Thermistor: Definition, Anwendung und Funktionsweise

Artikel erstellt in Zusammenarbeit mit Electrical4U

Was ist ein Thermistor?

Ein Thermistor (oder Wärmewiderstand) ist definiert als eine Art von Widerstand, dessen elektrischer Widerstand sich bei Temperaturänderungen ändert. Der Widerstand aller Widerstände ändert sich leicht mit der Temperatur, aber der Thermistor reagiert besonders empfindlich auf Temperaturänderungen.

Diese Temperatursensoren fungieren als passives Element im Stromkreis. Sie sind ein präzises, kostengünstiges und robustes Instrument zur Temperaturmessung. Obwohl sie bei extrem hohen oder niedrigen Temperaturen nicht gut funktionieren, haben sie dennoch eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten. Sie sind ideal, wenn eine präzise Temperaturmessung erforderlich ist. Das Symbol der Thermistorschaltung ist unten abgebildet:

Thermistor Anwendungen

Thermistoren haben eine Reihe von Anwendungen. Sie werden üblicherweise zur Messung der Temperatur von Flüssigkeiten und der Umgebungsluft als Thermistor-Thermometer verwendet. Die häufigsten Anwendungen für Thermistoren sind in:

• Digitale Thermometer (Thermostat)
• Automobilindustrie (zur Messung von Öl- und Kühlmitteltemperaturen in Pkw und Lkw)
• Haushaltsgeräte (z. B. Mikrowellen, Kühlschränke und Backöfen)
• Überspannungsschutzgeräte
• Batterien (sorgt für die Einhaltung der richtigen Temperatur)
• Geräte zur Messung der Wärmeleitfähigkeit von elektrischen Materialien
• Temperaturkompensationsvorrichtungen (zur Aufrechterhaltung des Widerstands, um durch Temperaturänderungen an anderer Stelle im Schaltkreis verursachte Effekte zu kompensieren)
• Wheatstone-Brücke

Wie funktioniert ein Thermistor? Thermistor – Eigenschaften

Das Prinzip des Thermistors beruht auf der Tatsache, dass sein Widerstand von der Temperatur abhängt. Wir können den Widerstand eines Thermistors mit einem Ohmmeter messen. Wenn wir die genaue Beziehung zwischen Temperaturänderung und Widerstand kennen, können wir durch Messung des Widerstands dieses Sensors seine Temperatur berechnen.

Der Wert der Widerstandsänderung hängt von der Art des im Thermistor verwendeten Materials ab. Die Relation zwischen Temperatur und Widerstand eines Thermistors ist nichtlinear. Ein typisches Thermistordiagramm ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Wenn wir einen Temperatursensor mit dem obigen Temperaturdiagramm nehmen, können wir einfach den mit dem Ohmmeter gemessenen Widerstand mit der auf dem Diagramm angegebenen Temperatur vergleichen. Durch Ziehen einer horizontalen Linie durch den Widerstand auf der Y-Achse und Ziehen einer vertikalen Linie von der Stelle, an der diese horizontale Linie das Diagramm schneidet, können wir also die Temperatur des Thermistors ermitteln.

Arten von Thermistoren

Es gibt zwei Arten von Thermistoren:

• NTC – Thermistor mit negativem Temperaturkoeffizienten
• PTC – Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizienten
• CTR (Critical Temperature Resistor) – Ein CTR-Thermistor hat eine sprunghafte Änderung des Widerstands. In diesem Fall bewirkt ein bestimmter Temperaturanstieg auf ein vorgegebenes Niveau eine plötzliche Änderung des Widerstands. Je nach dem Material, aus dem diese CTR-Thermistoren hergestellt sind, kann dies ein plötzlicher Anstieg oder Abfall des Widerstands sein. Bei CTR-Thermistoren aus Polymeren kommt es zu einem Anstieg und bei keramischen Thermistoren die Bariumverbindungen enthalten, zu einem Abfall.

NTC-Thermistor – Eigenschaften

Bei einem NTC-Thermistor nimmt der Widerstand mit steigender Temperatur ab. Und wenn die Temperatur sinkt, steigt der Widerstand. Daher sind bei einem NTC-Thermistor Temperatur und Widerstand umgekehrt proportional. Dies ist die häufigste Art von Thermistoren.

