PTC-Thermistor

Was sind PTC-Thermistoren?

PTC steht für „Positive Temperature Coefficient“. PTC-Thermistoren sind Widerstände mit einem positiven Temperaturkoeffizienten, was bedeutet, dass der Widerstand mit steigender Temperatur zunimmt.

PTC-Thermistoren werden aufgrund der verwendeten Materialien, ihrer Struktur und des Herstellungsverfahrens in zwei Gruppen unterteilt. Die erste Gruppe von PTC-Thermistoren besteht aus Silistoren, die Silizium als Halbleitermaterial verwenden. Sie werden aufgrund ihrer linearen Kennlinie als PTC-Temperatursensoren verwendet. Die zweite Gruppe sind die schaltenden PTC-Thermistoren. Diese Art von PTC-Thermistoren wird häufig in PTC-Heizungen, Sensoren usw. verwendet. Polymer-PTC-Thermistoren, die aus einem speziellen Kunststoff bestehen, gehören ebenfalls zu dieser zweiten Gruppe und werden häufig als rückstellbare Sicherungen verwendet. Der schaltende PTC-Thermistor hat eine stark nichtlineare Widerstands-Temperatur-Kurve. Wenn der schaltende PTC-Thermistor erwärmt wird, beginnt der Widerstand zunächst zu sinken, bis eine bestimmte kritische Temperatur erreicht ist. Wird die Temperatur weiter über diesen kritischen Wert erhöht, steigt der Widerstand drastisch an. Dieser Artikel befasst sich mit den schaltenden PTC-Thermistoren.

Definition des PTC-Thermistors

Ein PTC-Thermistor ist ein wärmeempfindlicher Widerstand, dessen Widerstand mit der Temperatur deutlich ansteigt.

Merkmale von PTC-Thermistoren

Schaltende PTC-Thermistoren bestehen in der Regel aus polykristallinen keramischen Materialien, die in ihrem ursprünglichen Zustand einen hohen Widerstand aufweisen und durch Zugabe von Dotierstoffen halbleitend gemacht werden. Sie werden meist als selbstregulierende PTC-Heizer verwendet. Die Übergangstemperatur der meisten geschalteten PTC-Thermistoren liegt zwischen 60°C und 120°C. Es werden jedoch auch Geräte für spezielle Anwendungen hergestellt, die bei 0°C oder 200°C schalten können.

Silistoren haben eine lineare Widerstands-Temperatur-Kennlinie mit einer relativ geringen Steigung über den größten Teil ihres Betriebsbereichs. Bei Temperaturen über 150 °C können sie einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweisen. Silistoren haben einen Widerstandstemperaturkoeffizienten von etwa 0,7 bis 0,8 °C.

Die Widerstands-Temperatur-(R-T)-Kennlinien eines PTC-Thermistors und eines Silistors

Übergangstemperatur (Tc)

Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, haben schaltende PTC-Thermistoren bis zum Punkt des minimalen Widerstands einen leicht negativen Temperaturkoeffizienten. Oberhalb dieses Punktes hat er einen leicht positiven Koeffizienten bis zu dem Moment, in dem er seine Übergangstemperatur – TC – erreicht. Diese Temperatur wird als Schalt-, Übergangs- oder Curie-Temperatur bezeichnet. Die Schalttemperatur ist die Temperatur, bei der der Widerstand von schaltenden PTC-Thermistoren schnell zu steigen beginnt. Die Curie-Temperatur wird in den meisten Fällen als die Temperatur definiert, bei der der Widerstand doppelt so hoch ist wie der Mindestwiderstand.

Mindestwiderstand (Rmin)

Der Mindestwiderstand eines PTC-Thermistors ist der niedrigste Widerstand, der an einem geschalteten PTC-Thermistor gemessen werden kann, wie auf der R-T-Kurve zu sehen. Es ist der Punkt auf der Kurve, nach dem der Temperaturkoeffizient positiv wird.

Nennwiderstand (R25)

Der PTC-Nennwiderstand ist normalerweise als der Widerstand bei 25°C definiert. Er dient zur Klassifizierung der Thermistoren nach ihrem Widerstandswert. Er wird mit einem niedrigen Strom gemessen, der den Thermistor nicht so stark erwärmt, dass die Messung beeinträchtigt wird.

Dissipationskonstante

Die Dissipationskonstante stellt das Verhältnis zwischen der angelegten Leistung und dem daraus resultierenden Anstieg der Körpertemperatur aufgrund der Selbsterhitzung dar. Einige der Faktoren, die sich auf die Verlustkonstante auswirken, sind: das Material der Kontaktdrähte, die Art der Montage des Thermistors, die Umgebungstemperatur, die Leitungs- oder Konvektionswege zwischen dem Gerät und seiner Umgebung, die Größe und sogar die Form des Geräts selbst. Die Verlustleistungskonstante hat einen großen Einfluss auf die Selbsterwärmungseigenschaften des Thermistors.

