Was ist ein NTC-Thermistor?
Ein NTC-Widerstand, auch NTC-Thermistor genannt, ist ein Widerstand mit einem negativen Temperaturkoeffizienten, was bedeutet, dass der Widerstand mit steigender Temperatur abnimmt. NTC steht für „Negativer Temperaturkoeffizient“ (eng.: „Resistance Temperature Detectors“).
Sie werden in erster Linie als resistive Temperatursensoren und Strombegrenzungsvorrichtungen verwendet. Der Temperaturempfindlichkeitskoeffizient ist etwa fünfmal größer als der von Silizium-Temperatursensoren (Silistoren) und etwa zehnmal größer als der von Widerstandstemperaturfühlern (RTDs). NTC-Sensoren werden typischerweise in einem Bereich von -55°C bis 200°C eingesetzt.
Die Nichtlinearität des Verhältnisses zwischen Widerstand und Temperatur bei NTC-Widerständen stellte bei der Verwendung von Analogschaltungen zur genauen Temperaturmessung eine große Herausforderung dar, aber die rasche Entwicklung digitaler Schaltungen löste dieses Problem und ermöglichte die Berechnung präziser Werte durch Interpolation von Nachschlagetabellen oder durch Lösung von Gleichungen, die eine typische NTC-Kurve approximieren.
Eigenschaften des NTC-Widerstand
Im Gegensatz zu RTDs (Resistance Temperature Detectors), die aus Metallen bestehen, werden NTC-Thermistoren im Allgemeinen aus Keramik oder Polymeren hergestellt. Unterschiedliche verwendete Materialien führen zu unterschiedlichen Temperaturreaktionen sowie zu anderen Eigenschaften.
Temperatur-Ansprechverhalten
Während die meisten NTC-Thermistoren typischerweise für den Einsatz in einem Temperaturbereich zwischen -55°C und 200°C geeignet sind, wo sie ihre präzisesten Messwerte liefern, gibt es spezielle Familien von NTC-Thermistoren, die bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273,15°C) eingesetzt werden können, sowie solche, die speziell für den Einsatz über 150°C ausgelegt sind.
Die Temperaturempfindlichkeit eines NTC-Sensors wird als „prozentuale Änderung pro Grad C“ ausgedrückt. Abhängig von den verwendeten Materialien und den Besonderheiten des Produktionsprozesses reichen die typischen Werte der Temperaturempfindlichkeiten von -3% bis -6% pro °C.
Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, haben die NTC-Thermistoren im Vergleich zu den RTDs aus Platinlegierung einen viel steileren Widerstands-Temperaturverlauf, was zu einer besseren Temperaturempfindlichkeit führt. Trotzdem sind RTDs mit einer Genauigkeit von ±0,5% der gemessenen Temperatur nach wie vor die genauesten Sensoren, und sie eignen sich für den Temperaturbereich zwischen -200°C und 800°C, ein viel größerer Bereich als der der NTC-Temperatursensoren.
Vergleich mit anderen Temperatursensoren
Im Vergleich zu FTE haben die NTCs eine kleinere Größe, schnelleres Ansprechverhalten, größere Schock- und Vibrationsfestigkeit bei geringeren Kosten. Dafür sind sie etwas weniger präzise als RTDs. Im Vergleich zu Thermoelementen ist die von beiden erzielte Präzision ähnlich; jedoch können Thermoelemente sehr hohen Temperaturen (in der Größenordnung von 600°C) standhalten und werden in solchen Anwendungen anstelle von NTC-Thermistoren verwendet, wo sie manchmal als Pyrometer bezeichnet werden.
Dennoch bieten NTC-Thermistoren bei niedrigeren Temperaturen eine höhere Empfindlichkeit, Stabilität und Genauigkeit als Thermoelemente und werden mit weniger zusätzlichen Schaltungen und daher zu geringeren Gesamtkosten eingesetzt. Die Kosten werden zusätzlich durch den Wegfall von Signalkonditionierungsschaltungen (Verstärker, Pegelumsetzer usw.) gesenkt, die bei RTDs oft benötigt werden und bei Thermoelementen immer erforderlich sind.
Selbsterwärmungseffekt
Der Selbsterwärmungseffekt ist ein Phänomen, das immer dann auftritt, wenn ein Strom durch den NTC-Widerstand fließt. Da der Thermistor im Grunde ein Widerstand ist, gibt er Leistung als Wärme ab, wenn ein Strom durch ihn fließt. Diese Wärme wird im Thermistorkern erzeugt und beeinträchtigt die Genauigkeit der Messungen. Das Ausmaß, in dem dies geschieht, hängt von der Menge des fließenden Stroms, der Umgebung (ob es sich um eine Flüssigkeit oder ein Gas handelt, ob es einen Fluss über den NTC-Sensor gibt usw.), dem Temperaturkoeffizienten des Thermistors, der Gesamtfläche des Thermistors usw. ab.
