PT100/PTC - Verstärkerschaltung für ADC-Anbindung

Wer Angst vor analogen Schaltungen hat und mit seinem µC Temperaturen messen will benutzt häufig digitale Sensoren und spart sich so eine Menge Aufwand. Wer allerdings schon eingebaute PT100 oder andere PTCs verwenden will, oder einfach eine höhere Genauigkeit braucht als bezahlbare, digitale Sensoren liefern steht vor einem Problem: welcher Schaltungsvorschlag aus dem Netz ist geeignet, genau genug und macht nicht zuviel Arbeit? Die folgende Schaltung soll hier eine weitere Alternative bieten, die ohne großen Aufwand und ohne besondere Kenntnisse in Analogtechnik jedem einen Nachbau ermöglichen soll.

Sie bietet gegenüber einigen anderen Schaltungen folgende Vorteile:

- einfacher Aufbau mit einem 2-fach-OP und häufig vorhandenen Widerstandswerten
- Konstantstromspeisung des Sensors um Eigenerwärmung und Linearitätsabweichungen zu reduzieren
- einfacher Nullpunktabgleich durch Referenzwiderstand gemäß Liste
- hohe Eingangsimpedanz um Linearitätsabweichungen zu reduzieren
- Zweileiter- oder Dreileiterschaltung möglich
- optimiert für unsymmetrische Spannungsversorgungen (z.B. +5V)
- geringe Anforderungen an den R2R-Output-Swing des OPs, da alle OP-Eingänge und der interne Ausgang zwischen 40-60% Ub liegen
- automatische Verstärkungsanpassung auf +Vref (bzw. +Ub) eines nachgeschalteten ADCs
- niedrige Ausgangsimpedanz

Natürlich hat diese Schaltung auch ihre Nachteile:

- der R2R-Output-Swing des OPs reduziert natürlich auch hier den nutzbaren Spannungsbereich am Ausgang wie bei jeder OP-Schaltung
- die Ausgangsspannung ist umgekehrt proportional zur Temperatur, erfordert also eine Subtraktion in der Auswertung


Was macht diese Schaltung und wofür ist sie gedacht:
Gedacht ist diese Schaltung um mit wenig analogem Schaltungsaufwand, ohne präzise Referenzspannung und mit nur einer +5V Spannungsversorgung den temperaturbedingten Spannungsänderung eines PT100 etwa in den Eingangsspannungsbereich eines ADC's zu verstärken. Dabei arbeitet die Schaltung "umgekehrt": 0°C entsprechen also etwa Uref bzw. Ub und 100°C etwa 0V am Ausgang - eine nachträgliche Subtraktion im Controller ist eine Programmzeile, schaltungstechnisch müßte man noch einen zusätzlichen OP einbauen, oder nichtlineare Einflüsse in Kauf nehmen. Die Kalibrierung zum Nullpunktabgleich und Ermittlung der Steigung sind auch für den nachgeschalteten Controller gedacht, (geht natürlich auch analog).

Ein Trimmer zum exakten Nullabgleich ist beabsichtigt nicht vorgesehen, sondern der leicht angehobene Nullpunkt durch den zusätzlichen Leitungswiderstand eines angeschlossenen Sensors wird benutzt, um die Ausgangsspannungsgrenze des OPs zu überwinden, wenn nur eine (unsymmetrische) Spannungsquelle für Betriebsspannung und Uref benutzt wird.

R1; R2 = 1k
R3 = 49,9k (bzw. 50k bei 0,1%)
R4 = 806 Ohm
R5 = 200 Ohm
Rz = 100 Ohm für Meßbereich ab 0°C (andere Temperaturen gemäß Tabelle unten)


Beispiel: Ein Sensor wird mit 2 Leitungen angeschlossen und statt des exakten Uref-Endwertes bei 100 Ohm von 1023 liefert der ADC einen Meßwert von 1017. Diesen Wert speichert man als Nullpunkt. Nun wird die Verstärkung am Trimmer so eingestellt, daß der ADC-Wert bei 100°C exakt um 1000 Inkremente niedriger liegt als der Nullpunkt, also bei 17.

Es ergibt sich ein Verhältnis von ca. 0,1% pro Wandlerinkrement über den kompletten Meßbereich von 100°C und die Umrechnung beschränkt sich darauf ein Komma zu setzen! Es verbleibt in diesem Beispiel am oberen Rand zur Referenzspannung ca. 30mV ungenutzte Spannungsreserve, am unteren Rand bleiben ganze 83mV bis 0V übrig, die auch von billigen, als Rail-To-Rail verkauften Ops tatsächlich erreicht werden.

