Thermistor

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Ein Thermistor (Kunstwort aus englisch thermal und resistor) ist ein variabler elektrischer Widerstand, dessen Wert sich mit der Temperatur reproduzierbar ändert. Er eignet sich zur Temperaturmessung oder zur Strombegrenzung im Einschalt- oder Dauerbetrieb.

Schaltsymbol

Allgemeines[Bearbeiten]

Kennzeichnend für einen Thermistor ist die Änderung des Widerstandes bei Änderung der Temperatur. Als Widerstandsmaterial werden Metalle, halbleitende Metalloxide (keramische Werkstoffe) oder Silizium verwendet, wobei je nach Anwendung sowohl Materialien mit positiven als auch negativen Temperaturkoeffizienten Anwendung finden.

In erster Näherung kann die Abhängigkeit des Widerstandes R von der Temperatur T als lineare Gleichung mit dem Proportionalitätsfaktor k beschrieben werden:

\Delta R=k\Delta T .

Der Faktor k wird auch als Temperaturkoeffizient erster Ordnung bezeichnet. Je nach Vorzeichen dieses Koeffizienten wird zwischen Heißleitern mit negativen Koeffizienten und Kaltleitern mit positiven Koeffizienten unterschieden. Bei Heißleitern, auch als NTC-Widerstand bezeichnet, sinkt der Widerstandswert mit steigender Temperatur. Bei Kaltleitern, auch als PTC-Widerstand bezeichnet, steigt der Widerstandswert mit steigender Temperatur.

Anwendungen[Bearbeiten]

Messtechnik[Bearbeiten]

Pt100 mit keramischer Ummantelung zur Temperaturmessung
Hauptartikel: Widerstandsthermometer
Thermistor in Perlenbauform zur Temperaturmessung

Kaltleiter[Bearbeiten]

Hauptartikel: Platin-Messwiderstand

Reine Metalle sind Kaltleiter. In der industriellen Temperaturmesstechnik sind Messwiderstände mit Platin üblich und genormt. Sie können bei geeigneter Ausrüstung bis 850 °C eingesetzt werden. Sie haben eine fast lineare Kennlinie bei einer relativen Widerstandsänderung von knapp 0,4 % pro °C.

Ausführungen mit keramischen Werkstoffen sind etwa bis 200 °C einsetzbar.[1] Ihre Kennlinie steigt in einem engen Bereich um ihre Nenn-Ansprechtemperatur mit bis zu 30 % pro °C an. Messtechnisch sind sie kaum mehr geeignet als zur Aussage "zu kalt/zu warm".[2]

Heißleiter[Bearbeiten]

Thermistoren mit negativen Temperaturkoeffizienten (NTC, Heißleiter) weisen aufgrund des zugrundeliegenden Halbleiter-Effektes eine hohe Abhängigkeit von Fehlstellen, wie der Dotierung der Grundstoffe auf. Die Verarbeitung wie das Mischen, Mahlen, Pressen, Sintern hat einen großen Einfluss auf die Eigenschaften und die Langzeitstabilität. Daher waren NTCs lange Zeit nur mit stark streuenden Kenndaten herstellbar und haben den NTCs in ihrer Anfangszeit den Ruf eingebracht, für präzise Temperaturmessung wenig geeignet zu sein.

Heißleiter sind bis etwa 150 °C einsetzbar. Sie weisen gegenüber Platin-Messwiderständen eine deutlich höhere Empfindlichkeit auf (Richtwert: Bei Zimmertemperatur dem Betrage nach eine Zehnerpotenz größer). Ihr nichtlineares Verhalten wird durch nichtlineare Gleichungen beschrieben:

\frac1{\{T\}}=a+b\,\ln(\{R\})+c\,\ln^3(\{R\}) .
Sie ist eine Umstellung der bevorzugten Gleichung mit einem Zusatzterm. Die Parameter a, b und c der Zahlenwertgleichung stellen sensorabhängige Parameter dar. Der Zahlenwert \{R\} des Widerstands muss dabei zur Maßeinheit Ohm angegeben werden, der Zahlenwert \{T\} der Temperatur zur Einheit Kelvin. Die Parameter für einen Thermistor sind in den technischen Datenblättern tabelliert, beispielsweise für einen NTC mit einem nominalen Widerstandswert von 3000 Ω bei einer Temperatur von 25 °C sind folgende Werte angegeben:[4]
a = 1,4 \cdot 10^{-3} ; b = 2,37 \cdot 10^{-4} ; c = 1 \cdot 10^{-7} .
  • Als dritte Möglichkeit kann der Zusammenhang durch ein Polynom beschrieben werden. Der Grad des Polynoms richtet sich nach der Genauigkeitsanforderung; üblich sind Polynome dritten oder vierten Grades deren Koeffizienten mittels Lagrangescher Interpolationsformel gewonnen werden.

