Was ist ein PTC-Widerstand? – Eine Definition

0

Was ist ein PTC-Thermistor?

Ein PTC-Widerstand, auch PTC-Thermistor genannt, ist ein Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten, was bedeutet, dass der Widerstand mit steigender Temperatur zunimmt. PTC steht für „Positiver Temperaturkoeffizient“ (eng.: „Positive Temperature Coefficient“). 

Ein einfacher und viel verwendeter PTC-Widerstand.

Ein PTC-Widerstand.

PTC-Thermistoren werden aufgrund der verwendeten Materialien, ihres Aufbaus und des Herstellungsverfahrens in zwei Gruppen eingeteilt. Die erste Gruppe von PTC-Thermistoren besteht aus Silistoren, die Silizium als Halbleitermaterial verwenden. Sie werden wegen ihrer linearen Kennlinie als PTC-Temperaturfühler verwendet.

Die zweite Gruppe ist der schaltende PTC-Thermistor. Dieser Typ PTC-Widerstand wird häufig in PTC-Heizgeräten, Sensoren usw. verwendet. Polymer-PTC-Thermistoren aus einem speziellen Kunststoff gehören ebenfalls zu dieser zweiten Gruppe, die häufig als rückstellbare Sicherungen verwendet werden. Der schaltende Kaltleitertyp PTC-Thermistor hat eine hochgradig nichtlineare Widerstands-Temperatur-Kennlinie.

Wenn der Schalt-PTC-Thermistor erwärmt wird, beginnt der Widerstand zunächst abzunehmen, bis eine bestimmte kritische Temperatur erreicht ist. Wenn die Temperatur über diesen kritischen Wert hinaus weiter erhöht wird, steigt der Widerstand dramatisch an. Dieser Artikel konzentriert sich auf die PTC-Thermistoren vom Schalttyp.

Eigenschaften des PTC-Widerstand

Schalt-PTC-Thermistoren bestehen in der Regel aus polykristallinen Keramikmaterialien, die in ihrem ursprünglichen Zustand hochohmig sind und durch die Zugabe von Dotierstoffen halbleitend gemacht werden. Sie werden meist als selbstregulierende PTC-Heizelemente verwendet. Die Übergangstemperatur der meisten geschalteten PTC-Thermistoren liegt zwischen 60°C und 120°C. Es werden jedoch auch spezielle Anwendungsgeräte hergestellt, die bis zu 0°C oder bis zu 200°C schalten können.

Silistoren haben eine lineare Widerstands-Temperatur-Kennlinie, mit einer Steilheit, die über den größten Teil ihres Betriebsbereichs relativ klein ist. Sie können bei Temperaturen über 150 °C einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweisen. Silistoren haben bei der Temperatur einen Widerstand von etwa 0,7 bis 0,8% °C.

Widerstands-Temperatur-Charakteristik eines PTC-Thermistors.

Widerstands-Temperatur-Charakteristik von PTC-Widerständen

Übergangstemperatur (Tc)

Wie aus der Abbildung ersichtlich, haben schaltende PTC-Thermistoren einen leicht negativen Temperaturkoeffizienten bis zum Punkt des Mindestwiderstandes. Oberhalb dieses Punktes erfährt er einen leicht positiven Koeffizienten bis zu dem Moment, an 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 PTC-Thermistoren des Schalttyps schnell zu steigen beginnt. Die Curie-Temperatur ist meistens als die Temperatur definiert, bei der der Widerstand das Doppelte des Wertes des Mindestwiderstandes beträgt.

Minimaler Widerstand (Rmin)

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

Nennwiderstand (R25)

Der PTC-Nennwiderstand wird 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 genügend erwärmt, um die Messung zu beeinflussen.

Dissipationskonstante

Die Dissipationskonstante eines PTC-Widerstand stellt das Verhältnis zwischen der angelegten Leistung und der resultierenden Körpertemperaturerhöhung aufgrund von Eigenerwärmung dar. Einige der Faktoren, die die Dissipationskonstante beeinflussen, sind: Kontaktdrahtmaterialien, die Art und Weise, wie der Thermistor montiert ist, Umgebungstemperatur, Leitungs- oder Konvektionspfade zwischen dem Gerät und seiner Umgebung, die Größe und sogar die Form des Geräts selbst. Die Dissipationskonstante 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-Widerstand fließen kann. Sein Wert hängt von der Verlustleistungskonstante und der R-T-Kurve ab. Wenn der Kaltleiter so weit überlastet wird, dass der Temperaturkoeffizient wieder abzunehmen beginnt, führt dies zu einer unkontrollierten Leistungssituation und zur Zerstörung des Kaltleiters.