Ein Beispiel für ein einfach justierbares µC-Programm mit zur Justierung über Terminalprogramm oder Display:

Do

1. ADCwert einlesen
2. If Tastendruck Then Nullpunkt = ADCwert
3. Temperatur = Nullpunkt - ADCwert
4. Print Temperatur

Loop


Die Schleife lässt man laufen, kühlt den Sensor in kaltem Öl oder Salzwasser ab oder schließt sich einen 100,0 Ohm Referenzwiderstand an's Kabelende an. Hat der Sensor genau 0°C drückt man die Taste und die Anzeigewerte sollten auf 0 gehen. Dadurch, daß der Wert vom Nullpunkt abgezogen wird statt wie üblich umgekehrt wird automatisch auch gleich das "invertierte" Temparaturverhalten der Schaltung richtig gedreht.

Dann erwärmt man den Sensor auf 37°C oder 100°C und misst die genaue Temperatur mit einem Fiber-/thermometer. Man kann sich natürlich statt dessen auch irgendeinen genauen Referenzwiderstand statt des PT100 an's Kabelende löten. Welchen Widerstand ein PT100 bei welcher Temperatur hätte entnehmt bitte der folgenden Liste: -50°C -> 80,31 Ohm -49°C -> 80,70 Ohm -48°C -> 81,10 Ohm -47°C -> 81,50 Ohm -46°C -> 81,89 Ohm -45°C -> 82,29 Ohm -44°C -> 82,69 Ohm -43°C -> 83,08 Ohm -42°C -> 83,48 Ohm -41°C -> 83,87 Ohm -40°C -> 84,27 Ohm -39°C -> 84,67 Ohm -38°C -> 85,06 Ohm -37°C -> 85,46 Ohm -36°C -> 85,85 Ohm -35°C -> 86,25 Ohm -34°C -> 86,64 Ohm -33°C -> 87,04 Ohm -32°C -> 87,43 Ohm -31°C -> 87,83 Ohm -30°C -> 88,22 Ohm -29°C -> 88,62 Ohm -28°C -> 89,01 Ohm -27°C -> 89,40 Ohm -26°C -> 89,80 Ohm -25°C -> 90,19 Ohm -24°C -> 90,59 Ohm -23°C -> 90,98 Ohm -22°C -> 91,37 Ohm -21°C -> 91,77 Ohm -20°C -> 92,16 Ohm -19°C -> 92,55 Ohm -18°C -> 92,95 Ohm -17°C -> 93,34 Ohm -16°C -> 93,73 Ohm -15°C -> 94,12 Ohm -14°C -> 94,52 Ohm -13°C -> 94,91 Ohm -12°C -> 95,30 Ohm -11°C -> 95,69 Ohm -10°C -> 96,09 Ohm -9°C -> 96,48 Ohm -8°C -> 96,87 Ohm -7°C -> 97,26 Ohm -6°C -> 97,65 Ohm -5°C -> 98,04 Ohm -4°C -> 98,44 Ohm -3°C -> 98,83 Ohm -2°C -> 99,22 Ohm -1°C -> 99,61 Ohm 0°C -> 100,00 Ohm 1°C -> 100,39 Ohm 2°C -> 100,78 Ohm 3°C -> 101,17 Ohm 4°C -> 101,56 Ohm 5°C -> 101,95 Ohm 6°C -> 102,34 Ohm 7°C -> 102,73 Ohm 8°C -> 103,12 Ohm 9°C -> 103,51 Ohm 10°C -> 103,90 Ohm 11°C -> 104,29 Ohm 12°C -> 104,68 Ohm 13°C -> 105,07 Ohm 14°C -> 105,46 Ohm 15°C -> 105,85 Ohm 16°C -> 106,24 Ohm 17°C -> 106,63 Ohm 18°C -> 107,02 Ohm 19°C -> 107,40 Ohm 20°C -> 107,79 Ohm 21°C -> 108,18 Ohm 22°C -> 108,57 Ohm 23°C -> 108,96 Ohm 24°C -> 109,35 Ohm 25°C -> 109,73 Ohm 26°C -> 110,12 Ohm 27°C -> 110,51 Ohm 28°C -> 110,90 Ohm 29°C -> 111,29 Ohm 30°C -> 111,67 Ohm 31°C -> 112,06 Ohm 32°C -> 112,45 Ohm 33°C -> 112,83 Ohm 34°C -> 113,22 Ohm 35°C -> 113,61 Ohm 36°C -> 114,00 Ohm 37°C -> 114,38 Ohm 38°C -> 114,77 Ohm 39°C -> 115,15 Ohm 40°C -> 115,54 