Maximaler Nennstrom

Der Nennstrom stellt den maximalen Strom dar, der bei bestimmten Umgebungsbedingungen konstant durch einen PTC-Thermistor fließen kann. Sein Wert hängt von der Verlustleistungskonstante und der R-T-Kurve ab. Wird der Thermistor so weit überlastet, dass der Temperaturkoeffizient wieder zu sinken beginnt, führt dies zu einer Durchlaufleistung und zur Zerstörung des Thermistors.

Maximale Nennspannung

Gleich dem maximalen Nennstrom stellt die maximale Nennspannung die höchste Spannung dar, die bei bestimmten Umgebungsbedingungen dauerhaft an den Thermistor angelegt werden kann. Auch ihr Wert hängt von der Verlustleistungskonstante und der R-T-Kurve ab.

Betriebsarten

Abhängig von der Anwendung können PTC-Thermistoren in zwei Betriebsarten eingesetzt werden: selbstbeheizt und abtastend (auch Nullleistung genannt).

Selbstbeheizte Betriebsart

Selbstbeheizte Anwendungen nutzen die Tatsache, dass die Temperatur eines Thermistors ansteigt, wenn eine Spannung an ihn angelegt wird und ein ausreichender Strom durch ihn fließt. Bei Annäherung an die Curie-Temperatur steigt der Widerstand drastisch an, so dass viel weniger Strom fließen kann. Dieses Verhalten ist in der Abbildung links zu sehen. Die Widerstandsänderung in der Nähe der Curie-Temperatur kann mehrere Größenordnungen innerhalb einer Temperaturspanne von nur wenigen Grad betragen. Wenn die Spannung konstant bleibt, stabilisiert sich der Strom bei einem bestimmten Wert, wenn der Thermistor das thermische Gleichgewicht erreicht. Die Gleichgewichtstemperatur hängt von der angelegten Spannung und dem Wärmeableitungsfaktor des Thermistors ab. Diese Betriebsart wird häufig bei der Entwicklung von temperaturabhängigen Zeitverzögerungsschaltungen verwendet.

Sensing (zero-power) mode

In dieser Betriebsart ist der Stromverbrauch des Thermistors so gering, dass er sich im Gegensatz zur Selbsterhitzung kaum auf die Temperatur des Thermistors und damit auf den Widerstand auswirkt. Der Sensormodus wird in der Regel verwendet, wenn die Temperatur anhand der R-T-Kurve gemessen wird.

Aufbau und Eigenschaften

Schaltbare PTC-Thermistoren werden aus polykristallinen Materialien hergestellt. Sie werden häufig aus Mischungen von Bariumcarbonat, Titanoxid und Zusätzen wie Tantal, Siliziumdioxid und Mangan hergestellt. Die Materialien werden gemahlen, gemischt, zu Scheiben oder rechteckigen Formen gepresst und gesintert. Anschließend werden sie mit Kontakten versehen und schließlich beschichtet oder ummantelt. Der Herstellungsprozess erfordert eine sehr sorgfältige Kontrolle der Materialien und Verunreinigungen. Verunreinigungen in der Größenordnung von einigen Teilen pro Million können zu erheblichen Veränderungen der thermischen und elektrischen Eigenschaften führen.

Polymer-PTCs bestehen aus einer Kunststoffscheibe mit darin eingebetteten Kohlenstoffkörnern. Wenn das Bauteil abgekühlt ist, stehen die Kohlenstoffkörner in engem Kontakt zueinander und bilden einen leitenden Pfad durch das Bauteil. Wenn sich das Bauelement erwärmt, dehnt sich der Kunststoff aus und die Körner bewegen sich weiter auseinander, wodurch sich der Gesamtwiderstand des Bauelements erhöht.

Silistoren beruhen auf den Volumeneigenschaften von dotiertem Silizium und weisen eine nahezu lineare Widerstand-Temperatur-Kennlinie auf. Sie werden aus hochreinen Siliziumscheiben hergestellt, die es in verschiedenen Formen gibt. Die Temperatur-Widerstands-Kurve hängt von der Menge der verwendeten Dotierung ab.

