In deinem Laptop sitzen ein Dutzend Temperatursensoren, im Akku-Pack deines E-Bikes ebenso, und der Wetterstations-Bausatz misst die Außentemperatur mit einem kleinen Fühler am Kabel. Fast immer steckt dahinter kein Widerstand, sondern ein Chip: ein Temperatursensor-IC. Er braucht keine Kennlinie und keine Kalibrierung, liefert eine Spannung proportional zur Temperatur oder gleich eine fertige Zahl in °C. Zwischen −40 und +125 °C ist er für die meisten Aufgaben die einfachste Lösung.
Aufbau und Funktionsweise
Der eigentliche Fühler ist ein pn-Übergang, meist die Basis-Emitter-Strecke eines Bipolartransistors. Ihre Durchlassspannung UBE sinkt mit etwa −2 mV je Kelvin – warum, erklärt Temperaturverhalten von Halbleitern. Allein wäre das als Messgröße aber ungenau, weil der Ausgangswert UBE von Exemplar zu Exemplar streut.
Der Trick der Sensor-ICs: Zwei Transistoren werden mit unterschiedlicher Stromdichte betrieben, etwa im Verhältnis N = 8. Die Differenz ihrer Basis-Emitter-Spannungen hängt dann nur noch von Naturkonstanten und der absoluten Temperatur T ab:
mit der Boltzmann-Konstante k und der Elementarladung q. Diese Spannung wächst streng proportional zur absoluten Temperatur – Fachleute sagen PTAT (proportional to absolute temperature).
Neben dem Fühler enthält der Chip also eine Spannungsreferenz, einen Verstärker und je nach Typ einen AD-Wandler mit digitaler Schnittstelle. Bei der Herstellung wird jeder Chip abgeglichen. Das ist der Grund, warum du ihn ohne eigene Kalibrierung austauschen kannst.
Schaltzeichen
Ein eigenes Schaltzeichen gibt es nicht. Im Schaltplan erscheint der Sensor als Rechteck mit Pins wie VDD, GND, VOUT oder SDA, SCL und ADDR – also wie jedes andere IC. Ein kleines Thermometer oder ein „ϑ“ im Symbol hilft beim Lesen.
Ausgangsarten und Kennwerte
| Ausgang | Beispiel | Kennwerte, typisch | Wofür |
|---|---|---|---|
| Analogspannung | LM35 | 10 mV/°C, 0 V bei 0 °C, ±0,5 °C bei 25 °C | einfache Analogeingänge |
| Analogspannung mit Offset | TMP36, MCP9700 | 10 mV/°C, 500 mV bei 0 °C | Messung unter 0 °C ohne negative Versorgung |
| Strom | AD590 | 1 µA/K | lange Leitungen |
| 1-Wire | DS18B20 | ±0,5 °C von −10 bis +85 °C, 9 bis 12 Bit | viele Fühler an einer Leitung |
| I²C/SMBus | LM75, TMP102 | ±2 °C bzw. ±0,5 °C, Auflösung 0,5 °C bzw. 0,0625 °C | Platinentemperatur, Überwachung |
| I²C, hochgenau | TMP117 | ±0,1 °C von −20 bis +50 °C, 0,0078 °C Auflösung | Messtechnik, Medizin |
| Schaltausgang | Thermostat-ICs | fester oder einstellbarer Schwellwert | Lüfter, Abschaltung |
Zwei Kennwerte bekommen oft zu wenig Beachtung:
- Genauigkeit über den Bereich: Die beste Angabe gilt meist nur in einem schmalen Fenster. Ein DS18B20 hält ±0,5 °C nur zwischen −10 und +85 °C, darüber und darunter bis zu ±2 °C.
- Wandlungszeit und Stromaufnahme: Der DS18B20 braucht bei 12 Bit bis zu 750 ms je Messung. Sensoren mit Ruhemodus nehmen nur wenige Mikroampere auf – wichtig bei Batteriegeräten.
Bauformen
- TO-92 mit drei Beinen: LM35, TMP36, DS18B20. Gut fürs Steckbrett, aber Achtung: Ein DS18B20 sieht aus wie ein Kleinsignaltransistor.
- SOT-23, SC-70, SOT-563: kleine SMD-Gehäuse für die Platinentemperatur.
- WSON, DSBGA: winzig, mit freiliegendem Pad für gute thermische Kopplung an die Platine.
- Wasserdichter Fühler: ein DS18B20 vergossen in einer Edelstahlhülse mit dreiadrigem Kabel – Standard für Aquarium, Heizung und Wetterstation.
Mehr zu den Gehäusebezeichnungen unter IC-Gehäuse.
