Was sind NTC-Thermistoren?

NTC steht für „Negative Temperature Coefficient“. NTC-Thermistoren sind Widerstände mit einem negativen Temperaturkoeffizienten, was bedeutet, dass der Widerstand mit steigender Temperatur abnimmt. Sie werden hauptsächlich als resistive Temperatursensoren und Strombegrenzer eingesetzt. Der Temperaturempfindlichkeitskoeffizient ist etwa fünfmal größer als der von Silizium-Temperaturfühlern (Silistoren) und etwa zehnmal größer als der von Widerstandstemperaturfühlern (RTDs). NTC-Sensoren werden in der Regel in einem Bereich von -55°C bis 200°C eingesetzt.

Die Nichtlinearität der Beziehung zwischen Widerstand und Temperatur, die NTC-Widerstände aufweisen, stellte bei der Verwendung analoger Schaltungen zur genauen Temperaturmessung eine große Herausforderung dar, aber die rasche Entwicklung digitaler Schaltungen löste dieses Problem und ermöglichte die Berechnung präziser Werte durch Interpolation von Nachschlagetabellen oder durch Lösen von Gleichungen, die eine typische NTC-Kurve annähern.

NTC-Thermistor-Definition

Ein NTC-Thermistor ist ein thermisch empfindlicher Widerstand, dessen Widerstand einen großen, präzisen und vorhersagbaren Abfall aufweist, wenn die Kerntemperatur des Widerstands über den Betriebstemperaturbereich ansteigt.

Eigenschaften von NTC-Thermistoren

Im Gegensatz zu RTDs (Widerstandstemperaturdetektoren), die aus Metallen bestehen, werden NTC-Thermistoren im Allgemeinen aus Keramik oder Polymeren hergestellt. Unterschiedliche Materialien führen zu unterschiedlichen Temperaturreaktionen und anderen Eigenschaften.

Temperaturreaktion

Während die meisten NTC-Thermistoren für den Einsatz in einem Temperaturbereich zwischen -55°C und 200°C geeignet sind, in dem sie die genauesten Messwerte liefern, gibt es spezielle Familien von NTC-Thermistoren, die bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273,15°C) eingesetzt werden können, sowie solche, die speziell für den Einsatz über 150°C entwickelt wurden.

Die Temperaturempfindlichkeit eines NTC-Sensors wird als „prozentuale Änderung pro Grad C“ ausgedrückt. Je nach den verwendeten Materialien und den Besonderheiten des Produktionsprozesses liegen die typischen Werte der Temperaturempfindlichkeit zwischen -3 % und -6 % pro °C.

Charakteristische NTC-Kurve

Wie aus der Abbildung ersichtlich, haben die NTC-Thermistoren im Vergleich zu den RTDs aus Platinlegierung eine viel steilere Widerstands-Temperatur-Steigung, was sich in einer besseren Temperaturempfindlichkeit niederschlägt. Dennoch bleiben RTDs die genauesten Sensoren mit einer Genauigkeit von ±0,5 % der gemessenen Temperatur, und sie sind im Temperaturbereich zwischen -200°C und 800°C nützlich, einem viel breiteren Bereich als der von NTC-Temperatursensoren.

Vergleich mit anderen Temperatursensoren

Im Vergleich zu RTDs sind NTCs kleiner, sprechen schneller an, sind stoß- und vibrationsfester und kostengünstiger. Sie sind etwas weniger genau als RTDs. Im Vergleich zu Thermoelementen ist die Genauigkeit bei beiden ähnlich; Thermoelemente können jedoch sehr hohen Temperaturen (in der Größenordnung von 600 °C) standhalten und werden in solchen Anwendungen anstelle von NTC-Thermistoren verwendet, wo sie manchmal als Pyrometer bezeichnet werden. Dennoch bieten NTC-Thermistoren bei niedrigeren Temperaturen eine größere Empfindlichkeit, Stabilität und Genauigkeit als Thermoelemente und werden mit weniger zusätzlichen Schaltkreisen und daher zu geringeren Gesamtkosten verwendet. Die Kosten werden zusätzlich dadurch gesenkt, dass keine Signalaufbereitungsschaltungen (Verstärker, Pegelumsetzer usw.) erforderlich sind, die bei RTDs oft und bei Thermoelementen immer benötigt werden.

