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Heißleiter


Heißleiter, NTC-Widerstände oder NTC-Thermistoren (englisch Negative Temperature Coefficient Thermistors) sind Materialien beziehungsweise Widerstände, deren elektrischer Widerstand einen negativen Temperaturkoeffizienten besitzt. Das bedeutet, dass sie bei hohen Temperaturen elektrischen Strom besser leiten als bei tiefen Temperaturen. Das Gegenteil von Heißleitern sind Kaltleiter beziehungsweise PTC-Widerstände, die bei geringer Temperatur besser leiten und somit einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen. Beide gehören zur Gruppe der Thermistoren.

Allgemeines

Heißleitendes Verhalten zeigen reine Halbleitermaterialien, einige Verbindungshalbleiter und verschiedene metallische Legierungen. NTC-Widerstände aus Metalloxiden bestehen üblicherweise aus mit Bindemitteln versetzten, gepressten und gesinterten Metalloxiden von Mangan, Nickel, Kobalt, Eisen, Kupfer oder Titan.

NTCs dienen als Temperatursensor oder als Einschaltstrombegrenzer. Um die typisch perlenförmigen Temperatursensor-NTCs zu kontaktieren, kommen Drähte aus einer Platinlegierung oder aus Nickel/Eisen zum Einsatz.[1] Sie verbinden sich beim Sintern der Perle mit dem NTC-Material. Andere Bauformen sind Scheiben, SMD-Chips oder zylindrische Formen – sie werden mittels metallisierter Oberflächen kontaktiert.

Anwendungen

Hauptartikel: Thermistor

Heißleiter werden unter anderem als Temperatursensoren in Widerstandsthermometern oder zur Temperaturkompensation elektronischer Schaltungen eingesetzt. In Kraftfahrzeugen werden Heißleiter z. B. als Motortemperaturfühler verwendet.

Heißleiter werden auch zur Begrenzung von Einschaltströmen angewandt. Ein Heißleiter in der Zuleitung eines elektrischen Geräts ist vor dem Einschalten kalt, leitet somit schlecht und verringert bei dem Einschaltvorgang den Einschaltstrom. Nach dem Einschalten erwärmt er sich durch den Stromfluss und verliert seinen hohen Anfangswiderstand, womit das elektrische Gerät die volle elektrische Leistung erreicht.

Grundlagen

Heißleiter gibt es mit eher flacher nichtlinearer Kennlinie für Messaufgaben und mit einer in einem bestimmten Temperaturbereich sehr steilen Kennlinie für die Einschaltstrombegrenzung. Widerstand und Kennlinie werden durch folgende drei Herstellungsparameter beeinflusst:[2]

  1. Mischungsverhältnis von Oxiden verschiedener Kristallstruktur
  2. Dotierung der Metalloxide
  3. Stöchiometrieabweichungen der Oxide – variierbar durch die Brennatmosphäre (Sauerstoffgehalt) und die Abkühlgeschwindigkeit

Es entstehen thermisch leicht aktivierbare Fehlstellen, sodass die Stromleitung stark mit der Temperatur zunimmt.

Es gilt näherungsweise:

[math]R_\mathrm{T} = R_\mathrm{N} \cdot \mathrm{e}^{B\left({1 \over T} - {1 \over T_\mathrm{N}}\right)} \quad \Leftrightarrow \quad T = {B \cdot T_\mathrm{N} \over B + \mathrm{ln} \left( \frac{R_\mathrm{T}}{R_\mathrm{N}} \right) \cdot T_\mathrm{N} }[/math]

mit

[math]B = {E_\mathrm{A} \over k_\mathrm{B}}[/math]

Die einzelnen Formelzeichen stehen für folgende Größen:

B ist eine Materialkonstante und wird vom Hersteller ebenso wie der Nennwiderstand im Datenblatt angegeben. Sie liegt etwa zwischen 2000 K und 4000 K.

Das Temperatur-Widerstandsverhalten eines NTC lässt sich auch durch die Steinhart-Hart-Gleichung beschreiben:[3]

[math]\frac{1}{T}= A + B \cdot \ln^1 \left(\frac{R}{R_N}\right) + C \cdot \ln^2 \left(\frac{R}{R_N}\right) + D \cdot \ln^3 \left(\frac{R}{R_N}\right)[/math]

Hierbei bilden A, B, C und D die Steinhart-Hart-Koeffizienten, wobei C häufig vernachlässigbar klein ist. Deshalb wird oft der quadratische Term weggelassen wenn die Steinhart-Hart-Gleichung angegeben wird und die Konstante des kubischen Terms wird C genannt:[4] [5]

[math]\frac{1}{T}= A + B \cdot \ln^1 \left(\frac{R}{R_N}\right) + C \cdot \ln^3 \left(\frac{R}{R_N}\right)[/math]

Weblinks

 Commons: NTCs  – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. Datenblätter der Fa. epcos
  2. Lothar Michalowsky: Neue Keramische Werkstoffe; Seite 160f.
  3. Datenblatt Vishay (PDF; 7,3 MB)
  4. Application note API technologies (PDF; 0,3 MB)
  5. Application note Thermodisc (PDF; 0,3 MB)

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Quelle: Wikipedia - http://de.wikipedia.org/wiki/Heißleiter (Vollständige Liste der Autoren des Textes [Versionsgeschichte])    Lizenz: CC-by-sa-3.0

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