Mittwoch, 13 Mai 2020 13:34

Mit neuen linearen Thermistoren näher an die thermischen Grenzen

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Abb. 1: Neuer Si-Thermistor TMP61 von TI

Die neuen linearen 10 kΩ-Silizium-Thermistoren TMP61, TMP63 und TMP64 von Texas Instruments weisen mit einer Toleranz von ±1% eine ungewöhnlich hohe Stabilität auf und erreichen eine um bis zu 50 % höhere Genauigkeit im Vergleich zu klassischen NTC-Thermistoren. Hohe Empfindlichkeit und Ein-Punkt-Kalibrierung sind weitere Vorteile. Dadurch ist es möglich, die thermischen Grenzen der anderen Bauteile und des Systems im Betrieb insgesamt weiter auszureizen. Neben der Performance-Maximierung lassen sich der Bauteileaufwand und damit die Lösungskosten verringern.

Obwohl NTC-Thermistoren wegen ihres günstigen Preises sehr verbreitet sind, erweisen sie sich für Schaltungsentwickler auf verschiedene Weise als problematisch. Zum Beispiel verschlechtert sich die Leistungsfähigkeit der Thermistoren aufgrund ihres negativen Temperaturkoeffizienten bei Temperaturextremen. Wegen der komplexen Kalibrieranforderungen ist der Entwicklungsaufwand größer.

Die neuen PTC-Linear-Thermistoren vom Typ TMP61, TMP63 und TMP 64 von Texas Instruments, die seit Jahresbeginn im Portfolio des Produzenten sind, werden zwar zu ähnlichen Preisen wie NTC-Thermistoren angeboten, bieten dagegen einen deutlich größeren Nutzen (Abb. 1). Insbesondere minimieren sie den Zeitbedarf für das Design, senken den Bauteileaufwand und steigern die System-Performance [1]. Ein ausführliches Datenblatt für den Einsatz von TPM61 ist unter [2] zu finden.

Spezieller Fertigungsprozess

Die drei linearen Siliziumthermistoren haben einen linearen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC), der über einen weiten Betriebstemperaturbereich zu einem gleichmäßigen und konsistenten Temperaturkoeffizientenwiderstand (Temperature Coefficient Resistance, TCR) führt. TI verwendet ein spezielles Siliziumverfahren, bei dem die Dotierungspegel und Regionen der aktiven Flächen im Bauteil die Schlüsseleigenschaften (Temperaturkoeffizientenwiderstand TCR und Nennwiderstand R25) steuern. Das Bauteil hat aufgrund der polarisierten Anschlüsse einen aktiven Bereich und ein Substrat.

Vorteile für die System-Performance und die Zuverlässigkeit

Speziell bei Temperaturen über 80 °C liefern die neuen Thermistoren von TI zuverlässige und höchst genau Temperaturmessungen. Von besonderer Bedeutung ist dies in Industrie-, Automotive- und Consumer-Anwendungen, in denen präzise Echtzeit-Temperaturmesswerte entscheidend für die Leistungsfähigkeit und den Schutz des Systems sind. Mit den genaueren Unterschieden zwischen NTCs und den linearen Thermistoren von TI befasst sich ein 8-seitiges Whitepaper mit dem Titel ‚Temperature Sensing with Termistors‘, welches TI im Januar 2020 herausgebracht hat und das über [3] abrufbar ist.

Wegen ihrer geringen Empfindlichkeit und ihrer hohen Widerstandstoleranz bei extremen Temperaturen führen NTC-Thermistoren zu weniger genauen Temperaturmesswerten. Um diesen Problemen entgegenzuwirken, nehmen viele Entwickler Kalibrierungen an drei Punkten des Temperaturbereiches vor oder überwachen mit mehreren Thermistoren verschiedene Temperaturbereiche. Doch auch mit diesen Verfahren können unzuverlässige Temperaturwerte entstehen, sodass Systeme möglicherweise vor dem Erreichen ihrer wirklichen thermischen Grenzen abgeschaltet werden müssen. Die Linearität und die hohe Genauigkeit der TI-Thermistoren erlauben dagegen eine Ein-Punkt-Kalibrierung, was für maximale System-Performance sorgt und das Design vereinfacht.
Die Thermistoren von TI zeichnen sich ferner durch eine sehr geringe thermische Drift von 0,5 % aus, was der Zuverlässigkeit der Temperaturmessungen zugute kommt und Designern die Möglichkeit bietet, die System-Performance zu steigern und gleichzeitig für einen sicheren Betrieb zu sorgen. Entwickler können das Thermistor-Designtool von TI, auf welches auf den Thermistor-Produktseiten und Datenblättern von TI hingewiesen wird, zum schnellen und einfachen Berechnen von Temperatur-Widerstands-Werten nutzen [2].

Zwei weitere Basisparameter:

Temperaturbereich –40°C bis +125°C
Schnelle thermische Reaktionszeit von 0,6 s (DEC)

Reduzierte Systemkosten, weniger Platzbedarf

Indem sie den Verzicht auf zusätzliche Linearisierungs-Schaltungen oder redundante NTC-Thermistoren ermöglichen, helfen die Thermistoren von TI den Entwicklern, ihre Designs zu vereinfachen, die Systemkosten zu senken und die Größe des Leiterplatten-Layouts gegenüber NTC-Thermistoren um mindestens 33 % zu verringern (Abb. 2). Nicht zuletzt sind die TI-Thermistoren nur ein Zehntel so groß wie vergleichbare, auf Silizium basierende lineare Thermistoren. Ihre flache Bauform und geringe Gehäusefläche gestattet eine Platzierung näher an den thermischen Hot Spots, was für kürzere Ansprechzeiten und stimmigere Temperaturmessungen sorgt (Tab. 1). Abbildung 3 zeigt das Funktionsdiagramm.

Gehäusetyp	Bodenmaße (Nominal)
X1SON (2)	0,60 × 1,00 mm
TO-92S (2)	1,52 × 3,15 mm
SOT-5×3 (2)	0,80 × 1,20 mm

Tab. 1: Abmessungen des Gehäusebodens von TMP61 [2]

Abb. 3: Funktionsdiagramme von TMP61

Verfügbarkeit und Preise

Das neue Thermistor-Portfolio von TI mit den Bausteinen TMP61, TMP63 und TMP64 ist ab sofort bei autorisierten Distributoren zu Preisen ab 0,05 US-Dollar (ab 1000 Stück) verfügbar.
Der TMP61 ist derzeit in einem 0402-Footprint-kompatiblen X1SON-Gehäuse, einem 0603-Footprint-kompatiblen SOT-5X3-Gehäuse und einem 2-poligen TO-92S-Gehäuse mit Durchgangsloch erhältlich.