Selbstheizeffekt

Der Selbsterhitzungseffekt ist ein Phänomen, das immer dann auftritt, wenn ein Strom durch den NTC-Thermistor fließt. Da der Thermistor im Grunde ein Widerstand ist, gibt er Leistung in Form von Wärme ab, wenn ein Strom durch ihn fließt. Diese Wärme wird im Thermistorkern erzeugt und beeinträchtigt die Genauigkeit der Messungen. Das Ausmaß, in dem dies geschieht, hängt von der Höhe des fließenden Stroms, der Umgebung (ob es sich um eine Flüssigkeit oder ein Gas handelt, ob der NTC-Sensor überströmt wird usw.), dem Temperaturkoeffizienten des Thermistors, der Gesamtfläche des Thermistors und so weiter ab. Die Tatsache, dass der Widerstand des NTC-Sensors und damit der durch ihn fließende Strom von der Umgebung abhängt, wird häufig in Flüssigkeitsdetektoren genutzt, wie sie in Lagertanks zu finden sind.

Wärmekapazität

Die Wärmekapazität gibt die Wärmemenge an, die erforderlich ist, um die Temperatur des Thermistors um 1°C zu erhöhen, und wird gewöhnlich in mJ/°C angegeben. Die genaue Kenntnis der Wärmekapazität ist bei der Verwendung eines NTC-Thermistors als Einschaltstrombegrenzer von großer Bedeutung, da sie die Ansprechgeschwindigkeit des NTC-Temperatursensors bestimmt.

Kurvenauswahl und -berechnung

Bei der sorgfältigen Auswahl müssen die Verlustleistungskonstante, die thermische Zeitkonstante, der Widerstandswert, die Widerstands-Temperatur-Kurve und die Toleranzen des Thermistors beachtet werden, um nur die wichtigsten Faktoren zu nennen.

Da die Beziehung zwischen Widerstand und Temperatur (die R-T-Kurve) hochgradig nichtlinear ist, müssen bei praktischen Systementwürfen bestimmte Näherungen verwendet werden.

Näherung erster Ordnung

Eine Näherung und die am einfachsten zu verwendende ist die Näherung erster Ordnung, die besagt:

Wobei k der negative Temperaturkoeffizient, ΔT die Temperaturdifferenz und ΔR die aus der Temperaturänderung resultierende Widerstandsänderung ist. Diese Näherung erster Ordnung ist nur für einen sehr engen Temperaturbereich gültig und kann nur für solche Temperaturen verwendet werden, bei denen k über den gesamten Temperaturbereich nahezu konstant ist.

Beta-Formel

Eine weitere Gleichung liefert zufriedenstellende Ergebnisse und ist auf ±1°C über den Bereich von 0°C bis +100°C genau. Sie ist abhängig von einer einzigen Materialkonstante β, die durch Messungen ermittelt werden kann. Die Gleichung kann wie folgt geschrieben werden:

Wobei R(T) der Widerstand bei der Temperatur T in Kelvin ist, R(T0) ist ein Referenzpunkt bei der Temperatur T0. Die Beta-Formel erfordert eine Zwei-Punkt-Kalibrierung und ist in der Regel nicht genauer als ±5°C über den gesamten Nutzbereich des NTC-Thermistors.

Steinhart-Hart-Gleichung

Die beste bisher bekannte Annäherung ist die Steinhart-Hart-Formel, die 1968 veröffentlicht wurde:

Wobei ln R der natürliche Logarithmus des Widerstands bei der Temperatur T in Kelvin ist und A, B und C aus experimentellen Messungen abgeleitete Koeffizienten sind. Diese Koeffizienten werden in der Regel von den Thermistorherstellern als Teil des Datenblatts veröffentlicht. Die Steinhart-Hart-Formel ist in der Regel auf ±0,15 °C im Bereich von -50 °C bis +150 °C genau, was für die meisten Anwendungen ausreichend ist. Wenn eine höhere Genauigkeit erforderlich ist, muss der Temperaturbereich verkleinert werden, und eine Genauigkeit von besser als ±0,01°C über den Bereich von 0°C bis +100°C ist erreichbar.

Auswahl der richtigen Näherung

Die Wahl der Formel, die zur Ableitung der Temperatur aus der Widerstandsmessung verwendet wird, muss sich nach der verfügbaren Rechenleistung sowie den tatsächlichen Toleranzanforderungen richten. Bei manchen Anwendungen ist eine Näherung erster Ordnung mehr als ausreichend, bei anderen erfüllt nicht einmal die Steinhart-Hart-Gleichung die Anforderungen, und der Thermistor muss Punkt für Punkt kalibriert werden, wobei eine große Anzahl von Messungen durchgeführt und eine Nachschlagetabelle erstellt werden muss.

Aufbau und Eigenschaften von NTC-Thermistoren

Materialien, die typischerweise bei der Herstellung von NTC-Widerständen verwendet werden, sind Platin, Nickel, Kobalt, Eisen und Siliziumoxide, die als reine Elemente oder als Keramik und Polymere verwendet werden. NTC-Thermistoren lassen sich je nach Herstellungsverfahren in drei Gruppen einteilen.

