TMP36 Temperatursensor

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Autor: Timo Malchus
Betreuer: Prof. Schneider

Aufgabe

Im fünften Semester des Studiengangs Mechatronik im Schwerpunkt Systems Design Engineering ist die Aufgabe, einen Sensor in Betrieb zu nehmen und auszuwerten. In diesem Artikel soll der Sensor TMP 36 aus dem klassischen Arduino Starterset analysiert und ausgewertet werden. Abschließend soll er einer Beurteilung hinsichtlich seiner Eignung zur Temperaturmessung unterzogen werden. Dazu wird zunächst seine technische Funktion erklärt. Dann soll eine Auswerteschaltung entwickelt werden. Nach der Auswertung der Sensordaten wird der Sensor mit einem in der Funktionsweise verschiedenen Sensor, dem Pt100 Widerstandsthermometer verglichen.

Einleitung

Der TMP36 ist ein sehr kostengünstiger Sensor zur Temperaturmessung. Der Sensor ist bei Internetieferanten bereits ab unter zwei Euro erhältlich. Er wird in verschiedenen Ausführungen zur THT und SMT Montage angeboten. Der Sensor selbst ist sehr kompakt. Die Abmaße in der THT-Variante betragen 4,83mm in der Breite, ebenso in der Höhe und 3,68mm in der Tiefe.

Technische Daten

Das Datenblatt zum Sensor ist frei im Internet einsehbar. Die für die Versuchsauswertung relevanten Daten sind in der folgenden Tabelle gelistet:

Technische Daten	Wert
Versorgungsspannung	2,7 - 5,5 V DC
Messbarer Temperaturbereich	-55°C - +150°C
Genauigkeit	i.d.R. 1°C, max. 3°C
Ausgangssignal	0,1V - 2V

Pinbelegung

Die Pinbelegung des Sensors ist sehr wichtig, da die Elektroniken im Inneren bei falscher Polung beschädigt werden können. Aus eigener Erfahrung ist zu sagen, dass es sich auch derart bemerkbar macht, dass man sich sofort den Finger verbrennt, wenn man den Sensor bei falscher Polung berührt.

Pinbelegung
Pin 1	Vcc
Pin 2	Signal
Pin 3	GND

Funktionsprinzip des TMP36 Temperatursensors

Viele Temperatursensoren messen die Temperatur durch die Änderung ihrer elektrischen Eigenschaften. Ein Pt100-Thermoelement beispielsweise ändert seinen ohmschen Widerstand. Ein NiCr-Ni Thermoelelement induziert eine Thermospannung unter Ausnutzung des Seebeck-Effekts. Der TMP36 grenzt sich von diesen Messprinzipien ab, indem er die Bandlücke von Halbleitern nutzt und diese als Maß für die Temperatur heranzieht. Durch geschickte Verschaltung von mehreren Bipolartransistoren werden die Temperatureigenschaften der dotierten Halbleitermaterialien genutzt, um eine Spannung hervorzurufen, die proportional zur Temperatur ist.
Um die Mechanismen dahinter verstehen zu können, werden zunächst die Grundlagen der Halbleitertechnik insbesondere unter Berücksichtigung der thermischen Eigenschaften beleuchtet.

Grundlagen zu Halbleitern und Bandlücken

Halbleitermaterialien wie Silizium, Germanium oder alpha-Zinn sind Feststoffe, deren Leitfähigkeit zwischen $10^{-8} \frac{1}{\Omega \cdot cm}$ und $10^{4} \frac{1}{\Omega \cdot cm}$ liegt. Halbleiter bewegen sich damit zwischen den Isolatoren und den Leiterwerkstoffen.
Grund für diese Eigenschaft ist die Atomstruktur des Halbleiters. Es befinden sich 4 Elektronen in der äußersten Schale des Atoms, die jeweils mit ihren Nachbarn eine Elektronenpaarbindung ausbilden. Es bildet sich eine Kristallstruktur, bei der jedes Atom einen festen Platz einnimmt. Eine grafische Modelierung der Gitterstruktur ist in der Abbildung links zu sehen. Hier ist beispielhaft Silizium mit seinen vier Valenzelektronen abgebildet.

Gitterstruktur von Silizium

Nach dem Bohr'schen Atommodell und den Gesetzen der Quantenmechanik können Elektronen nur diskrete Energieniveaus annehmen, die über ganzzahlige Vielfache des Bahndrehimpulses definiert werden. Die Valenzelektronen können sich entweder innerhalb der Bindung des Atoms befinden oder durch Anregung mit einer bestimmten Energiemenge ihre Schale und damit die Bindung durch das Atom verlassen, welches dann als positiv geladenes Ion im Atomverbund zurückbleibt. Dann befinden sie sich nicht mehr im Valenzband, sondern im Leitungsband und können sich in der Gitterstruktur bewegen. Unter Einfluss von elektrischen Feldern können sie dann zum Ladungstransport genutzt werden. Die Energie die nötig ist, um ein Elektron vom Valenzband in das Leitungsband anzuheben, wird als Bandabstand oder Bandlücke bezeichnet. Sie ist für Halbleiter charakteristisch und liegt zwischen 0,1eV und 4eV.