Die Tatsache, dass der Widerstand des NTC-Sensors und damit der Strom durch ihn von der Umgebung abhängt, wird häufig bei Flüssigkeitsanwesenheitsmeldern, wie sie z.B. in Lagertanks zu finden sind, genutzt.
NTC-Widerstand Wärmekapazität
Die Wärmekapazität stellt die Wärmemenge dar, die erforderlich ist, um die Temperatur des Thermistors um 1°C zu erhöhen, und wird normalerweise in mJ/°C ausgedrückt. Die Kenntnis der genauen Wärmekapazität ist bei der Verwendung eines NTC-Thermistorfühlers als Einschaltstrombegrenzer von großer Bedeutung, da sie die Ansprechgeschwindigkeit des NTC-Temperaturfühlers definiert.
Auswahl und Berechnung Thermistoren
Bei der sorgfältigen Auswahl müssen Dissipationskonstante, thermische Zeitkonstante, Widerstandswert, Widerstands-Temperatur-Kurve und Toleranzen des NTC-Widerstand berücksichtigt werden, um die wichtigsten Faktoren zu nennen.
Da die Beziehung zwischen Widerstand und Temperatur (die R-T-Kurve) hochgradig nichtlinear ist, müssen beim praktischen Systemdesign bestimmte Näherungen verwendet werden.
Approximation erster Ordnung
Eine Annäherung, die am einfachsten zu verwenden ist, ist die Annäherung erster Ordnung, die besagt, dass:
Dabei ist k der negative Temperaturkoeffizient, ΔT die Temperaturdifferenz und ΔR die aus der Temperaturänderung resultierende Widerstandsänderung. Diese Näherung erster Ordnung ist nur für einen sehr engen Temperaturbereich gültig und kann nur für solche Temperaturen verwendet werden, bei denen k über den gesamten Temperaturbereich nahezu konstant ist.
Beta-Formel
Eine weitere Gleichung liefert zufriedenstellende Ergebnisse, die auf ±1°C über den Bereich von 0°C bis +100°C genau sind. Sie ist abhängig von einer einzigen Materialkonstante β, die durch Messungen erhalten werden kann. Die Gleichung kann wie folgt geschrieben werden:
Dabei ist R(T) der Widerstand des Thermistor bei der Temperatur T in Kelvin, R(T0) ist ein Referenzpunkt bei der Temperatur T0. Die Beta-Formel erfordert eine Zweipunktkalibrierung, und sie ist typischerweise nicht genauer als ±5°C über den gesamten Nutzbereich des NTC-Thermistors.
Steinhart-Hart-Gleichung
Die beste bisher bekannte Annäherung ist die 1968 veröffentlichte Steinhart-Hart-Formel:
Dabei ist ln R der natürliche Logarithmus des NTC-Widerstand bei der Temperatur T in Kelvin, und A, B und C sind aus experimentellen Messungen abgeleitete Koeffizienten. Diese Koeffizienten werden normalerweise von Thermistorherstellern als Teil des Datenblatts veröffentlicht. Die Steinhart-Hart-Formel ist typischerweise auf etwa ±0,15°C über den Bereich von -50°C bis +150°C genau, was für die meisten Anwendungen ausreichend ist. Wenn eine höhere Genauigkeit erforderlich ist, muss der Temperaturbereich reduziert werden, und eine Genauigkeit von besser als ±0,01°C über den Bereich von 0°C bis +100°C ist erreichbar.
Auswahl der richtigen Annäherung
Die Wahl der Formel, die zur Ableitung der Temperatur eines NTC-Widerstand aus der Widerstandsmessung verwendet wird, muss sich nach der verfügbaren Rechenleistung sowie den tatsächlichen Toleranzanforderungen richten. In einigen Anwendungen ist eine Näherung erster Ordnung mehr als ausreichend, während in anderen Anwendungen nicht einmal die Steinhart-Hart-Gleichung die Anforderungen erfüllt, und der NTC-Widerstand muss Punkt für Punkt kalibriert werden, wobei eine große Anzahl von Messungen durchgeführt und eine Nachschlagetabelle erstellt werden muss.
Aufbau und Eigenschaften von NTC-Thermistoren
Materialien, die typischerweise an der Herstellung von NTC-Widerständen beteiligt sind, sind Platin, Nickel, Kobalt, Eisen und Siliciumoxide, die als reine Elemente oder als Keramiken und Polymere verwendet werden. NTC-Thermistoren können je nach dem verwendeten Herstellungsverfahren in drei Gruppen eingeteilt werden.