Maximale Nennspannung

Ähnlich wie der maximale Nennstrom stellt die maximale Nennspannung die höchste Spannung dar, die unter festgelegten Umgebungsbedingungen kontinuierlich an den Thermistor angelegt werden kann. Auch ihr Wert hängt von der Verlustleistungskonstante und der R-T-Kurve ab.

PTC-Widerstand Betriebsarten

Abhängig von der Anwendung können PTC-Thermistoren in zwei Betriebsarten verwendet werden: Eigenerwärmung und Sensorik (auch Nullleistung genannt).

Eigenbeheizter Modus

Selbsterhitzte Anwendungen nutzen die Tatsache aus, dass sich die Temperatur eines Thermistors erhöht, wenn eine Spannung an ihn angelegt wird und ein ausreichender Strom durch ihn fließt. Bei Annäherung an die Curie-Temperatur steigt der Widerstand dramatisch 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 innerhalb einer Temperaturspanne von nur wenigen Grad mehrere Größenordnungen betragen. Wenn die Spannung konstant bleibt, stabilisiert sich der Strom auf einem bestimmten Wert, wenn der Thermistor das thermische Gleichgewicht erreicht.

Die Gleichgewichtstemperatur hängt von der angelegten Spannung sowie vom Wärmeableitungsfaktor des Thermistors ab. Diese Betriebsart wird häufig beim Entwurf temperaturabhängiger Zeitverzögerungsschaltungen verwendet.

Sensing-Modus (Null-Leistung)

In dieser Betriebsart ist die Leistungsaufnahme des Thermistors so gering, dass sie im Gegensatz zur Eigenerwärmung einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Temperatur und damit den Widerstand des Thermistors hat. Der Abtastmodus wird normalerweise bei der Temperaturmessung unter Verwendung der R-T-Kurve als Referenz verwendet.

Konstruktion und Eigenschaften

Das Schaltsymbol eines PTC-Thermistor.

Schaltungs-Symbol des PTC-Widerstand.

PTC-Thermistoren des Schalttyps werden aus polykristallinen Materialien hergestellt. Sie werden oft unter Verwendung von Mischungen aus Bariumcarbonat, Titanoxid und Zusätzen wie Tantal, Siliciumdioxid und Mangan hergestellt. Die Materialien werden geschliffen, gemischt, zu Scheiben oder Rechteckformen gepresst und gesintert. Danach werden Kontakte hinzugefügt und schließlich beschichtet oder umhüllt.

Der Herstellungsprozess dieses PTC-Widerstand Typs fordert eine sehr sorgfältige Kontrolle der Materialien und Verunreinigungen. Verunreinigungen in der Größenordnung von einigen wenigen Teilen pro Million können große Veränderungen der thermischen und elektrischen Eigenschaften verursachen.

Polymer-PTCs bestehen aus einer Kunststoffscheibe mit darin eingebetteten Kohlenstoffkörnern. Wenn der PTC-Widerstand abgekühlt ist, stehen die Kohlenstoffkörner in engem Kontakt miteinander und bilden einen leitenden Pfad durch das Gerät. Wenn sich das Gerät erwärmt, dehnt sich der Kunststoff aus und die Kohlenstoffkörner bewegen sich weiter auseinander, wodurch der Gesamtwiderstand des Geräts erhöht wird.

Silistoren beruhen auf den Volumeneigenschaften von dotiertem Silizium und weisen Widerstands-Temperatur-Charakteristiken auf, die nahezu linear sind. Sie werden aus hochwertigen, reinen Silizium-Wafern hergestellt, die in verschiedenen Formen hergestellt werden. Die Temperatur-Widerstandskurve hängt von der Menge der verwendeten Dotierung ab.

Typische Anwendungen für PTC-Thermistoren

Selbstregulierende Heizgeräte

Wenn ein Strom durch einen schaltenden PTC-Widerstand fließt, stabilisiert er sich bei einer bestimmten Temperatur automatisch. Das heißt, wenn die Temperatur gesenkt wird, sinkt auch der Widerstand, so dass mehr Strom fließen kann und somit das Gerät erwärmt wird. In ähnlicher Weise wird bei einer Erhöhung der Temperatur auch der Widerstand erhöht, wodurch der durch den Baustein fließende Strom begrenzt und der Baustein somit abgekühlt wird.

Ein PTC-Heitmodul welches mit Hilfe von PTC-Widerständen Wärme erzeugt.

PTC-Heizmodul für den Anschluss an Netzstrom.