Typische Anwendungen für PTC-Thermistoren

Selbstregulierende Heizungen

Wenn ein Strom durch einen schaltenden PTC-Thermistor fließt, stabilisiert er sich automatisch bei einer bestimmten Temperatur. Das heißt, wenn die Temperatur sinkt, sinkt auch der Widerstand, so dass mehr Strom fließt und das Gerät erwärmt wird. Wird die Temperatur erhöht, erhöht sich auch der Widerstand, was den Stromfluss durch das Gerät begrenzt und es somit abkühlt. Der PTC-Thermistor hat dann einen Punkt erreicht, an dem die verbrauchte Leistung über einen relativ großen Spannungsbereich praktisch unabhängig von der Spannung ist. Diese PTC-Thermistoren werden häufig aus Keramik in verschiedenen Formen und Größen hergestellt, und aufgrund ihrer Konstruktionsflexibilität sind PTC-Keramikheizungen eine hervorragende Wahl für die Bereitstellung kontrollierter elektrischer Wärme. Für eine bessere Wärmeübertragung können die keramischen Heizelemente auf Aluminium-Kühlkörper oder -Gitter montiert werden.

Überstromschutz

Geschaltete PTC-Thermistoren werden als Überstrombegrenzer oder rücksetzbare Sicherungen in verschiedenen Stromkreisen eingesetzt. Im Falle eines Überstroms steigt die Temperatur des Thermistorkörpers an und erreicht schnell die Übergangstemperatur. Dies führt dazu, dass der Widerstand des PTC-Thermistors stark ansteigt und der Strom im Stromkreis begrenzt wird. Wenn die Überstrom- oder Kurzschlusssituation behoben ist und der Thermistor wieder abgekühlt ist, funktioniert der Stromkreis wieder normal. Auf diese Weise wirkt er wie eine automatisch zurücksetzbare Sicherung. Normalerweise werden für diese Anwendung Polymer-PTC-Thermistoren verwendet. Sie sind unter verschiedenen Handelsnamen bekannt, wie z. B. Polyfuse, Polyswitch und Multifuse.

Zeitverzögerung

Eine Zeitverzögerung in einem Stromkreis kann durch die Zeit bestimmt werden, die ein PTC-Thermistor benötigt, um sich ausreichend zu erwärmen, um von seinem niederohmigen Zustand in einen hochohmigen Zustand zu wechseln und umgekehrt. Die Zeitverzögerung ist abhängig von der Größe, der Umgebungstemperatur und der Spannung, an die er angeschlossen ist, sowie von der Schaltung, in der er verwendet wird. Ein Beispiel für die Zeitverzögerung von PTC-Thermistoren ist ihr Einsatz in Leuchtstofflampen. Beim ersten Anlegen der Spannung befindet sich der Thermistor in einem kalten Zustand (Raumtemperatur). Die Lampenspannung liegt unter der Zündspannung, und der durch den Stromkreis fließende Strom heizt die Elektroden und den PTC gleichzeitig auf. Wenn die Curie-Temperatur erreicht ist, schaltet der PTC um, die Spannung an der Lampe übersteigt die Zündspannung und die Lampe beginnt ihren normalen Betrieb. Das Vorheizen der Elektroden verlängert die Lebensdauer der Lampe erheblich, weshalb PTC-Thermistoren in solchen Schaltungen verwendet werden.

Motorstart

Einige Elektromotoren haben eine separate Startwicklung, die nur während des Motorstarts gespeist werden muss. In solchen Fällen kann man den Selbsterhitzungseffekt eines PTC-Thermistors nutzen, der in Reihe mit einer solchen Wicklung geschaltet ist. Beim Einschalten des Stromkreises hat der PTC-Thermistor einen niedrigen Widerstand, so dass Strom durch die Anlaufwicklung fließen kann. Wenn der Motor anläuft, erwärmt sich der PTC-Thermistor und schaltet irgendwann in einen hochohmigen Zustand. Die dafür benötigte Zeit wird auf der Grundlage der erforderlichen Motoranlaufzeit berechnet. Nach der Erwärmung wird der Strom durch den PTC-Thermistor vernachlässigbar, so dass der Anlaufstrom der Wicklung abgeschaltet wird.

Flüssigkeitsstandsmessung

Diese Anwendungen beruhen auf der Änderung der Verlustleistungskonstante, wenn die Wärmeübertragung durch Leitung und Konvektion erhöht wird. Eine Erhöhung der Verlustleistungskonstante, die sich aus dem Kontakt zwischen dem Gerät und einer Flüssigkeit oder einem erhöhten Luftstrom über dem Gerät ergibt, senkt die Betriebstemperatur des Thermistors und erhöht die Leistung, die zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Körpertemperatur erforderlich ist. Der Leistungsanstieg kann gemessen werden und zeigt dem System an, dass der Thermistor z. B. in eine Flüssigkeit eingetaucht ist.

PTC-Thermistorsymbol

Das folgende Symbol wird für einen Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizienten gemäß der IEC-Norm verwendet.

PTC-ThermistorsymbolIEC-Norm