Was ist ein temperaturabhängiger Widerstand?

Ein temperaturabhängiger Widerstand, auch Thermistor genannt, ist ein elektronisches Bauteil, dessen elektrischer Widerstand sich in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur verändert. Sie sind grundlegende Bestandteile in vielen elektronischen Geräten und Systemen, da sie es ermöglichen, Temperaturänderungen präzise zu messen und zu überwachen.

Die physikalischen Prinzipien, die diesen Funktionen zugrunde liegen, sind eng mit den Eigenschaften von Halbleitermaterialien verbunden, aus denen die Thermistoren hergestellt werden. Bei steigender Temperatur erhöht sich die Anzahl der Elektronen, die sich frei bewegen können, was zu einer Änderung des elektrischen Widerstands führt. Bei NTC-Thermistoren führt dies zu einem sinkenden Widerstand, während bei PTC-Thermistoren eine Zunahme des Widerstands beobachtet wird.

1. Grundlegende Arten

Arten von temperaturabhängigen Widerständen

Es gibt zwei Haupttypen von temperaturabhängigen Widerständen: Negative Temperature Coefficient (NTC) und Positive Temperature Coefficient (PTC). Beide Arten von Thermistoren haben spezifische Eigenschaften, die sie für verschiedene Anwendungen geeignet machen.

NTC-Thermistoren, auch Heißleiter genannt, sind die am häufigsten verwendeten Typen von temperaturabhängigen Widerständen. Sie sind so konzipiert, dass ihr Widerstandswert mit zunehmender Temperatur abnimmt. Dies bedeutet, dass bei einer Erhöhung der Umgebungstemperatur der Widerstand des NTC-Thermistors sinkt. Dieser Effekt ist direkt proportional, was bedeutet, dass eine bestimmte Temperaturerhöhung eine bestimmte Abnahme des Widerstands zur Folge hat. NTC-Thermistoren werden häufig in Anwendungen wie Temperatursensoren, Thermoschaltern und Überlastschutzvorrichtungen verwendet.

PTC-Thermistoren, auch Kaltleiter genannt, im Gegenteil, zeigen einen Anstieg des elektrischen Widerstands mit steigender Temperatur. Dies bedeutet, dass der Widerstand eines PTC-Thermistors bei Erhöhung der Umgebungstemperatur ansteigt. Diese Art von temperaturabhängigem Widerstand wird oft in Situationen verwendet, in denen ein Überstromschutz erforderlich ist. Wenn die Temperatur steigt (was oft ein Zeichen für einen Überstromzustand ist), erhöht sich der Widerstand des PTC-Thermistors, wodurch der Stromfluss durch die Schaltung verringert und das Gerät vor Beschädigung geschützt wird.

Die PT100 und PT1000 Fühler sind aus der Welt der PTC-Elemente nicht mehr wegzudenken. Diese Temperatursensoren sind äußerst präzise und bieten eine hohe Genauigkeit bei der Messung von Temperaturen. Sowohl in der Industrie als auch im privaten Bereich finden sie zahlreiche Anwendungsgebiete, beispielsweise in der Regeltechnik, der Kältetechnik und der Heizungstechnik. Die PT100 und PT1000 Fühler haben den Vorteil, dass sie unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störfeldern sind und somit eine hohe Messgenauigkeit gewährleisten. Diese Eigenschaften machen sie zu einem zuverlässigen Werkzeug für Temperaturmessungen.

Beide Typen von temperaturabhängigen Widerständen spielen eine wichtige Rolle in einer Vielzahl von Anwendungen. NTC-Thermistoren sind ideal für Anwendungen, bei denen eine genaue Temperaturmessung erforderlich ist, während PTC-Thermistoren besonders nützlich in Situationen sind, in denen ein Überstromschutz benötigt wird. Durch die sorgfältige Auswahl des richtigen Typs des temperaturabhängigen Widerstands kann die Leistung und Zuverlässigkeit elektronischer Geräte und Systeme erheblich verbessert werden.

Wie funktioniert ein temperaturabhängiger Widerstand?

Die Änderung des Widerstands mit der Temperatur bei einem NTC-Thermistor kann durch das Verhalten von Halbleitern erklärt werden. Bei steigender Temperatur werden mehr Elektronenenergie zugeführt, wodurch sie vom Valenzband ins Leitungsband springen können. Dies erhöht die Anzahl der freien Ladungsträger und verringert den Widerstand.

Auf der anderen Seite führt eine Erhöhung der Temperatur bei PTC-Thermistoren zu einer Zunahme des Widerstands, da die erhöhte Temperatur den Kristallgitteraufbau des Materials stört und somit den Fluss von Elektronen behindert.

