Ratgeber
PTC-Widerstände gehören zu den Thermistoren, diskreten Bauelementen, deren elektrische Leitfähigkeit von ihrer Temperatur abhängt. Mit dieser Eigenschaft lassen sie sich in zahlreichen Anwendungen nutzen. In unserem Ratgeber stellen wir Ihnen Aufbau und Eigenschaften dieser Sensoren ebenso vor wie typische Einsatzbereiche
Die Abkürzung PTC steht für Positive Temperature Coefficient, es sind Resistoren mit einem positiven Temperaturkoeffizienten. Das bedeutet: Der Widerstand nimmt mit steigender Temperatur zu. Im Umkehrschluss heißt das aber auch, dass die Leitfähigkeit bei tieferen Temperatur – also Kälte – immer besser wird. Aus diesem Grund hat sich für diesen Widerstand der Begriff Kaltleiter eingebürgert. Diese Eigenschaft unterscheidet ihn von einem anderen Thermistor, dem NTC-Widerstand. Er besitzt einen negativen Temperaturkoeffizienten, der Widerstandswert verringert sich mit steigender Temperatur. NTC-Widerstände werden daher auch als Heißleiter bezeichnet.
PTC-Widerstände lassen sich aufgrund der verwendeten Materialien, ihres Aufbaus und des Herstellungsverfahrens in zwei Gruppen unterteilen. Die erste Gruppe verwendet Silizium als Halbleitermaterial. Aufgrund ihrer linearen Kennlinie sind solche Resistoren häufig als Temperatursensoren verbaut.
Die zweite Gruppe bilden die schaltenden Kaltleiter. Sie besitzen eine nichtlineare Widerstands-Temperatur-Kennlinie, auch als nichtlineare R-T-Kurve bekannt. Wird ein solches Bauelement erwärmt, beginnt der Widerstandswert zunächst zu sinken, bis eine bestimmte kritische Temperatur erreicht ist. Wird sie weiter über diesen kritischen Wert erhöht, steigt der Widerstand drastisch an.
Diese Art Sensor findet sich deshalb häufig in Heizungen und anderen thermisch anspruchsvollen Geräten. Kaltleiter aus polykristallinen keramischen Werkstoffen beispielsweise gehören zu dieser zweiten Gruppe und werden häufig als sich automatisch zurückstellende Sicherungen verwendet.
Kaltleiter beruhen auf den Volumeneigenschaften von dotiertem Silizium und weisen eine nahezu lineare R-T-Kurve auf. Sie bestehen üblicherweise aus hochreinen Siliziumscheiben. Die Kurve hängt von der Menge der verwendeten Dotierung ab.
Schaltende Kaltleiter werden dagegen aus polykristallinen Materialien hergestellt. Sie enthalten häufig Mischungen von Bariumcarbonat, Titanoxid und Zusätzen wie Tantal, Siliziumdioxid und Mangan. Die Materialien werden gemahlen, gemischt, zu Scheiben oder rechteckigen Formen gepresst und gesintert. Anschließend kommen Kontakte, Beschichtungen oder Ummantelungen hinzu. Der Herstellungsprozess erfordert eine sehr sorgfältige Kontrolle vor allem der Verunreinigungen. In der Größenordnung von wenigen Teilen pro Million können sie zu erheblichen Veränderungen der thermischen und elektrischen Eigenschaften führen.
Polymer-PTCs schließlich bestehen aus einer Kunststoffscheibe mit darin eingebetteten Kohlenstoffkörnern. Im kalten Zustand stehen die Kohlenstoffkörner in engem Kontakt zueinander und bilden einen leitenden Pfad durch das Bauteil. Wenn sich das Gerät erwärmt, dehnt sich der Kunststoff aus und die Körner bewegen sich weiter auseinander, wodurch sich der Gesamtwiderstand des Geräts erhöht.
Je nach Anwendung lassen sich Kaltleiter in zwei Betriebsarten verwenden: Selbsterhitzung und Abtastung, auch Nullleistung genannt.
Selbsterhitzte Betriebsart
Bei selbsterhitzten Anwendungen macht man sich die Tatsache zunutze, dass sich die Temperatur eines Kaltleiters erhöht, wenn eine Spannung an ihn angelegt wird und ein ausreichender Strom durch ihn fließt. Bei Annäherung an die Curie-Temperatur steigt der Widerstandswert drastisch an, sodass viel weniger Strom fließt. Die Widerstandsänderung in der Nähe der Curie-Temperatur kann mehrere Größenordnungen innerhalb einer Temperaturspanne von nur wenigen Grad betragen. Bleibt die Spannung konstant, stabilisiert sich der Strom bei einem bestimmten Wert, wenn der PTC das thermische Gleichgewicht erreicht. Die Gleichgewichtstemperatur hängt von der angelegten Spannung und dem Wärmeableitungsfaktor ab. Diese Betriebsart wird häufig bei der Entwicklung temperaturabhängiger Zeitverzögerungsschaltungen verwendet.
Abtastmodus oder Nullleistung
In dieser Betriebsart ist der Stromverbrauch des Kaltleiters so klein, dass er sich im Gegensatz zur Selbsterhitzung nur geringfügig auf die Temperatur des Bauteils und damit auf seinen Widerstand auswirkt. Diese Betriebsart wird in der Regel bei Temperaturmessungen verwendet, bei denen die R-T-Kurve als Referenz dient.
Selbstregulierende Heizelemente
Wenn ein Strom durch einen schaltenden PTC fließt, stabilisiert er sich automatisch bei einer bestimmten Temperatur. Das heißt, wenn sie sinkt, sinkt auch der Widerstand des PTC-Kaltleiters. Es fließt mehr Strom, das Gerät wird warm.
