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SPICE-Modelle für Platin-Temperatursensoren: Genauer simulieren

Mit dem Aufkommen von IoT-Anwendungen, der wachsenden Verbreitung von Elektro- und Hybrid-Elektro-Fahrzeugen (EV / HEV) und der zunehmenden Industrieautomatisierung gewinnt auch die genaue Simulation von Temperatursensoren an Bedeutung. Für aktive Bauelemente sind schon seit Jahrzehnten SPICE-Modelle verfügbar – nicht so für passive. Für eine Temperatursensor-Schaltung auf der Basis eines RTD-Widerstands stellt Vishay ein präzises SPICE-Modell bereit, das eine wesentlich genauere Simulation ermöglicht als generische Modelle.

Komplexe mechatronische Probleme erfordern leistungsfähige Software für anspruchsvolle Berechnungen und effiziente Simulationsmodelle für elektronische Bauelemente. Da für passive Bauteile kaum realistische Modelle verfügbar sind, werden oft generische Modelle verwendet. Solche Simulationen liefern zwar qualitativ korrekte Ergebnisse, sind in ihrer Genauigkeit aber begrenzt.

Doch für eine Temperatursensor-Schaltung auf der Basis eines RTD-Widerstands stellt Vishay ein präzises SPICE-Modell für eine erheblich genauere Simulation bereit.

Der aktive Teil der Messschaltung besteht aus einem Operationsverstärker LTC2063, der 2017 von Analog Devices auf den Markt gebracht wurde und sich u. a. durch eine extrem geringe Stromaufnahme von nur 2 µA auszeichnet.

Wenn man diesen Aufbau zur Temperaturmessung nutzen will, kann das Schaltbild gemäß Abbildung 1 beschrieben werden.

Als Eingangssignal für die Temperaturmessung dient hier ein SMD-Platinsensor (PTS1206) von Vishay mit der Genauigkeitsklasse 1B. Diese Art linearer Temperatursensoren erfreut sich seit ihrer serienmäßigen AEC-Q200 Qualifizierung wachsender Beliebtheit in der Automobilbranche, da sie für Anwendungen mit hohen Anforderungen an Stabilität und Temperatur eine gute Alternative zu den herkömmlich eingesetzten SMD-NTCs bilden. Ein weiterer wichtiger Vorteil des PTS gegenüber des NTCs ist die Linearität der elektrischen Kennlinie. NTCs sind zwar empfindlicher als RTDs, bieten aber - selbst nach Linearisierung - nicht annähernd eine nahezu ideale Linearität über den weiten Temperaturbereich von -40°C bis +85°C.

Selbstverständlich liefert Analog Devices zu dieser Schaltung ein brauchbares LTspice-Modell, das unter https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html zum Download zur Verfügung steht. Hier wird der PTS-Sensor durch einen variablen Widerstand repräsentiert (Abbildung 2).

Ingenieuren, die sich mit Simulationen auskennen, wird bei diesem Modell ein Detail auffallen: Obwohl es sich hier um eine Temperaturmessschaltung mit einer spezifizierten Gesamtgenauigkeit von ±1°C handelt, erscheint nirgendwo - weder in den SPICE-Direktiven noch in der Definition des PTS - die variable Temperatur (globale Umgebungstemperatur).

Um dem Anwender von LTC2063-Modellen ein Vertiefen in die PTS-Datenblätter zu ersparen, hat Vishay das SPICE-Modell für DC-Temperaturwobbelung explizit einbezogen (Abbildung 3). Dieses erweiterte Modell ermöglicht folgendes:

  •  Einstellen/Durfahren der Temperatur
  •  Visualisierung des Einflusses der TK-Toleranzen des PTS
  • Feinabstimmung/Ermittlung des Feedback-Widerstandes
  •  Test der Schaltung mit Monte-Carlo-Toleranzen aller passiven Bauelemente (Festwiderstände, PTS)
  •  Berechnung der effektiven Ausgangsspannungsgenauigkeit des LTC2063 als Maß für die Temperatur in °C (Abbildung 4)

Aus Abbildung 4 ist ersichtlich, dass die Schaltung selbst unter Einbeziehung aller Bauteiltoleranzen eine lineare Temperaturkennlinie (oberes Fenster) mit einer Gesamtgenauigkeit von größtenteils ±1°C (unteres Fenster) aufweist - was zu beweisen war.

Die Analyse ließe sich noch vertiefen, etwa mit einer dynamischen Temperaturänderung über der Zeit für den PTS-Sensor. Dafür wäre jedoch ein anders SPICE-Modell für den Sensor nötig. Damit könnte ein wichtiger Effekt, nämlich das zeitliche Ansprechverhalten des Sensors, demonstriert werden. Sollte sich der Sensor als "zu langsam" für die geplante Anwendung erweisen, ist ein kleinerer Sensor, beispielsweise im Format 0805, 0603 oder noch kleiner, eine gute Alternative.

Das Beispiel zeigt, dass ein vom Sensorhersteller bereitgestelltes SPICE-Modell das Simulationsmodell für das IC hervorragend ergänzt. Zudem zeigt es, dass es zahlreiche Möglichkeiten für Entwicklungen auf dem Gebiet der Temperatursensorsimulation gibt.

Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.

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Image 1: Measurement setup for Ltspice simulation
Abbildung 1: Messaufbau zur Bestimmung der Linearität eines SMD-Platin-Widerstandes aus der Vishay PTS Serie.