Der Nennwert eines Sensors gibt dessen elektrischen Widerstand bei einer Bezugstemperatur an. In Datenblättern werden Nennwerte in einem Bereich über mehrere Zehnerpotenzen angeboten. Die Fehlergrenzen (Exemplarstreuungen) der Nennwerte liegen um rund 5 %, die der Temperaturkoeffizienten ebenfalls grob bei 5 %.[5]

Diese Sensoren sind auch bei gleichem Nennwert meist aufgrund der Streuung ohne Neuaufnahme der Kennlinie (Kalibrierung) oder Justierung des verwendenden Geräts nicht austauschbar.

Weitere Kennzeichen sind

  • der Eigenerwärmungskoeffizient – angegeben in °C/mW – oder der Wärmeleitwert (dissipation factor) – angegeben in mW/°C – als Maß für die Eigenerwärmung infolge des Stromes,
  • die Ansprechzeit, nach der eine sprunghafte Änderung der Temperatur des Messgutes zu einem gegebenen Prozentsatz vom Fühler übernommen worden ist, oder Abkühlzeitkonstante für die Dauer einer Teilabkühlung des Fühlers nach einem Abschalten des Stromes.

Diese Kennzeichen sind abhängig von der Beschaffenheit des Messgutes (Luft, Flüssigkeit) und dessen Strömungsgeschwindigkeit.

Strombegrenzung[Bearbeiten]

Kaltleiter[Bearbeiten]

Kaltleiter zum Überlastungsschutz

Kaltleiter werden unter anderem zum Überlastschutz und zur Strombegrenzung im Dauerbetrieb eingesetzt. Einige Kaltleiter-Widerstände aus Bariumtitanat zeigen einen stark nichtlinearen Zusammenhang zwischen Temperatur und Widerstandswert und finden unter anderem als verschleißfreie Schaltelemente Anwendung – vergleichbar mit Bimetallschaltern. Diese Typen werden für den Übertemperaturschutz von Elektromotoren verwendet; bei einer zu starken Erwärmung des Motors kommt es zu einer Leistungsreduktion bzw. zu einer Abschaltung.[1][6]

In anderen Anwendungen werden Kaltleiter-Widerständen als träge selbstrückstellende Sicherungen oder auch zur Steuerung des Entmagnetisierungsstromes bei Farbbildröhren eingesetzt.

Heißleiter[Bearbeiten]

Heißleiter zur Einschaltstrombegrenzung, rechts ein URDOX-Widerstand

Heißleiter werden zur Begrenzung von Einschaltströmen angewandt, um einen Sanftanlauf zu ermöglichen. Ein Heißleiter in der Zuleitung eines elektrischen Geräts ist vor dem Einschalten kalt, leitet im Einschaltaugenblick noch schlecht und begrenzt rein ohmisch den Einschaltstrom. Nach dem Einschalten erwärmt er sich durch den Stromfluss und vermindert seinen Widerstand gegenüber dem hohen Anfangswiderstand um oft mehr als 2 Zehnerpotenzen.[7] Der Einsatz eines Heißleiters verhindert eine Stromspitze beispielsweise,

  • wenn diese beim Einschalten eines Netzgerätes eine elektrische Sicherung auslösen könnte,
  • wenn diese beim Aufladen eines Kondensators einen Gleichrichter schädigen könnte.

Heißleiter zur Einschaltstrombegrenzung können nicht zur Erhöhung des zulässigen Dauerstroms parallel geschaltet werden. Der kleinere der Widerstände bekäme den größeren Anteil am Strom, erwärmte sich schneller, und das bereits wärmere Bauteil erwärmt sich noch weiter. In der Folge übernimmt einer der Heißleiter fast den gesamten Strom. Eine Reihenschaltung ist jedoch möglich, wenn es darum geht, die Hochlaufzeit zu vergrößern.

Bauformen[Bearbeiten]

  • Bedrahtete Scheiben oder Zylinder
  • Oberflächenmontage (Surface Mounted Device (SMD); Quader oder z. B. SOT-23)
  • Bedrahtete Metall-Ösen, Pillen oder halbleitertypische Gehäuse (TO-92, TO-220)
  • Einschraubbare Metallgehäuse
  • Historischer Kaltleiter siehe Eisen-Wasserstoff-Widerstand
  • Historischer Heißleiter aus Urandioxid als URDOX-Widerstand siehe [8]

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b Ziehl: Kaltleiter-Temperatursensoren (PDF), abgefragt am 31. Januar 2012
  2. [1], Seite 3
  3. Thermistor Calibration and the Steinhart-Hart Equation, Application Note # 4. ILX Lightwave, Firmenschrift, abgerufen am 28. September 2014.
  4. Comments on the Steinhart-Hart Equation. BAPI, Firmenschrift, abgerufen am 28. September 2014 (Seite 4, Tabelle 3K Thermistor mit den Koeffizienten A0, A1 und A3).
  5. [2]
  6. Auslösegerät für Temperaturüberwachung (PDF), abgerufen am 31. Januar 2012
  7. [3] Daten für Einschaltstrombegrenzer
  8. [4]