Erhöht sich nun die Wärme, erhöht sich auch der Widerstandswert, was den Stromfluss durch das Gerät begrenzt und es somit abkühlt. Der Kaltleiter hat dann einen Punkt erreicht, an dem die verbrauchte Leistung über einen relativ großen Bereich praktisch unabhängig von der Spannung ist.
Diese Kaltleiter werden häufig aus Keramik in verschiedenen Formen und Größen hergestellt. Aufgrund ihrer Konstruktionsflexibilität sind PTC-Keramikheizungen eine bevorzugte Wahl für die Bereitstellung kontrollierter elektrisch erzeugter Wärme.
Um die Wärmeübertragung zu verbessern, lassen sich die keramischen Heizelemente auf Aluminiumkühlkörper oder -gitter montieren. Es gibt auch gedruckte PTC-Heizfarben, die im Siebdruckverfahren auf Polymersubstrate aufgebracht werden können, um PTC-Heizelemente herzustellen.
Überstromschutz
Geschaltete Kaltleiter lassen sich als Überstrombegrenzer oder rücksetzbare Sicherungen in verschiedenen Schaltkreisen einsetzen.
Im Fall einer Überstromsituation steigt die Temperatur des Widerstandskörpers an und erreicht schnell die Übergangstemperatur. Der Widerstand steigt stark an, der Strom im Stromkreis wird begrenzt. Wenn die Überstrom- oder Kurzschlusssituation behoben und das Bauelement 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.
Zeitverzögerung
Die Zeit, die ein PTC-Thermistor für den Übergang vom niederohmigen in den hochohmigen Zustand benötigt, lässt sich als Zeitverzögerung in einem Stromkreis verwenden.
Die Zeitverzögerung ist unter anderem von der Größe, der Umgebungstemperatur und der Spannung abhängig.
Motorstart
Einige Elektromotoren verfügen über eine separate Anlaufwicklung, die nur während des Motorstarts mit Strom versorgt werden muss.
In solchen Fällen kann der Selbsterhitzungseffekt eines Kaltleiters in einer Reihenschaltung mit einer solchen Wicklung genutzt werden.
Beim Einschalten des Stromkreises hat der PTC-Widerstand einen niedrigen Wert, Strom kann daher durch die Anlaufwicklung fließen. Wenn der Motor anläuft, erhitzt sich der Kaltleiter und schaltet irgendwann in einen hochohmigen Zustand.
Die dafür benötigte Zeit wird auf der Grundlage der erforderlichen Motoranlaufzeit berechnet. Nach der Erwärmung ist der Strom durch die Anlaufwicklung vernachlässigbar und lässt sich daher abschalten.
Erkennung von Flüssigkeitsständen
Diese Anwendungen beruhen auf der Änderung der Verlustleistungskonstante, wenn die Wärmeübertragung durch Leitung und Konvektion erhöht wird.
Eine Erhöhung der Konstante, die sich aus dem Kontakt zwischen dem Gerät und einer Flüssigkeit oder einem erhöhten Luftstrom über dem Gerät ergibt, senkt die Betriebstemperatur des Sensors und erhöht die zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Temperatur erforderliche Leistung.
Der Leistungsanstieg lässt sich messen und zeigt dem System an, dass der Sensor zum Beispiel in eine Flüssigkeit eingetaucht ist.
Übergangstemperatur
Schaltende PTC-Widerstände besitzen bis zum Punkt des minimalen Widerstands einen leicht negativen Temperaturkoeffizienten. Oberhalb dieses Punktes weist der PTC so lange einen leicht positiven Koeffizienten auf, bis er seine Übergangstemperatur erreicht. Diese Temperatur wird manchmal auch als Schalt- oder Curie-Temperatur bezeichnet. Die Schalttemperatur ist die Temperatur, bei der der Widerstand von schaltenden PTC-Widerständen 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
Der Mindestwiderstand ist der niedrigste Widerstand, der an einem geschalteten Bauteil gemessen werden kann.
Nennwiderstand
Der Nennwiderstand wird normalerweise als der Widerstand bei 25 Grad Celsius definiert. Er dient zur Klassifizierung der Sensoren nach ihrem Widerstandswert. Der Nennwiderstand wird mit einem geringen Strom gemessen, der den Kaltleiter nicht so stark erwärmt, dass die Messung beeinträchtigt wird.
Verlustleistungskonstante
Die Verlustleistungskonstante gibt das Verhältnis zwischen der angelegten Leistung und der daraus resultierenden Erhöhung der Bauteiltemperatur aufgrund der Eigenerwärmung an. Einige der Faktoren, die sich auf die Verlustkonstante auswirken, sind Materialien der Kontaktdrähte, die Art der Montage, die Umgebungstemperatur, 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 Eigenerwärmung des Thermistors.
Nennstrom
Der Nennstrom ist der maximale Strom, der bei bestimmten Umgebungsbedingungen ständig durch einen PTC-Thermistor fließen kann. Sein Wert hängt von der Verlustleistungskonstante und der R-T-Kurve ab. Wird der Thermistor bis zu dem Punkt überlastet, an dem der Temperaturkoeffizient wieder zu sinken beginnt, führt dies zu einer Durchlaufleistung und zur Zerstörung des Bauteils.
Nennspannung
Ähnlich wie der maximale Nennstrom stellt die Nennspannung die höchste Spannung dar, die bei bestimmten Umgebungsbedingungen dauerhaft an den Kaltleiter angelegt werden kann. Auch ihr Wert hängt von der Verlustleistungskonstante und der R-T-Kurve ab.