Was ist ein Thermistor und wie funktioniert er?
Bild: Jeremy Cook | Bildunterschrift: Thermistoren gibt es in einer Vielzahl von Formen und Größen
Von: Jeremy Cook
Der Thermistor – kurz für thermisch empfindlicher Widerstand – ist ein Widerstand, der seinen Wert mit der Temperatur ändert. Thermistoren erhöhen oder verringern ihren Widerstand bei wechselnden Temperaturen.
Thermistoren werden grob in zwei Klassen unterteilt:
• NTC-Thermistor: Negativer Temperaturkoeffizient – der Widerstand nimmt mit steigender Temperatur ab
• PTC-Thermistor: Positiver Temperaturkoeffizient – der Widerstand steigt mit zunehmender Temperatur
Die Bezeichnung positiver oder negativer Temperaturkoeffizient bezieht sich auf den k-Term in der Näherung des Verhaltens erster Ordnung:
∆R = k∆T
Dabei steht R für den Widerstand, T für die Temperatur und k ist der Koeffizient, der die beiden miteinander verbindet. Bei Standardwiderständen (ohne Thermistor) liegt k idealerweise so nahe wie möglich bei 0, damit R über einen großen Temperaturbereich konstant bleibt.
Diese Näherung erster Ordnung ist nur über eine begrenzte Temperaturspanne genau. Ein robusterer Ausdruck für den Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur basiert auf der Steinhart-Hart-Gleichung für den Halbleiterwiderstand, die wie folgt ausgedrückt wird:
1/T = A + BlnR + C(lnR)3
In dieser Gleichung entsprechen die Terme T (Temperatur) und R (Widerstand) der Approximation erster Ordnung. Die Koeffizienten A, B und C werden so angepasst, dass sie den individuellen Eigenschaften eines Thermistors entsprechen.
Thermistoren sind nicht nur widerstandsfähig, sondern auch in vielen verschiedenen Gehäusen erhältlich, von winzigen SMD-Bauteilen, die auf eine Steckplatine passen, bis hin zu Bauteilen mit Anschlussdrähten für Fernmessungsaufgaben. Thermistoren können zur Temperaturmessung oder zur direkten Steuerung von Schaltungen eingesetzt werden.
Wofür werden Thermistoren verwendet?
Bild: Jeremy Cook | Bildunterschrift: Thermistoren gibt es in kleinen und großen Gehäusen.
Die Temperaturerfassung erfolgt mit einem NTC-Thermistor. Die Temperatur des Hotends eines 3D-Druckers wird beispielsweise in der Regel mit einem NTC-Thermistor gemessen, der in der Regel einen Nennwiderstand von 100 kΩ bei Umgebungstemperatur (25 ºC) aufweist. Der Controller des 3D-Druckers misst den Widerstand des Thermistors, der mit der Temperatur korreliert ist. Anhand dieser Temperaturdaten kann der Drucker die richtige Menge an Energie bereitstellen, um Polylactide (PLA) oder andere Materialien zu schmelzen.
Thermistoren können nicht nur Daten an einen Controller senden, sondern auch auf verschiedene Weise direkt in der Schaltung verwendet werden:
• PTC: Strombegrenzung zum Schutz von Schaltungen. Wenn zu viel Strom durch einen ordnungsgemäß spezifizierten PTC-Widerstand fließt, entsteht Wärme und der Widerstand steigt. Dies kann wie eine rückstellbare Sicherung wirken, die den Stromfluss unterbricht, wenn sie heiß ist, und den Stromfluss unter normalen (kühleren) Bedingungen wieder zulässt.
• NTC: Einschaltstromstoßwiderstand. Der Widerstand in diesen Geräten ist anfangs hoch, aber wenn eine kleine Strommenge den Thermistor erwärmt, sinkt der Widerstand mit der Zeit. Durch den geringeren Widerstand kann mehr Strom fließen, der dann kontrolliert ansteigt.
• Ansteuerung von wärmeempfindlichen Geräten: Es ist möglich, einen Lüfter mit einem NTC-Thermistor zu steuern, der Strom liefert, wenn er heiß wird. Ein PTC-Thermistor könnte auf ähnliche Weise verwendet werden, um eine Heizung zu aktivieren, wenn ein Raum zu kalt ist. Zwar können beide direkt gesteuert werden, jedoch kann es von Vorteil sein, stattdessen einen Thermistor für die Messung zu verwenden. Ein Mikrocontroller, eine Installation eines Smart Building oder ein anderes Smart Device kann dann verwendet werden, um genauere Entscheidungen zu treffen.
Thermistoren: Nützlich für Messung und Schutz von Schaltungen
Während Thermistoren in NTC und PTC unterteilt werden können, ist es unter Umständen jedoch besser, sie danach zu bewerten, ob sie für die Messung oder für die direkte Wirkung bzw. den Schaltungsschutz gedacht sind. Thermistoren für Messzwecke werden oft mit einem Kabel zum Anschluss an andere elektronische Komponenten geliefert. „Direkt wirkende“ Thermistoren werden jedoch oft in kleinen oberflächenmontierbaren Gehäusen für den Einsatz mit relativ kleinen Lasten auf Leiterplatten geliefert. Sie können auch in Form von größeren Komponenten mit Durchgangsbohrungen für größere Lasten bereitstehen.
Thermistoren bieten eine Reihe nützlicher Design-Möglichkeiten und sollten in Betracht gezogen werden, wenn es um temperaturempfindliche Anwendungen oder den Schutz von Elektronik geht. Außerdem sind sie in der Regel recht kosteneffektiv, so dass Sie Ihr Projekt im Rahmen des Budgets halten können.