Typische Schaltungen
Analog: Versorgung, Masse, Ausgang an den ADC – mehr braucht der LM35 oder TMP36 nicht. Ein Keramikkondensator von 100 nF nah an der Versorgung und, bei langer Leitung zum ADC, ein Widerstand mit Kondensator als Tiefpass beruhigen das Signal. Kapazitive Last direkt am Ausgang mögen manche Typen nicht; das Datenblatt nennt einen Serienwiderstand.
1-Wire: Alle DS18B20 hängen parallel an einer Datenleitung mit einem Pull-up von 4,7 kΩ zur Versorgung. Jeder Sensor hat eine weltweit eindeutige 64-Bit-Adresse, über die der Mikrocontroller ihn anspricht. So liest du ein Dutzend Fühler über einen einzigen Pin.
I²C: Der Sensor teilt sich SDA und SCL mit anderen Bausteinen. Über Adresspins stellst du ein, unter welcher Adresse er antwortet; mehrere gleiche Sensoren am selben Bus brauchen unterschiedliche Adressen. Die Pull-up-Widerstände legst du einmal für den ganzen Bus aus:
I²C-Pull-up-Widerstände
- Rmin
- 967 Ω
- Rmax
- 3,54 kΩ
- Vorschlag (E12)
- 2,2 kΩ
- Anstiegszeit damit
- 186 ns
- Strom bei Low
- 1,32 mA
Nach NXP UM10204 (Rev. 7, Abschnitt 7.1): Rmin = (VDD − VOL,max) / IOL mit VOL,max = 0,4 V bei IOL = 3 mA, Rmax = tr / (0,8473 · Cb); 0,8473 = ln(0,7/0,3) ist die Zeit von 30 % auf 70 % in Zeitkonstanten. Der Vorschlag ist der größte E12-Wert bis 75 % von Rmax – Reserve für Toleranzen und eine zu knapp geschätzte Buskapazität. Cb schätzt du aus Pin-Kapazitäten (je Gerät etwa 5–10 pF) plus Leitung (grob 50–100 pF je Meter). Die steilste Flanke gehört zu Rmin, die flachste zu Rmax. Grenzen im Fast-mode: tr ≤ 300 ns, Cb ≤ 400 pF.
Auswahl und Praxistipps
Für Platinenüberwachung reicht ein günstiger I²C-Sensor mit ±1 °C. Für Raumklima nimmst du ±0,5 °C oder besser, gern kombiniert mit Feuchte in einem Feuchtesensor. Für Fühler am Kabel ist der DS18B20 bequem. Über 125 °C oder unter −55 °C steigst du auf einen PT1000 oder ein Thermoelement um.
Häufige Fehler:
- Der Sensor misst die Platine: Ein IC ist über seine Pins und das Pad fest mit dem Kupfer verbunden. Liegt er neben einem Spannungsregler oder Prozessor, zeigt er dessen Wärme an, nicht die Raumluft. Für Lufttemperatur setzt du ihn auf eine schmale Zunge am Platinenrand, mit einem Schlitz zum Rest der Platine. Mehr zum Wärmefluss unter Wärme und Kühlung.
- Eigenerwärmung durch Dauermessung: Ein Sensor, der ständig wandelt und viele Daten sendet, heizt sich um einige Zehntel Grad auf. Einzelmessungen mit Ruhepausen helfen.
- Pinbelegung verwechselt: LM35 und TMP36 haben dieselbe Gehäuseform, aber nicht immer dieselbe Belegung wie ähnliche Typen anderer Hersteller. Ein verkehrt gepolter Sensor wird heiß – im wörtlichen Sinn.
- Fälschungen: Billige DS18B20 aus unklaren Quellen halten die Genauigkeit oft nicht oder verhalten sich am Bus anders.
- Offset vergessen: Ein TMP36 liefert bei 0 °C schon 0,5 V. Rechnest du wie beim LM35, zeigt er 50 °C zu viel.
Selbsttest
Warum misst ein Sensor-IC die Differenz zweier Basis-Emitter-Spannungen statt einer einzelnen?
Die Differenz hängt nur von Naturkonstanten, dem Stromdichteverhältnis und der absoluten Temperatur ab; Exemplarstreuungen der einzelnen UBE fallen heraus.
Ein LM35 liefert 0,23 V. Welche Temperatur misst er?
0,23 V / 10 mV/°C = 23 °C.
Ein TMP36 liefert 0,23 V. Welche Temperatur?
(0,23 V − 0,5 V) / 10 mV/°C = −27 °C.
Wie viele DS18B20 brauchen wie viele Datenpins am Mikrocontroller?
Beliebig viele teilen sich einen Pin mit einem gemeinsamen Pull-up von 4,7 kΩ; jeder Sensor hat eine eigene 64-Bit-Adresse.
Warum zeigt ein Temperatursensor auf der Platine oft zu viel an?
Er ist über Pins und Kupfer thermisch mit der Platine gekoppelt und misst die Erwärmung durch Regler und Prozessor mit.