Der spezifische Widerstand von Materialien ist von der Temperatur abhängig. Thermistoren sind elektrische Bauteile, die dies ausnutzen.
Thermistoren
Als wir über ohmsche Gesetz gesprochen haben, habe ich angemerkt, dass nicht alle elektrischen Komponenten diesem Gesetz folgen. Selbst Widerstände gehorchen ihm nicht vollständig, und das liegt daran, dass es einen weiteren externen Faktor gibt, der den Widerstandswert verändern kann: die Temperatur.
Der Widerstand normaler Widerstände ändert sich nicht sehr stark, da sie in der Regel so konstruiert sind, dass der Temperatureinfluss minimiert wird. Es gibt jedoch andere elektrische Komponenten, die die Tatsache, dass sich der Widerstand verschiedener Materialien mit der Temperatur ändert, aktiv ausnutzen.
Diese Komponenten werden als Thermistoren bezeichnet.
In diesem Tutorial werfen wir einen Blick auf verschiedene Arten von Thermistoren und ihre Verwendung. Wir werden jedoch nicht im Detail betrachten, warum sie sich so verhalten, wie sie es tun. Viele Thermistoren verwenden Halbleitermaterialien, und die Erklärung ihres Temperaturverhaltens kann langwierig und kompliziert werden. Um sie zu verwenden, brauchen wir kein tief greifendes Wissen über ihre Funktionsweise. Beschränken wir uns auf das Wesentliche.
Thermistoren lassen sich in zwei Kategorien einteilen: Thermistoren mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTCs) und Thermistoren mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTCs). Der Widerstand von Materialzusammensetzungen mit einem positiven Temperaturkoeffizienten nimmt mit steigender Temperatur zu. Dieses Verhalten lässt sich beispielsweise bei herkömmlichen Glühbirnen beobachten. Probier es aus, wenn du willst. Messe einfach den Strom, der bei einer konstanten Spannung durch die Glühlampe fließt. Beim Einschalten der Glühbirne lässt sich beobachten, wie der Stromfluss langsam abnimmt, während sich die Glühbirne erwärmt. Herkömmliche Glühbirnen verwenden normalerweise einen Glühfaden aus Wolfram, aber auch andere Metalle teilen die Eigenschaft eines positiven Temperaturkoeffizienten. Es gibt auch Materialien, die einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweisen. Ihr Widerstand nimmt mit zunehmender Temperatur ab. Reines Silizium oder Germanium, aber auch Kohlenstoff haben diese Eigenschaft. Die meisten NTCs verwenden Elektrokeramiken mit Halbleitereigenschaften, wie beispielsweise verschiedene Metalloxide.
Thermistoren mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTCs)
NTC-Thermistoren werden sehr oft für die Temperaturmessung eingesetzt. Wenn du ein analoges Temperatursensormodul für deinen Arduino besitzt, dann verwendet dies mit ziemlicher Sicherheit einen NTC-Thermistor.
Das in Schaltplänen verwendete Schaltsymbol enthält ein kleines -t°, das uns auf den negativen Temperaturkoeffizienten dieser Thermistoren hinweist.
Im untenstehenden Bild sind verschiedene NTCs zu sehen. Schauen wir uns an, wie sie üblicherweise verwendet werden.
Temperatursensoren
Die beiden NTCs auf der linken Seite des Bildes werden zur Temperaturmessung verwendet. Der blaue hat einen Widerstand von 10 kΩ und der andere einen Widerstand von 1 MΩ bei 25 °C. Um die Temperatur zu messen, kann der Widerstand mithilfe einer Spannungsteilerschaltung bestimmt werden. Dabei ist zu beachten, dass NTCs eine nicht lineare Widerstandskurve haben. Bei steigender Temperatur fällt ihr Widerstand immer schneller ab. Eine Umrechnungstabelle für die verschiedenen Widerstandswerte findet sich in der Regel im Datenblatt. Es gibt auch eine Umrechnungsformel, die zur Berechnung der Temperatur in Software verwendet werden kann. Damit werden wir uns im nächsten Tutorial befassen.