Ohm 41°C -> 115,93 Ohm 42°C -> 116,31 Ohm 43°C -> 116,70 Ohm 44°C -> 117,08 Ohm 45°C -> 117,47 Ohm 46°C -> 117,86 Ohm 47°C -> 118,24 Ohm 48°C -> 118,63 Ohm 49°C -> 119,01 Ohm 50°C -> 119,40 Ohm 51°C -> 119,78 Ohm 52°C -> 120,17 Ohm 53°C -> 120,55 Ohm 54°C -> 120,94 Ohm 55°C -> 121,32 Ohm 56°C -> 121,71 Ohm 57°C -> 122,09 Ohm 58°C -> 122,47 Ohm 59°C -> 122,86 Ohm 60°C -> 123,24 Ohm 61°C -> 123,63 Ohm 62°C -> 124,01 Ohm 63°C -> 124,39 Ohm 64°C -> 124,78 Ohm 65°C -> 125,16 Ohm 66°C -> 125,54 Ohm 67°C -> 125,93 Ohm 68°C -> 126,31 Ohm 69°C -> 126,69 Ohm 70°C -> 127,08 Ohm 71°C -> 127,46 Ohm 72°C -> 127,84 Ohm 73°C -> 128,22 Ohm 74°C -> 128,61 Ohm 75°C -> 128,99 Ohm 76°C -> 129,37 Ohm 77°C -> 129,75 Ohm 78°C -> 130,13 Ohm 79°C -> 130,52 Ohm 80°C -> 130,90 Ohm 81°C -> 131,28 Ohm 82°C -> 131,66 Ohm 83°C -> 132,04 Ohm 84°C -> 132,42 Ohm 85°C -> 132,80 Ohm 86°C -> 133,18 Ohm 87°C -> 133,57 Ohm 88°C -> 133,95 Ohm 89°C -> 134,33 Ohm 90°C -> 134,71 Ohm 91°C -> 135,09 Ohm 92°C -> 135,47 Ohm 93°C -> 135,85 Ohm 94°C -> 136,23 Ohm 95°C -> 136,61 Ohm 96°C -> 136,99 Ohm 97°C -> 137,37 Ohm 98°C -> 137,75 Ohm 99°C -> 138,13 Ohm 100°C -> 138,51 Ohm 101°C -> 138,88 Ohm 102°C -> 139,26 Ohm 103°C -> 139,64 Ohm 104°C -> 140,02 Ohm 105°C -> 140,40 Ohm 106°C -> 140,78 Ohm 107°C -> 141,16 Ohm 108°C -> 141,54 Ohm 109°C -> 141,91 Ohm 110°C -> 142,29 Ohm 111°C -> 142,67 Ohm 112°C -> 143,05 Ohm 113°C -> 143,43 Ohm 114°C -> 143,80 Ohm 115°C -> 144,18 Ohm 116°C -> 144,56 Ohm 117°C -> 144,94 Ohm 118°C -> 145,31 Ohm 119°C -> 145,69 Ohm 120°C -> 146,07 Ohm 121°C -> 146,44 Ohm 122°C -> 146,82 Ohm 123°C -> 147,20 Ohm 124°C -> 147,57 Ohm 125°C -> 147,95 Ohm 126°C -> 148,33 Ohm 127°C -> 148,70 Ohm 128°C -> 149,08 Ohm 129°C -> 149,46 Ohm 130°C -> 149,83 Ohm 131°C -> 150,21 Ohm 132°C -> 150,58 Ohm 133°C -> 150,96 Ohm 134°C -> 151,33 Ohm 135°C -> 151,71 Ohm 136°C -> 152,08 Ohm 137°C -> 152,46 Ohm 138°C -> 152,83 Ohm 139°C -> 153,21 Ohm 140°C -> 153,58 Ohm 141°C -> 153,96 Ohm 142°C -> 154,33 Ohm 143°C -> 154,71 Ohm 144°C -> 155,08 Ohm 145°C -> 155,46 Ohm 146°C -> 155,83 Ohm 147°C -> 156,20 Ohm 148°C -> 156,58 Ohm 149°C -> 156,95 Ohm 150°C -> 157,33 Ohm 151°C -> 157,70 Ohm 152°C -> 158,07 Ohm 153°C -> 158,45 Ohm 154°C -> 158,82 Ohm 155°C -> 159,19 Ohm 156°C -> 159,56 Ohm 157°C -> 159,94 Ohm 158°C -> 160,31 Ohm 159°C -> 160,68 Ohm 160°C -> 161,05 Ohm 161°C -> 161,43 Ohm 162°C -> 161,80 Ohm 163°C -> 162,17 Ohm 164°C -> 162,54 Ohm 165°C -> 162,91 Ohm 166°C -> 163,29 Ohm 167°C -> 163,66 Ohm 168°C -> 164,03 Ohm 169°C -> 164,40 Ohm 170°C -> 164,77 Ohm 171°C -> 165,14 Ohm 172°C -> 165,51 Ohm 173°C -> 165,89 Ohm 174°C -> 166,26 Ohm 175°C -> 166,63 Ohm 176°C -> 167,00 Ohm 177°C -> 167,37 Ohm 