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Ratgeber

NTC-Widerstände » Heißleiter

Der Heißleiter wird auch als NTC-Widerstand oder NTC-Thermistor bezeichnet. Thermistor steht für die Gruppe elektrischer Halbleiterwiderstände, deren Wert sich mit der Temperatur reproduzierbar ändert. NTC ist eine Abkürzung aus dem Englischen und steht für „Negative Temperature Coefficient“. Es steht für die Eigenschaft, dass NTC Thermistoren über einen negativen Temperaturkoeffizienten verfügen.
Das bedeutet, dass der elektrische Widerstand bei steigender Temperatur abnimmt und der Stromfluss zunimmt. Bei sinkender Temperatur steigt der Widerstand an und der Stromfluss nimmt ab.
Es gibt zwei mögliche Szenarien für die Erwärmung, die interne Erwärmung und die externe Erwärmung. Das ermöglicht eine Vielzahl an Einsatzmöglichkeiten, bei denen Energie in Form von Temperaturen zum Tragen kommt. Ein Thermistor besteht aus einem gesinterten Metalloxid.



Betriebsarten

Der belastete Heißleiter (Interne Erwärmung)

Infolge eines fließenden Stroms erhitzt sich intern das Bauteil und die Leitfähigkeit nimmt zu. Durch die Eigenschaft eignet sich der Heißleiter für eine Schutzschaltung parallel zu einem Laststromkreis. Gibt es in diesem einen zu hohen Strom, beispielsweise beim Einschalten einer elektrischen Last, erwärmt sich der Widerstand und leitet den Strom über den Bypass ab. Dadurch wird die übrige Schaltung vor einer Überspannung geschützt.


Der unbelastete Heißleiter (Externe Erwärmung)

Der Heißleiter ist unbelastet, da nur geringe Ströme zum Messen fließen. Das ist der Fall, wenn sich bei beliebiger Änderung der Belastung der Widerstandswert (Nulllastwiderstand) nicht mehr als +- 0,1 % ändert. Somit tritt annähernd keine interne Erwärmung auf. Durch eine Energiezufuhr von außen erhitzt sich das Bauteil und die Leitfähigkeit nimmt zu. Durch diese Eigenschaft sind Heißleiter das Mittel der Wahl zur Temperaturerfassung. Sie werden häufig als Temperatursensoren eingesetzt.



Kennwerte von NTC-Widerständen

Nennwiderstand Da sich der Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur verändert, wird der Nennwiderstand bei einer Temperatur von 25 °C angegeben. Deswegen wird ein typischer NTC-Widerstand mit R(25) oder R(R) gekennzeichnet und in Ohm angegeben.
Temperaturkoeffizient Die Änderung des Widerstands zur Temperatur ist abhängig von dessen Materialeigenschaften. Der Temperaturkoeffizient TC gibt diese Änderungsrate an und bildet die Grundlage für die Kennlinie.
B-Wert Das Widerstand-Temperatur-Verhalten von einem Thermistor ist abhängig von dessen Materialeigenschaften und wird als der B-Wert in der Einheit Kelvin angegeben. Er wird auch als Thermistor-Konstante bezeichnet. Typischerweise liegt dieser Wert bei einigen tausend Kelvin.
Temperaturgrenzen Die Betriebstemperatur liegt innerhalb von Grenzwerten. Die obere Grenztemperatur Tmax und die untere Grenztemperatur Tmin.
Verlustleistung Die Belastbarkeit ist die maximal zulässige Verlustleistung bei der angegebenen Bezugstemperatur. Diese ist abhängig von der durch die Temperatur hervorgerufene Widerstandsänderung. Typischerweise wird der Nennwert in Watt bei 25 °C Bezugstemperatur angegeben und wird mit P25 gekennzeichnet.
Nennspannung Die maximale Betriebsspannung Umax ergibt sich aus der Leistung und dem Widerstand bei einer Referenztemperatur und ist in Volt angegeben.
Maximalstrom Ist ein Einsatz des Thermistors als Temperatursensor vorgesehen, besteht die Möglichkeit, dass kein Stromkennwert im Datenblatt angegeben ist. Diese werden mit möglichst wenig Strom betrieben. Bei Einsatz durch Eigenerwärmung ist die Maximalstromangabe Imax in Ampere, bezogen auf den Widerstand oder die Grenztemperatur angegeben. Darüber hinaus ist gelegentlich auch die Impulsbelastbarkeit J in Wattsekunden angegeben.
Toleranzen

Die Toleranzangaben betreffen die Abweichungen mehrerer Kennwerte. Die gegebenen Werte sind Beispiele, sie können im jeweiligen Datenblatt abweichen.

·   Der Widerstandswert R25 (+- 1… 25 %)

·   Der B-Wert (+- 1… 2 %)

·   Temperaturwert (+- 0,1… 5 %)



Anwendungen von Heißleitern



Bauformen von Heißleitern

Eine Auswahl an typischen Bauformen:

Tropfenbauform


Anschraubflansch


Einschraubgewinde


Scheibenbauform


SMD Bauform


Wenn Heißleiter als Temperatur-Sensoren eingesetzt werden, ist es erforderlich, dass eine gute Wärmeübertragung zum messenden Medium stattfindet. Dies ist besonders bei Heißleitern mit Schraubbefestigung wichtig. Bei Bedarf können für eine bessere Wärmeübertragung auch elektrisch isolierende Wärmeleitpasten verwendet werden. Allerdings muss die Paste für die vorherrschenden Maximal-Temperaturen ausgelegt sein.



Projekt: Temperaturmessung mit dem Arduino

Damit ein Temperaturwert ermittelt werden kann, wird der NTC-Widerstand gemessen. Der Arduino verfügt über einen Analog-Digital Wandler, mit dem eine Spannung gelesen wird. Damit dies geschehen kann, wird ein zweiter fester Referenzwiderstand verwendet, der über den gleichen Widerstand verfügt wie der des NTC.  

Der Aufbau wird in Form eines Spannungsteilers vorgenommen. Der Festwiderstand wird an 5 Volt und in Reihe mit dem NTC geschaltet, der mit dem Ground verbunden ist. Zwischen den beiden Widerständen wird der Messanschluss für den Analog-Pin A0 des Arduino abgegriffen.

Die Gesamtspannung teilt sich auf den NTC und den Festwiderstand auf. In der Reihenschaltung ist das Verhältnis zwischen der Gesamtspannung und dem Gesamtwiderstand genauso groß wie das Verhältnis zwischen der Spannung am Einzelwiderstand und seinem Widerstandswert. Der Arduino kann über die analogen Pins eine Spannung von 5 Volt mit einer Auflösung von 10 Bit darstellen. Die Spannung, welche an dem NTC abfällt, kann so am Arduinopin A0 gemessen werden.


Verdrahtung des Arduino

Im Beispiel wird die 5 Volt mit der roten Steckbrücke vom Arduino abgegriffen und auf dem Steckbrett in der Reihe 2, Spalte J zugeführt.

Durch die Reihe gelangt die Spannung zum Widerstand an Spalte F und wird auf die Reihe 6 geleitet.

In dieser sitzt in der Spalte I die gelbe Steckbrücke, welche zum analogen Messpin A0 geleitet wird und in der Spalte J der Temperatursensor, der die Spannung in der Reihe 8 leitet.

In der Spalte H wird mit der schwarzen Steckbrücke der Strompfad mit dem Ground des Arduino verbunden und der Stromkreis geschlossen.


Der Code für den Arduino zum Download:

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