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Ratgeber
Die Temperatur spielt in vielen technischen Bereichen eine entscheidende Rolle. Dabei geht es nicht nur um die Umgebungstemperatur – die zwar auch oft eine wichtige Rolle spielt – sondern insbesondere um die Betriebstemperatur von Systemen.
Eine Überwachung dieser Temperatur ist essenziell, um Schäden und Ausfälle zu vermeiden. Ein überhitzter Motor, egal ob Elektro- oder Verbrennungsmotor, kann schnell zerstört werden, wenn er nicht rechtzeitig abgeschaltet wird.
Thermistoren sind kleine, aber leistungsstarke Bauelemente, die Temperatur und als Temperatursensoren präzise Messdaten liefern und so die rechtzeitige Regelung von Heiz- oder Kühlprozessen ermöglichen. Darüber hinaus dienen sie als zuverlässige Strombegrenzer, die Systeme vor Überlast schützen.
Erfahren Sie in diesem Ratgeber mehr über die Funktionsweise, die Einsatzmöglichkeiten und die Vorteile von Thermistoren. Wir zeigen Ihnen, wie diese vielseitigen Bauelemente zu mehr Effizienz und Sicherheit in Ihren Anwendungen beitragen können.
Thermistoren sind elektrische Widerstände aus Halbleitermaterial. In unserem Ratgeber zur Diode 1N4148 haben wir den Aufbau eines Halbleiters genauer erklärt.
Der Begriff Thermistor ist aus der englischen Bezeichnung „Thermally-sensitive Resistor“ abgeleitet. Wörtlich übersetzt ist ein Thermistor ein temperaturempfindlicher Widerstand.
Das bedeutet: Ein Thermistor ist so gebaut, dass er in Abhängigkeit von seiner Temperatur seinen Widerstandswert verändert.
Dadurch unterscheidet sich ein Thermistor von einem herkömmlichen Kohleschichtwiderstand oder Metallschichtwiderstand. Denn bei diesen Widerständen versuchen die Hersteller sie so auszulegen, dass Temperaturänderungen keine zu großen Widerstandsänderungen zufolge haben.
Ein Thermistor ist in erster Linie ein Widerstand. Darum hat er in den meisten Bauausführungen auch zwei Anschlussdrähte oder Anschlussleitungen. Als Widerstandmaterial dienen keramische Werkstoffe bzw. halbleitende Metalloxide oder Silizium. Die finale Beschichtung bzw. Versiegelung erfolgt mit Glas oder Epoxy.
Je nach internem Aufbau und Materialauswahl hat der Thermistor einen bestimmten Widerstand (Ohm-Wert), der sich entsprechend der Temperatur ändert. Allerdings ändert sich der Widerstandswert eines Thermistors nicht linear zur Temperatur. Anstelle einer geraden Linie beschreibt die Kennlinie je nach Thermistor-Typ eine mehr oder weniger stark gebogene Kurve.
Die momentane Temperatur des Thermistors ergibt sich entweder durch die Anpassung an die Umgebungstemperatur oder durch den Strom, der durch den Thermistor fließt. Da Thermistoren für eine Vielzahl von Anwendungen und für die unterschiedlichsten elektrischen Parameter (Strom und Spannung) ausgelegt sein müssen, variieren die Sensoren sehr stark in Größe und Bauform.
Thermistoren oder temperaturabhängige Widerstände lassen sich in zwei Gruppen einteilen. Zu welcher Gruppe ein Thermistor zählt, liegt an seinem Widerstandsverhalten bei einer Temperaturänderung. Fachleute sprechen in diesem Fall vom Temperaturkoeffizienten (Temperature Coefficient oder nur TC).
NTC-Widerstände oder Heißleiter
NTC- Widerstände haben einen negativen Temperaturkoeffizient. Das bedeutet, mit steigender Temperatur wird der Widerstandswert kleiner. Der Widerstandswert ist demzufolge umgekehrt proportional zur Temperatur. Darum werden NTC-Widerstände auch als Heißleiter bezeichnet.