Die genaue Beziehung zwischen Temperatur und Widerstand wird durch die Steinhart-Hart-Gleichung beschrieben, die lautet:

1/T = A + Bln(R) + C(ln(R))^3

Dabei ist T die absolute Temperatur in Kelvin, R der Widerstand des Thermistors, und A, B und C sind Konstanten, die spezifisch für das Material des Thermistors sind. ln bezeichnet den natürlichen Logarithmus.

Diese Gleichung ermöglicht es, die Temperatur basierend auf dem gemessenen Widerstand des Thermistors sehr genau zu bestimmen. Es ist wichtig zu beachten, dass die Konstanten A, B und C durch Kalibrierung ermittelt werden müssen, was normalerweise durch Messung des Widerstands bei drei bekannten Temperaturen geschieht.

Anwendungen des temperaturabhängigen Widerstands

Temperaturabhängige Widerstände finden in einer Vielzahl von Anwendungen Verwendung, da sie präzise und zuverlässige Temperaturmessungen ermöglichen. Hier sind einige Beispiele für ihre Anwendung:

Elektronik: In der Elektronik werden Thermistoren häufig zur Temperaturüberwachung und -regelung in Geräten wie Computern, Batterien und Heiz- oder Kühlsystemen verwendet. Sie helfen dabei, die optimale Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten und vor Überhitzung zu schützen.

Automobilindustrie: Im Automobilbereich werden Thermistoren zur Überwachung und Steuerung der Motortemperatur, der Kühlmitteltemperatur und der Lufttemperatur im Ansaugtrakt eingesetzt. Sie tragen dazu bei, den Kraftstoffverbrauch zu optimieren und die Emissionen zu reduzieren.

Medizinische Geräte: In medizinischen Geräten kommen Thermistoren zum Einsatz, um die Körpertemperatur des Patienten genau zu überwachen. Sie werden beispielsweise in digitalen Thermometern und medizinischen Sensoren eingesetzt.

Hausgeräte: In Haushaltsgeräten wie Kühlschränken, Öfen und Klimaanlagen werden Thermistoren zur Temperaturregelung verwendet. Sie tragen dazu bei, die Effizienz dieser Geräte zu verbessern und den Energieverbrauch zu senken.

Industrielle Prozesssteuerung: In industriellen Anwendungen werden Thermistoren zur Überwachung und Steuerung von Prozessbedingungen verwendet. Sie können zum Beispiel in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie zur Überwachung der Temperatur während des Kochens oder der Pasteurisierung eingesetzt werden.

Vorteile und Nachteile des temperaturabhängigen Widerstands

Temperaturabhängige Widerständehaben eine Reihe von Vorteilen und Nachteilen, die ihre Verwendung in verschiedenen Anwendungen beeinflussen.

Vorteile von temperaturabhängigen Widerständen:

  • Breiter Temperaturbereich: Temperaturabhängige Widerstände können einen breiten Temperaturbereich abdecken. Zum Beispiel können Pt-Widerstandsfühler Temperaturen von -240°C bis 1000°C messen.
  • Hohe Genauigkeit: Thermistoren sind für ihre hohe Genauigkeit und Empfindlichkeit bekannt, besonders bei NTC-Thermistoren.
  • Langzeitstabilität: Pt-Widerstandsfühler sind für ihre hohe Langzeitstabilität bekannt, was bedeutet, dass sie über lange Zeiträume hinweg genaue Messungen liefern können.
  • Einfache Anwendung: Temperaturabhängige Widerstände sind relativ einfach zu verwenden und können leicht in elektronische Schaltungen integriert werden.

Nachteile oder Herausforderungen bei der Verwendung von temperaturabhängigen Widerständen

  • Nicht lineares Verhalten: Insbesondere NTC-Thermistoren zeigen ein nicht-lineares Verhalten, d.h. der Widerstand ändert sich nicht proportional zur Temperatur. Dies kann die Interpretation der Ergebnisse erschweren und erfordert oft eine Kalibrierung oder eine komplexe Mathematik zur genauen Temperaturbestimmung.
  • Selbsterwärmung: Thermistoren können sich durch den Stromfluss erwärmen, was die Messung beeinflusst. Dies ist besonders bei Messungen in Umgebungen mit niedriger Temperatur oder geringer Wärmekapazität relevant.
  • Eingeschränkter Temperaturbereich: Obwohl einige Thermistoren (wie Pt-Widerstandsfühler) einen breiten Temperaturbereich abdecken können, haben andere Typen einen eher eingeschränkten Bereich. Beispielsweise haben PTC-Thermistoren auf Siliziumbasis einen parabelförmigen Zusammenhang zwischen Temperatur und Widerstand und eignen sich für spezifische Temperaturbereiche.

Bilder zu temperaturabhängige Widerstände