Ein Thermistor ist ein Widerstandstyp, dessen Widerstandswert sich stark mit der Temperatur ändert. Als Zulieferer elektronischer Komponenten treffe ich oft auf Kunden, die sich für die Eigenschaften von Thermistoren interessieren, da diese Eigenschaften ihre Anwendungen in verschiedenen elektronischen Schaltkreisen bestimmen. In diesem Blog werde ich mich mit den wichtigsten Eigenschaften von Thermistoren befassen und ihre Auswirkungen auf den praktischen Einsatz diskutieren.
1. Temperatur-Widerstands-Beziehung
Die grundlegendste Eigenschaft eines Thermistors ist sein Temperatur-Widerstands-Verhältnis. Basierend auf dieser Beziehung gibt es zwei Haupttypen von Thermistoren: Thermistoren mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) und Thermistoren mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC).
NTC-Thermistoren
NTC-Thermistoren sind der am häufigsten verwendete Typ. Ihr Widerstand nimmt mit steigender Temperatur ab. Dies liegt daran, dass bei einem NTC-Thermistor mit steigender Temperatur durch thermische Anregung mehr Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) in das Leitungsband abgegeben werden. Die mathematische Beziehung zwischen Widerstand ($R_T$) und Temperatur ($T$) für einen NTC-Thermistor kann durch die Steinhart-Hart-Gleichung angenähert werden:
$\frac{1}{T}=A + B\ln(R_T)+C(\ln(R_T))^3$
Dabei sind $A$, $B$ und $C$ die Steinhart-Hart-Koeffizienten, die für jeden Thermistor spezifisch sind und durch Kalibrierung bestimmt werden.
NTC-Thermistoren werden häufig in Temperaturmessanwendungen eingesetzt. In einem temperaturgesteuerten Lüftersystem erfasst der NTC-Thermistor beispielsweise die Umgebungstemperatur. Mit zunehmender Temperatur nimmt der Widerstand des NTC-Thermistors ab, wodurch sich die Spannung an einem Spannungsteilerschaltkreis ändert. Diese Spannungsänderung wird dann zur Steuerung der Drehzahl des Lüfters genutzt.
PTC-Thermistoren
PTC-Thermistoren hingegen haben einen Widerstand, der mit zunehmender Temperatur zunimmt. Es gibt zwei Untertypen von PTC-Thermistoren: Silizium-PTC-Thermistoren und Keramik-PTC-Thermistoren.
Silizium-PTC-Thermistoren weisen in einem bestimmten Bereich einen linearen Widerstandsanstieg mit der Temperatur auf. Sie werden häufig in präzisen Temperaturmess- und Kompensationsanwendungen eingesetzt.
Keramische PTC-Thermistoren, auch Schalt-PTC-Thermistoren genannt, weisen bei einer bestimmten Temperatur, der sogenannten Curie-Temperatur, einen starken Widerstandsanstieg auf. Unterhalb der Curie-Temperatur ist der Widerstand des keramischen PTC-Thermistors relativ gering. Sobald die Temperatur die Curie-Temperatur überschreitet, erhöht sich der Widerstand um mehrere Größenordnungen. Aufgrund dieser Eigenschaft sind keramische PTC-Thermistoren für den Überstromschutz geeignet. Beispielsweise kann in einem Batterieladegerät ein keramischer PTC-Thermistor in Reihe mit der Batterie geschaltet werden. Wenn der Strom einen sicheren Wert überschreitet, steigt die Temperatur des PTC-Thermistors und sein Widerstand erhöht sich deutlich, wodurch der Stromfluss begrenzt und die Batterie vor Überladung geschützt wird.
2. Empfindlichkeit
Die Empfindlichkeit eines Thermistors bezieht sich auf die Widerstandsänderung pro Temperaturänderungseinheit. Dies ist eine wichtige Eigenschaft, da sie bestimmt, wie genau der Thermistor Temperaturänderungen messen kann.
Bei NTC-Thermistoren ist die Empfindlichkeit typischerweise bei niedrigeren Temperaturen höher. Die Empfindlichkeit ($\alpha$) ist definiert als die Bruchteiländerung des Widerstands pro Grad Celsius Temperaturänderung:
$\alpha=\frac{1}{R}\frac{dR}{dT}$
Eine höhere Empfindlichkeit bedeutet, dass eine kleine Temperaturänderung zu einer großen Widerstandsänderung führt, wodurch Temperaturschwankungen leichter erkannt werden können. Allerdings sind hochempfindliche Thermistoren möglicherweise auch anfälliger für Rauschen und Instabilität.