178°C -> 167,74 Ohm 179°C -> 168,11 Ohm 180°C -> 168,48 Ohm 181°C -> 168,85 Ohm 182°C -> 169,22 Ohm 183°C -> 169,59 Ohm 184°C -> 169,96 Ohm 185°C -> 170,33 Ohm 186°C -> 170,70 Ohm 187°C -> 171,07 Ohm 188°C -> 171,43 Ohm 189°C -> 171,80 Ohm 190°C -> 172,17 Ohm 191°C -> 172,54 Ohm 192°C -> 172,91 Ohm 193°C -> 173,28 Ohm 194°C -> 173,65 Ohm 195°C -> 174,02 Ohm 196°C -> 174,38 Ohm 197°C -> 174,75 Ohm 198°C -> 175,12 Ohm 199°C -> 175,49 Ohm 200°C -> 175,86 Ohm 201°C -> 176,22 Ohm 202°C -> 176,59 Ohm 203°C -> 176,96 Ohm 204°C -> 177,33 Ohm 205°C -> 177,69 Ohm 206°C -> 178,06 Ohm 207°C -> 178,43 Ohm 208°C -> 178,79 Ohm 209°C -> 179,16 Ohm 210°C -> 179,53 Ohm 211°C -> 179,89 Ohm 212°C -> 180,26 Ohm 213°C -> 180,63 Ohm 214°C -> 180,99 Ohm 215°C -> 181,36 Ohm 216°C -> 181,72 Ohm 217°C -> 182,09 Ohm 218°C -> 182,46 Ohm 219°C -> 182,82 Ohm 220°C -> 183,19 Ohm 221°C -> 183,55 Ohm 222°C -> 183,92 Ohm 223°C -> 184,63 Ohm 224°C -> 184,65 Ohm 225°C -> 185,01 Ohm 226°C -> 185,38 Ohm 227°C -> 185,74 Ohm 228°C -> 186,11 Ohm 229°C -> 186,47 Ohm 230°C -> 186,84 Ohm 231°C -> 187,20 Ohm 232°C -> 187,56 Ohm 233°C -> 187,93 Ohm 234°C -> 188,29 Ohm 235°C -> 188,66 Ohm 236°C -> 189,02 Ohm 237°C -> 189,38 Ohm 238°C -> 189,75 Ohm 239°C -> 190,11 Ohm 240°C -> 190,47 Ohm 241°C -> 190,84 Ohm 242°C -> 191,20 Ohm 243°C -> 191,56 Ohm 244°C -> 191,92 Ohm 245°C -> 192,29 Ohm 246°C -> 192,65 Ohm 247°C -> 193,01 Ohm 248°C -> 193,37 Ohm 249°C -> 193,74 Ohm 250°C -> 194,10 Ohm
Ein wirklich ziemlich präzises Berechnungsprogramm für PT100-Temperatur/Widerstandswerte findet Ihr auch auf meiner Seite bei den Tabellen und Berechnungstools.

Wer garnicht kalibrieren will, der stelle sich am Poti zumindest einen rel. exakten Strom von 2,54mA durch den PT100 ein. Bei einer Verstärkung von 49,9 ergibt sich dann bei 100°C Temperaturänderung am PT100 eine Spannungsänderung von 4,883V am Ausgang, was bei einem 10-Bit-ADC mit 5V Ref etwa den Wert 1000 ausmacht. Macht man das mit Festwiderstand oder erwärmt man den Sensor mit Referenzthermometer, dann dreht man einfach am Poti bis der µC den entsprechenden Vergleichswert ausgibt und fertig! (Will man es ganz genau haben wiederholt man das ganze noch einmal, weil der Nullpunkt sich beim Drehen am Poti minimal verstellt.

Wer einen anderen Meßbereich, z.B. von -50°C bis +50C wünscht baue sich einfach einen entsprechenden Rz-Widerstandswert gemäß Liste ein und lasse den Rest so, wer größere/kleinere Meßbereiche als 100°C braucht wird nicht umhin kommen, sich die Widerstände R4/R5 so anzupassen, daß sich ein enstprechender Konstantstrom durch den PT100 ergibt, das dessen Spannungsabfalländerung x 49,9 seiner gewünschten Ausgangsspannung entspricht.