Der Anlaufthermistor ist eine andere Bezeichnung für den NTC-Thermistor. Sein Zweck ist es, das System vor einem Temperaturanstieg zu schützen. Somit kann dieses Produkt als NTC-Temperatursensor dienen.

Gleichung des Temperaturkoeffizienten (NTC-Sensor)

Die Beziehung zwischen Widerstand und Temperatur in einem NTC-Thermistor hängt von der folgenden Gleichung ab:

Wo:

• RT ist der Widerstand bei der Temperatur T (K)
• R0 ist der Widerstand bei der Temperatur T0 (K)6
• T0 ist die Referenztemperatur (in der Regel 25°C)
• β ist eine Konstante, deren Wert von den Materialeigenschaften abhängt. Der Nennwert wird mit 4000 angenommen.

Wenn der Wert von β hoch ist, dann ist die Beziehung zwischen Widerstand und Temperatur sehr gut. Ein höherer Wert von β bedeutet eine größere Veränderung des Widerstands bei gleichem Temperaturanstieg – daher die höhere Empfindlichkeit (und damit Genauigkeit) des Thermistors.

Negative Charakteristik des NTC-Thermistors

Aus Gleichung (1) lässt sich der Temperaturkoeffizient des Widerstands ableiten, also die Empfindlichkeitsgleichung des Thermistors.

Wie oben ersichtlich, steht αT vor dem negativen Vorzeichen. Es weist auf die negative Widerstands-Temperatur-Charakteristik des NTC-Thermistors hin.

Wenn β = 4000 K und T = 298 K, dann ist αT = -0,0045/°K. Dies ist deutlich mehr als die Empfindlichkeit eines Platin-RTD. Es ist daher in der Lage, sehr kleine Temperaturänderungen zu messen.

Inzwischen sind jedoch alternative Modelle von stark dotierten Thermistoren erhältlich (zu hohen Preisen), die einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen. Gleichung (1) zeigt, dass eine lineare Annäherung der Kurve selbst über einen kleinen Temperaturbereich nicht möglich ist, der Thermistor ist also definitiv ein nichtlinearer Sensor.

PTC-Thermistor – Eigenschaften

Beim PTC-Thermistor hingegen besteht ein umgekehrtes Verhältnis zwischen Temperatur und Widerstand. Wenn die Temperatur steigt, erhöht sich der Widerstand. Und wenn die Temperatur sinkt, sinkt auch der Widerstand.

Obwohl PTC-Thermistoren nicht so weit verbreitet sind wie NTC-Thermistoren, werden sie häufig zum Schutz von Stromkreisen eingesetzt. Wie bei Sicherungen können PTC-Thermistoren als Strombegrenzer fungieren.

Wenn ein Strom durch das Gerät fließt, verursacht er eine geringe Widerstandserwärmung. Wenn der Strom groß genug ist, um mehr Wärme zu erzeugen, als das Gerät an seine Umgebung abgeben kann, erwärmt sich das Gerät. Bei einem PTC-Thermistor führt die Erwärmung auch zu einer Erhöhung des Widerstands. Dadurch entsteht ein Selbsterhaltungseffekt, der den Widerstand nach oben treibt und so den Strom begrenzt. Auf diese Weise wirkt er als Strombegrenzer und schützt den Stromkreis.

Eigenschaften von Thermistoren

Die Verbindung, die die Eigenschaften des Thermistors regelt, ist unten angegeben:

Wo:

• R1 = Widerstand des Thermistors bei absoluter Temperatur T1[°K].
• R2 = Widerstand des Thermistors bei T2 [°K].
• β = materialabhängige Konstante des Wandlers

Aus der obigen Gleichung ist ersichtlich, dass die Beziehung zwischen Temperatur und Widerstand in hohem Maße nichtlinear ist. Ein Standard-NTC-Thermistor weist in der Regel einen negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstands von etwa 0,05/°C auf.

Thermistor-Konstruktion

Zur Herstellung eines Thermistors werden zwei oder mehr Metalloxid-Halbleiterpulver mit einem Bindemittel gemischt, um eine Suspension zu bilden. Kleine Tröpfchen dieser Suspension bilden sich auf den Leitungsdrähten. Sie sollte zum Trocknen in einen Sinterofen gelegt werden.