Perlen-Thermistoren
Diese NTC-Thermistoren werden aus direkt in den Keramikkörper eingesinterten Bleidrähten aus Platinlegierung hergestellt. Sie bieten im Allgemeinen schnelle Ansprechzeiten, bessere Stabilität und ermöglichen den Betrieb bei höheren Temperaturen als Scheiben- und Chip-NTC-Sensoren, sind jedoch zerbrechlicher. Es ist üblich, sie in Glas zu versiegeln, um sie vor mechanischer Beschädigung während der Montage zu schützen und ihre Messstabilität zu verbessern. Die typischen Größen reichen von 0,075 – 5 mm Durchmesser.
Scheiben- und Chip-Thermistoren
Diese NTC-Thermistoren haben metallisierte Oberflächenkontakte. Sie sind größer und haben daher eine langsamere Reaktionszeit als NTC-Widerstände vom Perlentyp. Aufgrund ihrer Größe haben sie jedoch eine höhere Verlustleistungskonstante (Leistung, die erforderlich ist, um ihre Temperatur um 1°C zu erhöhen), und da die Verlustleistung des Thermistors proportional zum Quadrat des Stroms ist, können sie höhere Ströme viel besser bewältigen als Perlthermistoren.
Scheibenthermistoren werden hergestellt, indem eine Mischung von Oxidpulvern in eine runde Form gepresst wird, die dann bei hohen Temperaturen gesintert wird. Chips werden normalerweise durch ein Bandgussverfahren hergestellt, bei dem eine Aufschlämmung des Materials als dicker Film ausgebreitet, getrocknet und in Form geschnitten wird. Die typischen Größen reichen von 0,25-25 mm im Durchmesser.
Glasgekapselte NTC-Thermistoren
Dabei handelt es sich um NTC-Temperatursensoren, die in einer luftdichten Glasblase eingeschlossen sind. Sie sind für den Einsatz bei Temperaturen über 150°C oder für die Leiterplattenmontage vorgesehen, wo Robustheit ein Muss ist. Die Einkapselung eines Thermistors in Glas verbessert die Stabilität des Sensors und schützt ihn gleichzeitig vor der Umgebung. Sie werden durch hermetisch versiegelte NTC-Widerstände vom Wulsttyp in einem Glasbehälter hergestellt. Die typischen Größen reichen von 0,4-10 mm im Durchmesser.
Typische Anwendungen für NTC-Widerstände
NTC-Thermistoren werden in einem breiten Spektrum von Anwendungen eingesetzt. Sie werden zur Temperaturmessung, Temperaturregelung und zur Temperaturkompensation eingesetzt. Sie können auch zur Erkennung des Fehlens oder Vorhandenseins einer Flüssigkeit, als Strombegrenzungsvorrichtungen in Stromversorgungskreisen, zur Temperaturüberwachung in Automobilanwendungen und vieles mehr eingesetzt werden. NTC-Sensoren können in drei Gruppen unterteilt werden, je nach der in einer Anwendung ausgenutzten elektrischen Eigenschaft.
Widerstands-Temperatur-Charakteristik
Zu den Anwendungen, die auf der Widerstands-Zeit-Kennlinie basieren, gehören Temperaturmessung, -regelung und -kompensation. Dazu gehören auch Situationen, in denen ein NTC-Widerstand verwendet wird, so dass die Temperatur des NTC-Temperaturfühlers mit einigen anderen physikalischen Phänomenen zusammenhängt. Diese Gruppe von Anwendungen erfordert, dass der Thermistor im leistungslosen Zustand arbeitet, d.h. dass der Strom durch den Thermistor so gering wie möglich gehalten wird, um eine Erwärmung des Fühlers zu vermeiden.
Strom-Zeit-Kennlinie
Anwendungen, die auf der Strom-Zeit-Kennlinie basieren, sind: Zeitverzögerung, Einschaltstrombegrenzung, Überspannungsunterdrückung und viele andere. Diese Eigenschaften hängen mit der Wärmekapazität und der Verlustleistungskonstante des verwendeten NTC-Thermistors zusammen. Die Schaltung ist normalerweise darauf angewiesen, dass sich der NTC-Thermistor aufgrund des durch ihn fließenden Stroms erwärmt. Irgendwann löst er je nach der Anwendung, in der er eingesetzt wird, eine Art Änderung in der Schaltung aus.
Spannungs-Strom-Kennlinie
Anwendungen, die auf der Spannungs-Strom-Kennlinie eines Thermistors basieren, beinhalten im Allgemeinen Änderungen der Umgebungsbedingungen oder Schaltungsvariationen, die zu Änderungen des Arbeitspunktes auf einer gegebenen Kurve in der Schaltung führen. Je nach Anwendung kann dies für Strombegrenzung, Temperaturkompensation oder Temperaturmessungen genutzt werden.
