisch jedes Halbleiterbauelement als Temperatursensor dienen. So werden häufig auch Dioden oder Basis-Emitter-Strecken von Transistoren für Temperaturmessungen eingesetzt
Temperaturmessung
Temperaturfühler überwachen Temperaturen im Automotor und in Großrechnern genau so wie in Prozess-Steuerungen der chemischen Industrie.
Am häufigsten werden dafür Heißleiter eingesetzt. Heißleitendes Verhalten zeigen reine Halbleitermaterialien und verschiedene andere Legierungen mit negativem Temperaturkoeffizienten.
Bauteile, bei denen speziell das temperaturabhängige Verhalten ausgenutzt wird, sind üblicherweise mit Bindemitteln versetzte, gepresste und gesinterte Metalloxide.
Der Widerstand lässt sich durch das Mischverhältnis verschiedener Materialien in einem weiten Bereich einstellen. Die folgende Abbildung zeigt eine Auswahl der wichtigsten elektronischen Temperatursensoren.
1) NTC 130
2) NTC 4k7 große Bauform
3) Miniatur-NTC 10k0
4) Kontakt-Thermosensor für direkte Kühlblechmontage
5) NTC 4,7 extra große Bauform
6) PTC für Strombegrenzungen
7) AD22100: einlinearisierter Temperatursenosr
8) NTC 4k7 wie z. B. in Lernpaket „Sensortechik" enthalten
9) NTC-Perle
Die folgende Abbildung zeig die typische Kennlinie eines NTCs.
Die Bezeichnung 4k7 deutet darauf hin, dass der Widerstandswert bei Raumtemperatur (25 °C) bei 4,7 kΩ liegt.
Man kann daraus entnehmen dass dieses Bauelement besonders gut für Temperaturmessungen von -10 bis ca. 100 °C geeignet ist. Bei Temperaturen über 100° wird die Kennlinie zu flach für genaue Messungen.
Anwendungsbeispiele
Analogthermometer
Eine sehr praktische Anwendung eines NTCs ist natürlich ein Zimmerthermometer. Die folgende Abbildung zeigt eine geeignete Schaltung.
Das Grundprinzip der Schaltung ist eine Messbrücke, mit dem NTC im aktiven Teil.
Der passive Teil bildet ein Potentiometer. Die Differenzspannung der Messbrücke wird von einem Operationsverstärker verstärkt.
Damit kann man zwei Probleme lösen. Zum eine ist die Verstärkung der Schaltung in weiten Bereichen abgleichbar, so dass die Ausgangsspannung auf das eingesetzte Messinstrument angepasst werden kann.
Für ein Zimmertemperatur-Thermometer sind für den Rückkopplungswiderstand meist Werte von 1 bis 10 kOhm erforderlich. Der genaue Wert hängt vom verwendeten Messgerät und vom gewünschten Anzeigebereich ab. Andererseits hat man mit dem Potentiometer einen komfortablen „Nullpunktabgleich" zur Justierung des Thermometers.
Als Operationsverstärker können preisgünstige Typen wie der LM 324 (quad) oder der LM 358 (dual) eingesetzt werden. Für das Potentiometer ist ein Spindeltrimmer optimal. Damit kann der Abgleich mit der nötigen Präzision ausgeführt werden. Bei Bedarf findet man weitere Informationen zur Operationsverstärker-Technik in den entsprechenden ELO-Beiträgen [1] oder im Lernpaket Elektronik mit ICs [2].
Das Messinstrument stammt übrigens ursprünglich aus dem Retro-Radio-Bausatz [3] und wurde für diese Anwendung mit einer neuen Skala versehen.
Die damit erzielbare Messgenauigkeit wird natürlich z. B. durch Nichtlinearitäten etwas reduziert, für Zimmertemperaturmessungen sollte die Präzision aber ausreichen.
Durch die flexiblen Abgleichmöglichkeiten kann aber auch fast jedes andere Analogmessinstrument eingesetzt werden.
Im Artikel „Die Pong-Platine als Digitalthermometer" [5] wird im Übrigen beschrieben, wie man mit einfachen Mitteln sogar ein präzises Thermometer mit Digitalanzeige aufbauen kann.
Hochempfindlicher Wärmestrahlungsdetektor
Wenn man die Verstärkung der Schaltung stark erhöht, so entsteht aus dem Thermometer ein hochempfindlicher Wärmstrahlungsdetektor. Wählt man den Rückkopplungswiderstand Werte von 100 bis ca. 330 kOhm, so genügt es eine Hand auf bis ca. 10 cm an den Sensor heranzuführen um einen deutlichen Ausschlag am Messinstrument hervorzurufen.
Ein Weiterentwicklung diese Eigenschaft führt zu den sogenannten PIR oder Passiv Infra-Rot Sensoren die so empfindlich werden können, dass sie die Körperwärme eines Menschen aus mehreren Metern Entfernung detektieren können. Ein sehr bekanntes Einsatzgebiet für diese Technik sind Alarmanlagen oder aber auch einfach IR-gesteuerte Beleuchtungen in Hausfluren.
CPU heißgelaufen? - Ein Übertemperaturalarm
Benötigt man nur einen einfachen Übertemperaturalarm, so kann man die folgende Schaltung einsetzen.
Wenn die Temperatur am NTC steigt, so steigt damit auch die Spannung am Trigger-Eingang des NE555.
Dieser ist hier als einfacher Komparator geschaltet. Ab einer bestimmten Schwelle kippt der Ausgang (Pin 3) und gibt damit über die Diode (z. B. 1N4148) den als Ton-Oszillator beschalteten LM386 frei. Mit dem Poti kann der Schaltpunkt eingestellt werden.
Typischer Anwendungsfall ist die Temperaturüberwachung einer Computer-CPU.
Das zugehörige Aufbaubild zeigt, dass die Schaltung problemlos auf einem kleinen Breadboard aufgebaut werden kann [4]. Als Lautsprecher ist jeder Kleinleistungstyp mit mehr als 8 Ohm geeignet.
Diese und weitere hochinteressante Anwendungen aus dem weiten Gebiet der Thermosensoren, wie z. B.
ein Wohlfühl- Thermometer mit LED Bargraphanzeige
- ein Frostwarngerät für den Schutz vor Wasserschäden
- eine Tieftemperaturanzeige für Temperaturen bis -18 °C
- oder ein temperaturgesteuerter Oszillator
finden sich übrigens auch im Lernpakt „Sensortechnik"
Die passende Ergänzung zu diesem Artikel:
 | Lernpaket Sensortechnik Laborsteckboard, 40 Bauteile, 120-seitiges Handbuch
ISBN 978-3-7723-5547-9
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Die Temperatur ist sicher der wichtigste und am häufigsten gemessene Umweltparameter überhaupt. In praktisch jedem Haushalt findet sich mindesten ein Thermometer. Dabei erstrecken sich die Anwendungen vom einfachen Zimmerthermometer über Spezialinstrumente zum Kochen und Braten bis hin zum Fieberthermometer.