PTC-Widerstände oder Kaltleiter
PTC- Widerstände haben einen positiven Temperaturkoeffizient. Das bedeutet, mit steigender Temperatur wird der Widerstandswert größer. Der Widerstandswert ist demzufolge proportional zur Temperatur. Darum werden PTC-Widerstände von Fachleuten auch als Kaltleiter bezeichnet.
Thermistoren werden sowohl für Messaufgaben als auch zur Strombegrenzung verwendet. Sie sind vielseitige Bauelemente, die in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz kommen, von der Temperaturmessung in Haushaltsgeräten bis hin zur Überwachung und Regelung von industriellen Prozessen. Ihre Fähigkeit, den Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur zu ändern, macht sie zu idealen Sensoren und Schutzvorrichtungen in der Elektronik.
Messtechnik
In der Messtechnik werden hauptsächlich NTC-Thermistoren, also Thermistoren mit negativem Temperaturkoeffizient, verwendet. Diese können für einen Temperaturbereich von ca. -50 °C bis +150 °C genutzt werden. Im Vergleich zu Platin-Messwiderständen weisen NTC-Widerstände eine deutlich größere Empfindlichkeit auf. Darum basieren viele Temperatursensoren u.a. auch in Kraftfahrzeugen auf der NTC-Technik. In Verbindung mit entsprechenden Schaltungskonzepten können mit Hilfe von NTC-Thermistoren beispielsweise bei einem 3D-Drucker die Temperaturen des Druckbetts oder des Extruders exakt erfasst und über die Steuerung zügig nachgeregelt werden.
PTC-Widerstände auf Halbleiterbasis werden in der Temperatur-Messtechnik als Überhitzungsschutz genutzt. Alternativ dazu werden Messwiderstände aus Platin verwendet, die sich grundsätzlich wie PTC-Widerstände verhalten, aber eine lineare Kennlinie aufweisen.
Strombegrenzung
PTC-Widerstände bzw. Kaltleiter werden auch zur Stromüberwachung im Dauerbetrieb verwendet. Zum Teil kommen Kaltleiterwiderstände mit extrem nichtlinearer Kennlinie zum Einsatz. Diese Widerstände reagieren fast wie ein Bimetall-Schalter. Wird beispielsweise ein Elektromotor durch eine mechanische Überlastung zu heiß, reduziert der PTC den Stromfluss durch den Motor oder schaltet ihn sogar komplett ab, bevor er größeren Schaden nimmt.
NTC-Widerstände werden vorzugsweise für den Sanftanlauf von Elektromotoren genutzt. Der noch kalte NTC hat im Vergleich zu dem in Serie geschalteten Elektromotor einen hohen Widerstandswert, wodurch im Einschaltmoment der Stromfluss zunächst reduziert ist. Trotzdem reicht der Strom aus, den Heißleiter sehr schnell zu erwärmen. Dadurch verringert sich sein Widerstandswert und der angeschlossene Verbraucher erhält nach kurzer Zeit die volle elektrische Leistung.
Aufgrund der angesprochenen Eigenschaften werden Thermistoren flächendeckend in fast allen Bereichen des täglichen Lebens und in vielen Geräten verwendet. Dazu zählen beispielsweise Haushaltsgeräte wie Kühlschränke, Klimaanlagen, Öfen oder Kaffeemaschinen. Sogar in vielen Computern und Notebooks erfolgt die Lüftersteuerung temperaturgeregelt. Aber auch in der Industrie oder bei der Produktion wären ohne Thermistoren viele temperatursensible Prozesse nicht möglich. Eine schnelle Reaktionszeit und kompakte Abmessungen ermöglichen auch den Einsatz in Wearable Devices, um beispielsweise die Körpertemperatur beim Training zu überwachen.
Unser Praxistipp: Heizfolien
Viele Heizfolien für Spiegel, Sitze oder Heckscheiben funktionieren wie ein PTC-Widerstand. Bei kalten Temperaturen haben sie einen geringen elektrischen Widerstand und somit die volle Heizleistung. Wenn die Temperaturen steigen, steigt auch der Widerstand und der Strom wird automatisch reduziert, obwohl immer die gleiche Spannungshöhe am Anschluss vorhanden ist.