3. Genauigkeit
Genauigkeit ist eine weitere entscheidende Eigenschaft von Thermistoren. Es gibt an, wie genau der gemessene Widerstand der tatsächlichen Temperatur entspricht. Die Genauigkeit eines Thermistors wird von mehreren Faktoren beeinflusst, darunter seinem Herstellungsprozess, seiner Kalibrierung und den Umgebungsbedingungen.
Während des Herstellungsprozesses können Schwankungen in der Materialzusammensetzung und -struktur zu Unterschieden in den Temperatur-Widerstandseigenschaften von Thermistoren führen. Daher ist eine ordnungsgemäße Kalibrierung erforderlich, um eine genaue Temperaturmessung sicherzustellen. Bei der Kalibrierung wird der Widerstand des Thermistors bei mehreren bekannten Temperaturen gemessen und dann anhand dieser Datenpunkte die Steinhart-Hart-Koeffizienten bestimmt.
Auch Umweltfaktoren wie Feuchtigkeit, Druck und mechanische Belastung können die Genauigkeit von Thermistoren beeinflussen. Beispielsweise kann eine hohe Luftfeuchtigkeit zu einer Feuchtigkeitsaufnahme im Thermistormaterial führen, wodurch sich dessen elektrische Eigenschaften verändern können.
4. Reaktionszeit
Die Reaktionszeit eines Thermistors ist die Zeit, die der Thermistor benötigt, um einen bestimmten Prozentsatz (normalerweise 63,2 %) seines endgültigen Widerstandswerts zu erreichen, wenn er einer sprunghaften Temperaturänderung ausgesetzt wird. Dies ist eine wichtige Eigenschaft bei Anwendungen, bei denen schnelle Temperaturänderungen erkannt werden müssen, beispielsweise in Wärmeschutzschaltungen.
Die Reaktionszeit eines Thermistors hängt von seiner physikalischen Größe, Form und der Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Mediums ab. Im Allgemeinen haben kleinere Thermistoren kürzere Reaktionszeiten, da sie eine geringere thermische Masse haben. Beispielsweise haben oberflächenmontierte Thermistoren typischerweise schnellere Reaktionszeiten im Vergleich zu größeren Durchsteck-Thermistoren.
5. Selbsterwärmung
Wenn ein Strom durch einen Thermistor fließt, gibt er Leistung in Form von Wärme gemäß der Formel $P = I^2R$ ab, wobei $I$ der Strom und $R$ der Widerstand des Thermistors ist. Diese Selbsterwärmung kann dazu führen, dass die Temperatur des Thermistors über die Umgebungstemperatur ansteigt, was zu einem Fehler bei der Temperaturmessung führt.
Der Selbsterwärmungseffekt wird durch die Verlustkonstante ($\delta$) charakterisiert, die als die Leistung definiert ist, die erforderlich ist, um die Temperatur des Thermistors um 1 °C über die Umgebungstemperatur zu erhöhen. Um den Selbsterwärmungseffekt zu minimieren, sollte der durch den Thermistor fließende Strom so gering wie möglich gehalten werden. In einigen Anwendungen wird eine Konstantstromquelle verwendet, um einen stabilen und niedrigen Strom durch den Thermistor sicherzustellen.
Anwendungen und unser Produktangebot
Thermistoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Temperaturmessung und -steuerung, Überstromschutz und Einschaltstrombegrenzung. Als Lieferant elektronischer Komponenten bieten wir hochwertige Thermistoren mit hervorragenden Eigenschaften. Neben Thermistoren bieten wir auch eine Vielzahl anderer elektronischer Komponenten wie zCBB65 AC-Motorkondensator,CD60-Starterkondensator, UndCBB61 AC-Motor-Startkondensator.
Wenn Sie Interesse an unseren Thermistoren oder anderen elektronischen Bauteilen haben, freuen wir uns über Ihre Kontaktaufnahme zur Beschaffung und weiteren Gesprächen. Wir verfügen über ein professionelles Team, das Ihnen detaillierte Produktinformationen und technischen Support zur Verfügung stellt, um Sie bei der Auswahl der am besten geeigneten Komponenten für Ihre Anwendungen zu unterstützen.
Referenzen
- „Thermistoren: Theorie, Design und Anwendungen“ von John W. Horton
- „Elektronische Geräte und Schaltungstheorie“ von Robert L. Boylestad und Louis Nashelsky
- Herstellerdatenblätter verschiedener Thermistoren