Temperaturverhalten von Halbleitern

Der Gitterverbund des Halbleiters wird durch Temperatur maßgeblich beeinflusst. Nur bei einer Temperatur von null Kelvin sind alle Atome im Gitter an ihren festen Plätzen zugeordnet und es können keine Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband übergehen. Mit der Erhöhung der Temperatur wird den Elektronen Energie zugeführt, sodass die Elektronen auf ein höheres Energieniveau gebracht werden und in das Leitungsband eintreten können. Je höher die Temperatur, desto mehr Ladungsträger stehen zur Verfügung.

Vereinfachte Sensorschaltung

Vereinfachte Schaltung des TMP36-Sensors

Das nebenstehende Bild ist dem Datenblatt des TMP36 Temperatursensors entliehen und zeigt den prinzipiellen Aufbau des Sensors in vereinfachter Form. Die zentralen Elemente des Sensors sind die Transistoren -Q1, -Q2, -Q3, sowie die Widerstände -R1 und-R2.
Die Transistoren -Q1 und -Q2 sind Bipolartransistoren, die sich in der Fläche des Emitters um das 10-fache unterscheiden. Weiterhin ist dem Transistor -Q1 ein weiterer Transistor -Q3 in Reihe geschaltet, der eine Spannungsverschiebung von -Q1 und -Q2 hervorruft. Sowohl -Q1, als auch -Q2 werden mit dem gleichen Kollektorstrom angesteuert. Entsprechend der Temperaturcharakteristik von pn-Übergängen nimmt bei gleichem Strom die Thermospannung zu, wenn die Temperatur steigt. Da der Strom jedoch auch noch von der Anzahl der Ladungsträger abhängig ist, würde bei gleicher Fläche des Emitters auch die gleiche Änderung der Spannung hervorgerufen werden und es wäre keine Spannungsdifferenz messbar. Durch ein Flächenverhältnis von 1:10 zwischen den beiden Transistoren kann eine Spannungsdifferenz entstehen, die mathematisch der Gesetzmäßigkeit

$\Delta U_{BE} = U_T \cdot \log \frac{A_{E,Q1}}{A_{E,Q2}}$

Durchführung der Sensorauswertung

Die Versuchsauswertung umfasst das Einstellen einer Temperaturreferenz und dem Abgleich mit den Sensorwerten, die über den Arduino ausgelesen werden. Laut Datenblatt kann der Sensor zwar über einen Temperaturbereich von -55°C bis +150°C arbeiten. Da mit herkömmlichen Mitteln insbesondere die tiefen Temperaturen nicht erreichbar sind, wird der Temperaturbereich zur Auswertung sich nur von 0°C auf 80°C beschränken. Bei höheren Temperaturen besteht die Gefahr, dass elektrische Leitungen und der Arduino Schaden nehmen könnten.

Versuchsaufbau

Die Sensorschaltung benötigt außer dem Arduino und dem Sensor selbst nur noch Verbindungsleitungen. Er kann ohne weitere Zwischenschaltungen an den Arduino angeschlossen werden und ausgelesen werden. Ein Bussystem ist hierbei nicht nötig. Die Verdrahtung des Sensors mit dem Mikrocontroller erfolgt nach dem links angegebenen Schaltplan und der entsprechenden Pinbelegung.

Versuchsdurchführung

Die Versuche zur Ermittlung der Temperatur werden mithilfe von Eiswürfeln und eines klassischen Backofens sowie eines analogen Fleischthermometers durchgeführt.

Vergleich mit dem Pt100- Widerstandsthermometer

Im folgenden soll der TMP36 mit dem Widerstandsthermometer Pt100 verglichen werden, der bereits im Zuge des GET-Fachpraktikums ausführlich behandelt wurde. Der Pt100 ist ein in Hobby- und Industriekreisen üblicher Sensor zur Temperaturerfassung, der vor allem durch seine Einfachheit gerne genutzt wird.

Das Funktionsprinzip basiert auf der linearen temperaturabhängigen Änderung des ohmschen Widerstandes eines Platinstreifens. Das Material ändert bei Temperaturwechsel seinen Widerstand, der proportional zur absoulten Temperatur ist. Der Wert 100 gibt an, dass der Widerstand des Materials bei null Grad Celsius 100 Ohm beträgt. Es gilt daher die Beziehung:

$R_{Pt100} = R_0 \cdot \left(1+ \alpha \cdot \Delta T\right)$

Für Platin ist der Proportionaliätsfaktor Fehler beim Parsen (Konvertierungsfehler. Der Server („cli“) hat berichtet: „[INVALID]“): {\displaystyle \alpha = 3,851 \cdot 10^{-3}^\circ C^{-1} } und der Grundwiderstand liegt bei $R_0 = R\left(0 ^\circ C\right) = 100 \Omega$

Quellenverzeichnis

1. Elektronik für Ingenieure Hering Bressler
2. Skript Bauelemente und Grundschaltungen Prof.Dr. Ing Nikolas Heuck 3. Datenblatt TMP36 4.

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