Perlen-Thermistoren

Diese NTC-Thermistoren werden aus direkt in den Keramikkörper eingesinterten Leitungsdrähten aus Platinlegierung hergestellt. Sie bieten im Allgemeinen schnelle Ansprechzeiten, eine bessere Stabilität und ermöglichen den Betrieb bei höheren Temperaturen als Scheiben- und Chip-NTC-Sensoren, sind jedoch empfindlicher. Es ist üblich, sie in Glas zu versiegeln, um sie vor mechanischer Beschädigung bei der Montage zu schützen und ihre Messstabilität zu verbessern. Die typischen Größen liegen zwischen 0,075 und 5 mm im Durchmesser.

Scheiben- und Chip-Thermistoren

Diese NTC-Thermistoren haben metallisierte Oberflächenkontakte. Sie sind größer und haben daher eine langsamere Reaktionszeit als NTC-Widerstände in Perlenform. Aufgrund ihrer Größe haben sie jedoch eine höhere Verlustleistungskonstante (die Leistung, die erforderlich ist, um ihre Temperatur um 1 °C zu erhöhen), und da die Verlustleistung des Thermistors proportional zum Quadrat des Stroms ist, können sie höhere Ströme viel besser verarbeiten als Perlenthermistoren. Scheibenförmige Thermistoren werden hergestellt, indem eine Mischung von Oxidpulvern in eine runde Form gepresst wird, die dann bei hohen Temperaturen gesintert wird. Die Chips werden in der Regel durch ein Bandgießverfahren hergestellt, bei dem eine Materialaufschlämmung als dicker Film ausgebreitet, getrocknet und in Form geschnitten wird. Die typischen Größen liegen zwischen 0,25 und 25 mm im Durchmesser.

Glasgekapselte NTC-Thermistoren

Das sind NTC-Temperatursensoren, die in einer luftdichten Glasblase eingeschlossen sind. Sie sind für den Einsatz bei Temperaturen über 150°C oder für die Montage auf Leiterplatten vorgesehen, wo Robustheit ein Muss ist. Das Einkapseln eines Thermistors in Glas verbessert die Stabilität des Sensors und schützt den Sensor vor Umwelteinflüssen. Sie werden durch hermetische Versiegelung von NTC-Widerständen in einem Glasbehälter hergestellt. Die typischen Größen reichen von 0,4-10 mm im Durchmesser.

Typische Anwendungen

NTC-Thermistoren werden in einem breiten Spektrum von Anwendungen eingesetzt. Sie werden zur Temperaturmessung, zur Temperaturregelung und zur Temperaturkompensation eingesetzt. Sie können auch verwendet werden, um das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Flüssigkeit festzustellen, als Strombegrenzer in Stromversorgungsschaltungen, zur Temperaturüberwachung in Automobilanwendungen und vieles mehr. NTC-Sensoren lassen sich in drei Gruppen einteilen, je nachdem, welche elektrische Eigenschaft in einer Anwendung genutzt wird.

Widerstands-Temperatur-Kennlinie

Anwendungen, die auf der Widerstands-Zeit-Kennlinie beruhen, umfassen Temperaturmessung, -steuerung und -kompensation. Dazu gehören auch Situationen, in denen ein NTC-Thermistor verwendet wird, so dass die Temperatur des NTC-Temperaturfühlers mit anderen physikalischen Phänomenen in Beziehung steht. Diese Gruppe von Anwendungen erfordert, dass der Thermistor im stromlosen Zustand arbeitet, was bedeutet, dass der Strom durch ihn so niedrig wie möglich gehalten wird, um eine Erwärmung des Fühlers zu vermeiden.

Strom-Zeit-Kennlinie

Anwendungen, die auf der Strom-Zeit-Kennlinie beruhen, sind: Zeitverzögerung, Einschaltstrombegrenzung, Überspannungsschutz und vieles mehr. Diese Eigenschaften hängen mit der Wärmekapazität und der Verlustleistungskonstante des verwendeten NTC-Thermistors zusammen. Die Schaltung beruht in der Regel darauf, dass sich der NTC-Thermistor aufgrund des durch ihn fließenden Stroms erwärmt. An einem bestimmten Punkt löst er eine Art von Veränderung im Schaltkreis aus, je nach der Anwendung, in der er verwendet wird.

Spannungs-Strom-Kennlinie

Anwendungen, die auf der Spannungs-Strom-Kennlinie eines Thermistors basieren, beinhalten im Allgemeinen Veränderungen der Umgebungsbedingungen oder Schaltungsvariationen, die zu Veränderungen des Arbeitspunktes auf einer bestimmten Kurve im Schaltkreis führen. Je nach Anwendung kann dies zur Strombegrenzung, zur Temperaturkompensation oder zur Temperaturmessung genutzt werden.

NTC-Thermistorsymbol