Was ist der Unterschied zwischen diesen beiden NTCs und dem dritten? Der dritte hat einen Widerstand von nur 80 Ω bei 25 °C. Wenn wir ihn in einem Spannungsteiler verwenden wollten, würde ein ziemlich hoher Strom durch den Spannungsteiler fließen. Das führt zu einer Erwärmung des NTCs. In Temperaturmessschaltungen führt dies zu falschen Temperaturmessungen. Aus diesem Grund haben NTCs zur Temperaturmessung in der Regel einen hohen Widerstand. Aber was ist der Zweck dieses 80 Ω NTCs?
Einschaltstrombegrenzung
Eine weitere mögliche Anwendung für NTCs ist die Einschaltstrombegrenzung, und genau dafür ist der Widerstand 80 Ω gedacht. In Schaltungen mit großen Kondensatoren, Induktivitäten oder Motoren können beim Einschalten hohe Ströme auftreten. Diese Stromspitze kann andere Komponenten beschädigen und kann durch die Verwendung eines NTCs als Einschaltstrombegrenzer verhindert werden. Der NTC wird in Reihe mit der Last geschaltet. Beim Start hat der NTC Raumtemperatur und einen Widerstand von ca. 80 Ω. Das reduziert den maximalen Strom, der beim Einschalten durch den NTC fließen kann. Nach kurzer Zeit erwärmt sich der NTC aufgrund des Stromflusses, sein Widerstand nimmt ab und wird schließlich sehr klein. Die Schaltung kann dann mit ihrer vollen Leistung arbeiten.
Thermistoren mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTCs)
Die zweite Kategorie von Thermistoren sind PTCs. Das zugehörige Schaltsymbol ist unten abgebildet, und wie man sieht, wird durch ein kleines +t° verdeutlicht, dass es sich um einen Thermistor mit einem positiven Temperaturkoeffizienten handelt.
Unten sind verschiedene PTCs zu sehen und lediglich einer von ihnen wird für die Temperaturmessung verwendet. Es gibt eine Menge interessanter Anwendungen für PTCs, also lass uns zuerst über sie sprechen, bevor wir uns mit der Nutzung von PTCs als Temperaturfühler befassen.
Strombegrenzung
Auch PTCs können zur Strombegrenzung eingesetzt werden. Offensichtlich jedoch nicht auf dieselbe Weise wie NTCs. PTCs verhalten sich insofern anders, als ihr Widerstand mit steigender Temperatur zunimmt. Das bedeutet, dass ihr Widerstand zunimmt, wenn ein hoher Strom durch sie fließt. Sie können einen PTC in Reihe zu einer Last schalten, um den Höchststrom zu begrenzen. Wenn die Last einen hohen Strom verursacht, erhöht sich der Widerstand des PTCs und begrenzt so den Strom, der durch den Stromkreis fließen kann.
Ein extremes Beispiel für die Strombegrenzung sind PPTCs (Polymer-PTCs), die als selbstrückstellbare Sicherungen verwendet werden. Der ganz linke PTC auf dem Bild ist eine solche selbstrückstellbare Sicherung. Diese PTCs verwenden ein Polymermaterial mit Kohlenstoffpartikeln darin. Bei normaler Temperatur ist ihr Widerstand sehr gering. Wenn sie in einem Stromkreis verwendet werden, erwärmen sie sich, wenn Strom durch sie fließt. Bis zu einem bestimmten Strom leitet die Luft die erzeugte Wärme ab und der PPTC-Widerstand bleibt niedrig. Steigt der Strom jedoch an, ist dies nicht mehr möglich, und der PPTC erwärmt sich schnell. Er löst aus und sein Widerstand steigt auf einen sehr hohen Wert. Es fließt fast kein Strom mehr durch den PPTC, bis er sich abkühlt und wieder leitend wird. Aufgrund dieses Verhaltens kommen PPTCs in vielen elektrischen Produkten als Ersatz für Sicherungen zum Einsatz. Im Falle eines Überstrom- oder Kurzschlussereignisses unterbricht der PPTC den Stromfluss. Im Unterschied zu einer normalen Sicherung ermöglicht der PPTC, dass das Gerät nach einigen Minuten wieder einsatzbereit ist. Der Nachteil ist, dass PPTC vergleichsweise lange brauchen, um sich aufzuheizen, bevor sie auslösen. Herkömmliche Sicherungen reagieren in der Regel wesentlich schneller.