Der PTC-Thermistor hat dann einen Punkt erreicht, an dem die aufgenommene Leistung über einen relativ weiten Spannungsbereich praktisch unabhängig von der Spannung ist. Diese PTC-Thermistoren werden oft aus Keramik in verschiedenen Formen und Größen hergestellt, und aufgrund ihrer Designflexibilität sind PTC-Keramikheizungen eine gute Wahl, um kontrollierte elektrische Wärme zu liefern. Für eine erhöhte Wärmeübertragung können die Keramikheizelemente auf Aluminiumkühlkörper oder -gitter montiert werden.

Überstromschutz

Geschaltete PTC-Thermistoren werden als Überstrombegrenzer oder rückstellbare Sicherungen in verschiedenen Schaltungen eingesetzt. Im Falle einer Überstromsituation steigt die Thermistorkörpertemperatur an und erreicht schnell die Übergangstemperatur. Dies führt dazu, dass der Widerstand des PTC-Thermistors stark ansteigt und den Strom im Schaltkreis begrenzt.

Wenn die Überstrom- oder Kurzschlusssituation gelöst ist und der Thermistor wieder abgekühlt ist, funktioniert der Schaltkreis wieder normal. Auf diese Weise wirkt er wie eine automatisch rückstellbare Sicherung. Normalerweise werden für diese Anwendung Polymer-PTC-Thermistoren verwendet. Sie sind unter verschiedenen Handelsnamen wie Polyfuse, Polyswitch und Multifuse bekannt.

Zeitverzögerungs-Schaltung

Eine Zeitverzögerung in einem Schaltkreis kann durch die Zeit bereitgestellt werden, die ein PTC-Widerstand 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 der Kaltleiter angeschlossen ist, sowie von der Schaltung, in der er eingesetzt wird. Ein Beispiel für die Verwendung der Zeitverzögerung bei PTC-Thermistoren ist ihre Verwendung in Leuchtstofflampen. Wenn die Spannung zum ersten Mal angelegt wird, befindet sich der PTC-Widerstand in einem kalten Zustand (Raumtemperatur). Die Lampenspannung liegt unter der Zündspannung, und der durch die Schaltung fließende Strom erwärmt gleichzeitig die Elektroden und den PTC.

Wenn die Curie-Temperatur erreicht ist, schaltet der PTC, die Spannung an der Lampe übersteigt die Zündspannung und die Lampe beginnt den normalen Betrieb. Das Vorheizen der Elektroden verlängert die Lebensdauer der Lampe erheblich, weshalb in solchen Schaltungen PTC-Thermistoren eingesetzt werden.

Starten eines Motors

Einige Elektromotoren haben eine separate Anlaufwicklung, die nur während des Motoranlaufs gespeist werden muss. In solchen Fällen können wir den Selbsterwärmungseffekt eines PTC-Thermistors nutzen, der mit einer solchen Wicklung in Reihe geschaltet ist. Wenn der Stromkreis eingeschaltet wird, hat der PTC-Thermistor einen niedrigen Widerstand, so dass Strom durch die Anlaufwicklung fließen kann.

Wenn der Motor anläuft, erwärmt sich der PTC-Widerstand und geht an einem Punkt in einen hochohmigen Zustand über. Die dafür erforderliche Zeit wird auf der Grundlage der erforderlichen Motoranlaufzeit berechnet. Nach der Erwärmung wird der Strom durch den PTC-Thermistor vernachlässigbar und der Strom durch die Anlaufwicklung wird abgeschaltet.

Erfassung von Flüssigkeitsständen

Diese Anwendungen beruhen auf der Änderung der Dissipationskonstante, wenn die Wärmeübertragung durch Konduktion und Konvektion erhöht wird. Eine Erhöhung der Dissipationskonstante, die sich aus dem Kontakt zwischen dem Gerät und einer Flüssigkeit oder einem erhöhten Luftstrom über das Gerät ergibt, senkt die Betriebstemperatur des Thermistors und erhöht die zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Körpertemperatur erforderliche Leistungsmenge. Die Leistungszunahme kann gemessen werden und zeigt dem System an, dass der PTC Widerstand z.B. in eine Flüssigkeit eingetaucht ist.

Teile diesen Beitrag:

About Author

Carsten Hack ist begeisterter Hobby-Bastler auf vielen Gebieten und Autor von e-hack.de. Seine Erfahrung und Expertise schreibt er in informativen Beschreibungen verschiedener elektrischer Bauteile nieder und gibt Tipps zu allen Fragen der Beleuchtung und LED-Leuchtmitteln.

Kommentare

Scroll Up