PTC-Thermistoren
(52)Thermistor – was ist das und wie funktioniert es?
Thermistoren sind Widerstandselemente, deren Widerstand bei einer Temperaturänderung abnimmt oder zunimmt. Es ist ein natürliches Phänomen, dass der Widerstand mit zunehmender Temperatur steigt. Die in immer stärkere Schwingungen versetzten Partikel bestimmen den zunehmenden Widerstand gegen die Strömung des Mediums. Mit steigender Temperatur steigt der Widerstand, dessen Wert wir mit einem Ohmmeter messen können. Thermistoren gehören zur Familie der Widerstände mit einer sehr hohen Empfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen. Dank dieses Verhaltens ermöglichen diese billigen und einfach zu handhabenden elektronischen Elemente eine sehr genaue Bestimmung der Temperatur des gemessenen Elements oder der Umgebung. Ein wichtiger Vorteil von Thermistoren ist ein großer Messbereich und eine hohe mechanische Beständigkeit.
Mit zunehmender Temperatur muss der Widerstand des Thermistors jedoch nicht unbedingt steigen. Um herauszufinden, wodurch sich die Unterschiede zwischen den verschiedenen Arten von Thermowiderständen ergeben und was sie im Anwendungskontext bedeuten, soll man sich mit ihren wichtigsten Merkmalen befassen.
Aufbau und Arten von Thermistoren - PTC- und NTC-Thermistoren
Die Einteilung von Thermistoren erfolgt anhand der Reaktion auf Temperaturänderung. Es gibt zwei beliebteste Arten von Thermistoren, deren Verhalten sich je nach Temperaturänderung radikal unterscheidet:
- PTC-Thermistoren (Positive Temperature Coefficient) - Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizienten;
- NTC-Thermistoren (Negativer Temperaturkoeffizient) - Thermistor mit negativem Temperaturkoeffizienten.
Der erste ist der klassische Fall, wenn der Widerstandswert mit steigender Temperatur zunimmt. Beim NTC-Thermistor wird jedoch genau der gegenteilige Effekt erzielt. Durch die steigende Temperatur sinkt nämlich der Widerstand. Die Abhängigkeit der Widerstandsänderung des Elements von der Temperaturänderung wird durch die später vorgestellte Thermometerkennlinie, beschrieben.
Thermistoren verdanken ihre Eigenschaften der Verwendung geeigneter Materialien. Der Herstellungsprozess des Thermistors besteht darin, die Drähte in eine Mischung aus pulverförmigen Metalloxiden und geeigneten chemischen Verbindungen einzutauchen und sie mit einem geeigneten Bindematerial zu verbinden. So vorbereitete Thermistoren werden einem Sinterprozess unterzogen, der eine Trocknung und Aushärtung der Verbindungsstelle ermöglicht, und das entstandene Bindemittel wird mit einer speziellen Glasbeschichtung gesichert.
Für die Herstellung von PTC-Thermistoren werden die Oxide von Vanadium und Titan am häufigsten verwendet, dotiert mit ausgewählten chemischen Verbindungen, und die NTC-Sensoren werden aus einer Mischung solcher chemischer Verbindungen wie: Chrom, Mangan, Kobalt, Eisen, Kupfer, Lithium oder Nickel hergestellt. Die zum Bau der betreffenden Thermistoren verwendeten Materialien verleihen ihnen Eigenschaften, die für ein bestimmtes Sortiment charakteristisch sind und ihren Zweck bestimmen.
Die breite Palette der auf dem Markt erhältlichen Produkte umfasst Thermistoren in verschiedenen Formen. Sie können in Form von Kugeln, komprimierten tablettenförmigen Platten oder in Form eines Miniaturzylinders vorliegen. Es gibt jeweils Enden in Form von zwei Leitern. Dank ihres einfachen Aufbaus und ihrer kompakten Größe sind Thermistoren äußerst billige Komponenten elektronischer Schaltungen.
Die mechanische Festigkeit der Thermowiderstände ermöglicht eine Temperaturmessung im Bereich von -150 °C bis sogar 800 °C, und die hohe Messempfindlichkeit macht sie für viele anspruchsvolle Anwendungen geeignet.
Die Begrenzung für Thermistoren ist die maximale Nennspannung, d. h. geeignet für den Dauerbetrieb des Geräts, sowie die maximale Betriebsspannung, die eine Bedingung für seinen korrekten und sicheren Betrieb ist. Bei der Auswahl des geeigneten Produkts sollten die vom Hersteller empfohlenen Grenzwerte berücksichtigt werden, da eine Überschreitung der Spannung zu einer Beschädigung des Elements führen kann.
Thermometrische Eigenschaften
Die Grundgleichung, die die Änderung des Sensorwiderstands in Abhängigkeit von seiner Temperaturänderung beschreibt, ist die thermometrische Kennlinie.
wobei:
RT – Widerstand des Thermistors bei einer bestimmten Temperatur [Ω];
T – Temperatur des Thermistors [K];
T0 – Bezugstemperatur[K];
RT0 – Widerstand des Thermistors bei Referenztemperatur [Ω];
B – die Materialkonstante des Thermistors im Bereich von 2000÷6000 [K]. Die Größe dieses Parameters hängt stark von den verwendeten Materialien ab und bestimmt die Empfindlichkeit des Geräts. Je höher der Wert, desto höher die Empfindlichkeit des Thermistors.
Anwendung von PTC-Thermistoren
PTC-Thermistoren (auch Kaltleiter genannt) dienen als Überlast- und Überhitzungsschutz. Mit zunehmender Stromstärke steigen die Temperatur des Thermowiderstands und damit der Widerstand in der logarithmischen Funktion. Infolge des zunehmenden Widerstands nimmt die Stromstärke im System ab und stabilisiert sich auf dem erforderlichen Niveau. Wir finden ihn unter anderem in Elektromotoren, in häufig verwendeten Haushaltsprodukten (z. B. Mikrowellen oder Backöfen), Automatisierungssystemen oder in der Automobilindustrie.
Eine besondere Art von PTC-Thermistoren sind Polymersicherungen. Sie sind nach dem Prinzip eines Thermistors aufgebaut - das Überschreiten des maximalen Stroms führt zu einem Anstieg der Temperatur des Elements und einem abrupten Anstieg des Widerstands, was zu einer Unterbrechung des Stromkreises führt (obwohl immer noch ein kleiner Strom durch ihn fließt).
Thermistoren erfüllen auch eine wichtige Frühwarnfunktion vor einem evntuellen Brand, da sie der wichtigste Bestandteil von Brandschutzsystemen sind. Wenn die Temperatur über den eingestellten Wert steigt, sendet das Alarmsystem ein Warnsignal über die Möglichkeit eines Brandes. Ganz wichtig ist dabei die außergewöhnliche Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit der Messung, die durch die im Artikel besprochenen Thermowiderstandselemente gewährleistet werden.
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