Nicht alle PTC haben eine Widerstandskurve, bei der der Widerstand so schnell ansteigt. Aber die Tatsache, dass PTC selbstbegrenzend sind, erlaubt den Einsatz in Schaltungen, in denen traditionell ein Widerstand zur Strombegrenzung verwendet wird. Wenn wir stattdessen einen PTC verwenden, können wir ziemlich sicher sein, dass er nicht verbrennt, wie es bei einem Widerstand im Falle einer Überlastsituation passieren könnte. Wir brauchen nicht immer ein sicherungsähnliches Verhalten. Normale PTCs, wie der in der Mitte, können diese Aufgabe ebenfalls erfüllen. Ein übliches Material für sie ist Bariumtitanat eine Elektrokeramik. Dieses Material wird auch in PTC-Heizelementen verwendet. Diese elektrischen Heizelemente haben den Vorteil, dass sie nicht überhitzen, solange sie mit einer konstanten Spannung betrieben werden. Der zunehmende Widerstand des Materials und das daraus resultierende strombegrenzende Verhalten, begrenzt auch ihre maximale Temperatur.
Temperatursensoren
Schauen wir uns zu Schluss PTC-Temperatursensoren an. Ein in industriellen Anwendungen sehr gebräuchlicher ist der Pt100-Widerstandstemperaturfühler (RTD). Dieser und andere vergleichbare Sensoren verwenden unterschiedliche Metalle und Metalllegierungen. Mit steigender Temperatur nimmt ihr Widerstand leicht zu. Auch wenn sie für sehr genaue Messungen eingesetzt werden können und eine fast lineare Widerstandskurve haben, besteht ihr Hauptproblem darin, dass die Widerstandsänderung pro °C nur sehr gering ist. Der Pt100-Sensor verwendet Platin zur Temperaturmessung und hat einen Widerstand von 100 Ω bei 0 °C. Die Widerstandsänderung beträgt jedoch nur 0,385 Ω/°C. Dies erfordert eine präzisere Messschaltung als einen einfachen Spannungsteiler. NTCs sind eine preiswertere und einfacher zu verwendende Alternative, insbesondere wenn man die hohe Genauigkeit des Pt100 nicht benötigt.
Eine mögliche Alternative sind siliziumbasierte PTCs wie die KTY-Sensorserie. Ihre Widerstandsänderung pro °C ist höher als die der klassischen RTDs, wodurch sie einfacher zu verwenden sind. Sie sind jedoch sehr empfindlich gegenüber elektrostatischen Entladungen (ESD). Die Widerstandskurve im nutzbaren Temperaturbereich ist zwar eine Parabel, aber de facto sind sie wesentlich linearer als NTCs. Sie verwenden manchmal das TO-92-Gehäuse und sehen daher ein bisschen wie Transistoren aus. Da nur zwei Anschlüsse benötigt werden, ist der mittlere Pin manchmal abgeschnitten. Sie sehen dann wie ein Transistor mit nur zwei Beinen aus. Wenn du schon einen gesehen hast, hast du dich vielleicht schon darüber gewundert. Der große Vorteil dieser Sensoren besteht darin, dass sie potenziell in andere Chips integriert werden können. Mit keramischen NTCs oder PTCs ist dies nicht möglich.
