Temperaturdifferenz mit Transistoren messen
von Fritjof Flechsig
Herzlichen Dank für ein weiteres Jahr Spaß in der Vorweihnachtszeit. Auch im für mich schon fünften Jahr gibt es noch immer Neues und Interessantes zu entdecken! In diesem Jahr haben mir insbesondere die Tage 13 und 14 gefallen. Zwar liest man immer wieder in der einschlägigen Literatur, dass Kapazitäten temperaturabhängig sind. Es war ja auch schon Thema in den vergangenen Kalendern. Aber dass dies so schön einfach und deutlich sichtbar zu machen ist, fand ich sehr nett.
Die Kenngrößen von Transistoren sind ja auch stark temperaturabhängig. Als Faustgröße habe ich mir mal gemerkt, dass sich die Basis-Emitter-Spannung U_be bei festem Kollektorstrom I_c um 1-2mV pro Grad verringert. Und bei festem U_be vergrößert sich I_c um 5-10% pro Grad (für Details siehe z.B. dieser Wikipedia-Artikel). Mit der folgenden Schaltung möchte ich versuchen, dies auch so schön einfach darzustellen, und zwar mit den Bauteilen aus dem aktuellen Adventskalender.
In dem Aufbau sind die beiden Transistoren T1 und T2 als Stromspiegel geschaltet. Haben beide Transistoren die gleiche Temperatur, dann ist der Kollektorstrom von T2 durch den Kollektorstrom von T1 vorgegeben. Letzterer ist durch den 100k Widerstand an T1 festgelegt, durch die Verbindung von Basis mit Kollektor ändert er sich auch (fast) nicht mit der Temperatur. Der Kollektorstrom beider Transistoren beträgt hier etwas weniger als 0,1mA.
Der Transistor T3 dient als einfacher Verstärker. Lässt man den 1k-Emitter-Widerstand an T1 und T2 weg, dann ist auch in T3 der Kollektorstrom von 0,1mA vorgegeben, die LED leuchtet kaum, bei ungünstigen Bauteiltoleranzen u.U. auch gar nicht. Der Emitter-Widerstand hebt die Basis-Emitter-Spannung von T3 soweit an, dass die LED mit einer mittleren Helligkeit zuverlässig leuchtet.
Achtung: Beim Aufbau der Schaltung berührt man zwangsläufig die Transistoren. Also haben sie unterschiedliche Temperaturen. Wenn beim ersten Aufbau die LED nicht oder viel zu hell leuchtet, bitte haben Sie etwas Geduld bis sich die Transistoren auf eine etwa gleiche Temperatur eingespielt haben. Oder helfen Sie durch vorsichtiges Erwärmen von T1 oder T2 mit dem Finger etwas nach, und zwar wie folgt:
Erwärmt man T1 vorsichtig mit dem Finger (oder haucht ihn etwas an), dann verringert sich die Spannung U_be an T1 ein wenig. Damit verringert sich auch I_c von T2, womit sich die Spannung U_be von T3 erhöht und die LED deutlich heller leuchtet.
Erwärmt man dagegen T2, dann erhöht sich I_c von T2, womit U_be von T3 fällt und die LED dunkler wird.
Der Kollektorstrom von T2 schwankt immerhin jeweils um einige 10µA, was über den 100k-Widerstand zu Änderungen der Basis-Emitter-Spannung von T3 in Größenordnung von 100mV führt. Das reicht zur Vervielfachung vom Kollektorstrom von T3 und dem deutlich sichtbaren Effekt an der LED. Eine Berührung von T3 führt dagegen nur zu Änderungen von wenigen Prozent des Stromes, was nicht zu sehen ist.
So, und wer nun glücklicher Besitzer eines IOT-Kalenders ist (war mir leider nicht vergönnt), der kann dies z.B. zu einem Berührungssensor eines Gehäuses umbauen. Ein Transistor wird mit dem Gehäuse verbunden, der zweite verbleibt im Inneren. Der Mikrokontroller kann Temperaturänderungen über einen zusätzlichen Emitter-Widerstand von 10k an T3 abgreifen. Wenn zusätzlich noch der Erschütterungssensor anschlägt, dann ist höchste Gefahr für den möglicherweise wertvollen Inhalt des Gehäuses - und der Mikrokontroller sendet über das Internet einen Alarm ab.
Zum Anschluss an das IoT-Board eignet sich der analoge Eingang A0. Dann kann das Software-Projekt vom Tag 19: ThingSpeak ohne Änderungen verwendet werden.