Während dieses Prozesses schrumpft die Suspension auf die Zuleitungsdrähte und bildet eine elektrische Verbindung. Dieses verarbeitete Metalloxid wird durch Aufbringen einer Glasbeschichtung versiegelt. Die Beschichtung macht die Thermistoren wasserbeständig und erhöht ihre Stabilität.

Formen und Größen von Thermistoren

Thermistoren sind in verschiedenen Formen und Größen auf dem Markt erhältlich. Kleinere Thermistoren haben die Form von Kugeln mit Durchmessern von 0,15 mm bis 1,5 mm. Diese Sensoren können auch die Form von Scheiben und Unterlegscheiben haben, die durch Pressen von Thermistormaterial unter hohem Druck in flache Zylinder mit einem Durchmesser von 3 bis 25 Millimetern hergestellt werden.

Typische Thermistorgrößen sind 0,125 mm bis 1,5 mm. Kommerziell erhältliche Thermistoren haben Nennwerte von 1K, 2K, 10K, 20K, 100K usw. Dieser Wert bestimmt den Widerstandswert bei 25°C.

Thermistoren gibt es in verschiedenen Ausführungen: Kugel, Stab, Scheibe usw. Ihre Hauptvorteile sind ihre geringe Größe und ihr relativ niedriger Preis.

Die geringe Größe bedeutet, dass die Zeitkonstante von Thermistoren, die in Ummantelungen betrieben werden, klein ist, obwohl die Verringerung der Größe auch die Fähigkeit zur Wärmeabfuhr verringert und somit den Selbsterhitzungseffekt erhöht. Dieser Effekt kann den Thermistor dauerhaft beschädigen.

Um dies zu verhindern, müssen Thermistoren im Vergleich zu einem Widerstandsthermometer mit einem geringen elektrischen Strom arbeiten, was zu einer Verringerung der Messempfindlichkeit führt.

Thermistor vs. Thermoelement

Die wichtigsten Unterschiede zwischen einem Thermistor und einem Thermoelement sind:

Thermistor:

• Engerer Erfassungsbereich (-55°C bis +150°C – herstellerabhängig)
• Erkennungsparameter = Widerstand
• Nichtlineare Beziehung zwischen Erfassungsparameter (Widerstand) und Temperatur
• NTC-Thermistoren haben eine exponentielle Abnahme des Widerstands mit steigender Temperatur
• Gut geeignet für die Erkennung kleiner Temperaturänderungen ( es ist schwierig, oberhalb des 50°C-Bereichs präzise und mit hoher Auflösung zu arbeiten).
• Die Erkennungsschaltung ist einfach und erfordert keine Verstärkung
• Präzise Messungen sind ohne 1°C-Kalibrierung schwer zu erreichen

Thermoelement:

• Großer Erkennungsbereich (Typ T = -200-350°C; Typ J = 95-760°C; Typ K = 95-1260°C; andere Typen bei noch höheren Temperaturen)
• Sehr genau
• Erkennungsparameter = Spannung, die von den Anschlüssen bei verschiedenen Temperaturen erzeugt wird
• Die Thermoelementspannung ist relativ niedrig
• Lineare Beziehung zwischen Erfassungsparameter (Spannung) und Temperatur

Thermistor vs. RTD-Widerstandsthermometer

Ein Widerstandsthermometer (auch bekannt als RTD-Sensor) ist einem Thermistor sehr ähnlich. Beide haben je nach Temperatur einen unterschiedlichen Widerstand.

Der Hauptunterschied ist das Material, aus dem sie hergestellt werden. Thermistoren werden aus keramischen und polymeren Werkstoffen hergestellt, während Widerstandsthermometer aus reinen Metallen gefertigt werden. In Bezug auf die Leistung sind Thermistoren in fast jeder Hinsicht überlegen.

Thermistoren sind genauer, billiger und reagieren schneller als RTD-Sensoren. Der einzige wirkliche Nachteil eines Thermistors im Vergleich zu einem Thermometer ist der engere Temperaturbereich.

Außerdem gibt es keine anderen Gründe, ein Widerstandsthermometer einem Thermistor vorzuziehen.

Wie misst man den Widerstand eines Temperatursensors?

Wenn Sie sich fragen, wie man einen Thermistor prüft, dann lesen Sie weiter. Der Widerstand eines bestimmten Temperatursensors kann wie folgt gemessen werden.