Der wohl größte Vorteil von Thermistoren ist das schnelle Ansprechverhalten und die hohe Empfindlichkeit. Dadurch können minimale Temperaturänderungen sehr schnell erkannt und ausgewertet werden. Dies macht sie ideal für Anwendungen, bei denen eine schnelle und präzise Temperaturregelung erforderlich ist, wie z.B. in der Medizintechnik oder der Automobilindustrie.
Nachteilig sind die nichtlinearen Kennlinien (siehe beigefügte Grafik) und der begrenzte Temperaturbereich. Im Vergleich zu anderen Temperatursensoren, wie z.B. Widerstandsthermometern (RTDs), kann die Genauigkeit von Thermistoren über einen größeren Temperaturbereich hinweg variieren.
Die wesentlichen Vor- und Nachteile haben wir in der nachfolgenden Tabelle zusammengefasst.
| Vorteile von Thermistoren | |
|---|---|
| Schnelles Ansprechverhalten: | Reagieren unmittelbar auf Temperaturveränderungen |
| Hohe Temperatur-Empfindlichkeit: | Ermöglichen die Detektion kleinster Temperaturunterschiede |
| Vielfältige Bauformen: | Große Auswahl an Bauformen für flexible Einsatzmöglichkeiten |
| Mechanisch robust: | Unempfindlich gegenüber Vibrationen und Stößen |
| Kostengünstige Herstellung: | Ermöglichen kostengünstige Lösungen |
| Nachteile von Thermistoren | |
|---|---|
| Begrenzter Temperaturbereich: | Eingeschränkter Einsatzbereich durch begrenzten Temperaturmessbereich |
| Nichtlineare Kennlinie: | Komplexere Signalverarbeitung aufgrund der nichtlinearen Kennlinie |
| Aufwändige Auswerteschaltung erforderlich: | Zusätzlicher Schaltungsaufwand für die Linearisierung der Messwerte |
Wie wählt man den richtigen Thermistor für eine spezifische Anwendung aus?
Die Auswahl eines geeigneten Thermistors hängt von den Anforderungen ab, die ein Thermistor erfüllen muss. Dazu zählen der Temperaturbereich und die Genauigkeit sowie die elektrischen Eigenschaften wie die maximale Betriebsspannung und der maximale Strom.
Wie „misst“ der Thermistor die Temperatur?
Ein Thermistor führt keine Messung der Temperatur durch. Vielmehr führt eine Änderung der Temperatur zu einer Änderung des Widerstandswertes. Mit einer Auswerteschaltung muss dann der Widerstandswert einer Temperatur zugeordnet werden, die dann angezeigt wird. Man kann das mit einem Quecksilberthermometer vergleichen. Das Quecksilber misst auch nicht die Temperatur. Es hat lediglich je nach Erwärmung ein bestimmtes Volumen in seinem Glasröhrchen. Erst wenn eine Skala hinterlegt wurde, kann dem Volumen ein bestimmter Temperaturwert zugeordnet werden. Im einfachsten Fall kann der Thermistor in Serie mit einem Vorwiderstand an einer konstanten Spannungsquelle betrieben werden. Je nachdem, wie sich die Temperatur ändert, wird sich auch die Spannung, die parallel zum Thermistor gemessen werden kann, ändern. Alternativ zu einer Spannungsquelle mit Vorwiderstand kann auch eine Konstantstromquelle genutzt werden.
Was ist der Unterschied zwischen NTC Thermistor und PTC Thermistor?
Ein NTC Thermistor verringert seinen Widerstandswert bei steigender Temperatur (negativer Temperaturkoeffizient) und wird hauptsächlich zur genauen Temperaturmessung eingesetzt. Der PTC-Thermistor vergrößert seinen Widerstandswert bei steigender Temperatur (positiver Temperaturkoeffizient) und wird vorzugsweise als Strombegrenzer eingesetzt.