Heissleiter

Schaltzeichen eines NTCs

Heißleiter in Perlen-Bauform

Heißleiter oder NTC-Widerstände (engl. Negative Temperature Coefficient Thermistors) sind stromleitende Materialien, die bei hohen Temperaturen Strom besser leiten als bei tiefen, das heißt, mit steigender Temperatur sinkt ihr elektrischer Widerstand. Anders gesagt: sie haben einen negativen Temperaturkoeffizienten. Davon leitet sich auch ihr zweiter Name NTC ab. Das Gegenteil von Heißleitern sind Kaltleiter (PTC-Widerstände), die bei geringer Temperatur besser leiten und einen positiven Temperaturkoeffizienten haben.

Heißleitendes Verhalten zeigen reine Halbleitermaterialien und verschiedene andere Legierungen mit negativem Temperaturkoeffizienten. Bauteile, bei denen speziell das temperaturabhängige Verhalten ausgenutzt wird, sind üblicherweise mit Bindemitteln versetzte, gepresste und gesinterte Metalloxide. Der Widerstand lässt sich durch das Mischverhältnis verschiedener Materialien in einem weiten Bereich einstellen.

NTCs werden üblicher Weise aus einer Mischung halbleitender Metalloxide oder aus Verbindungshalbleitern hergestellt. Dazu gehören Oxide von Mangan, Nickel, Kobalt, Eisen, Kupfer oder Titan. In der Regel kommen Drähte aus einer Platinlegierung zum Einsatz, um perlenförmige NTCs zu kontaktieren. Sie werden beim Sintern der Perle mit dem NTC-Material verbunden. Andere Bauformen, wie Scheiben, SMD-Chips oder zylindrische Sonden, werden mit metallisierten Oberflächen geliefert.

Austauschbarkeit

Da als Basismaterialien keine Reinstoffe, wie z.B. bei Platinsensoren, zur Verfügung stehen, ist die Kennlinie in hohem Maß von Verunreinigungen abhängig. Dazu kommt die Notwendigkeit eines reproduzierbaren Misch- und Sinterprozesses. Die damit verbundenen Unwägbarkeiten haben den NTCs in ihrer Anfangszeit den Ruf eingebracht, wegen ihrer Chargenabhängigkeit für seriöse Messaufgaben völlig unbrauchbar zu sein.

Bei Austauschbarkeit geht es um die Abweichung der Messwerte von unterschiedlichen Sensoren des gleichen Typs für einen definierten Messbereich. Der amerikanische Hersteller YSI erreicht bei seiner Serie 46000 über die Messspanne von 0 °C bis 70 °C eine Austauschtoleranz von ±0,05 K. Das heißt, dass die Abweichung der Kennlinie unterschiedlicher Thermistoren dieser Serie bei allen Temperaturen zwischen 0 °C und 70 °C so eng toleriert ist, dass die im Messgerät einprogrammierte Kurve bei einem Sensortausch nicht geändert werden muss. Üblicher jedoch sind Toleranzen um die ±0,2  K bis hin zu ±1,0 K bei Massenanwendungen.

Einsatzbereich

Der übliche Einsatzbereich liegt zwischen −80 °C und +250 °C, also bei Temperaturen, die für alle Automatisierungsaufgaben, elektronischen Schaltkreise oder Messaufgaben in der Medizintechnik, Biotechnologie, der Lebensmittelproduktion usw. anfallen. Aufgrund der hohen Auflösungsmöglichkeiten werden hochwertige NTCs auch verstärkt in Luft-und Raumfahrt sowie bei Herstellern von Messgeräten verwendet.

Es gilt näherungsweise:

$R_\mathrm{H} = R_\mathrm{N} \cdot \mathrm{e}^{b\left({1 \over T} - {1 \over T_\mathrm{N}}\right)} \quad \Leftrightarrow \quad T = {b \cdot T_\mathrm{N} \over b + \mathrm{ln} \left( \frac{R_\mathrm{H}}{R_\mathrm{N}} \right) \cdot T_\mathrm{N} }$

$b = {E_\mathrm{A} \over k_\mathrm{B}} \quad [b]=1\,\mathrm{K}$(Kelvin)

Die einzelnen Formelzeichen stehen für folgende Größen:

• R_H - Widerstand in Ω bei der Temperatur T
• R_N - Nennwiderstand in Ω bei Nenntemperatur T_N
• T - Betriebstemperatur in K
• T_N - Nenntemperatur in K
• E_A - Aktivierungsenergie
• k_B - Boltzmannkonstante

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

$1/T = a + b \cdot \ln R + c (\ln R)^3$

Anwendungen

Einschaltverzögerung mit NTC

Heißleiter werden beispielsweise zur Begrenzung von Einschaltströmen angewandt. Ein Heißleiter in der Zuleitung eines elektrischen Geräts ist vor dem Einschalten kalt, leitet somit schlecht und verringert den Einschaltstrom (Sanftanlauf). Nach dem Einschalten erwärmt er sich durch den Stromfluss sehr schnell und verliert seinen hohen Anfangswiderstand. Zusätzlich kann man den NTC nach wenigen Millisekunden mit einem Relais kurzschließen, damit es sich abkühlen kann. Das verlängert die Lebensdauer.

Bei besseren Lichterketten mit vielen in Serie geschalteten Lämpchen liegt parallel zu jedem Lämpchen ein Heißleiter. Normalerweise fließt so wenig Strom durch diesen Heißleiter, dass er kalt bleibt. Falls aber ein Lämpchen durchbrennt, fließt der komplette Strom durch den Heißleiter, dieser erwärmt sich und verringert seinen Widerstand. Deshalb sinkt die Spannung am Heißleiter so weit, dass die anderen Lämpchen fast normal leuchten. Damit wird vermieden, dass bei der Serienschaltung alle Lämpchen stromlos werden, wenn eines davon durchbrennt.

Heißleiter, rechts: URDOX-Widerstand

Heißleiter zur Einschaltstrombegrenzung wurden bereits bei Geräten mit Elektronenröhren im Heizkreis bei Serienheizung eingesetzt, um die Heizfäden der Röhren und ggf. den Eisen-Wasserstoff-Widerstand beim Einschalten vor dem Durchbrennen zu schützen. Es waren sog. URDOX-Widerstände (Heißleiter aus Urandioxid, siehe rechts im Bild).

In Schaltnetzteilen (auch in Computernetzteilen) werden Heißleiter zur Einschaltstrombegrenzung eingesetzt, um das Auslösen der Sicherung beim Laden der darin befindlichen großen Kondensatoren zu verhindern.

Heißleiter können auch als Temperatursensoren in Widerstandsthermometern oder zur Temperaturkompensation elektronischer Schaltungen eingesetzt werden. Im KFZ werden Heißleiter z. B. als Motortemperaturfühler verwendet.

Es ist selten sinnvoll, Heißleiter mit konstanter Spannung zu versorgen, da dann keine stabile Temperatur möglich ist. Steigt diese ein wenig an, verkleinert sich der Widerstand des Heißleiters. Deshalb steigt wegen der Formel P=U²/R die erzeugte Wärmeleistung und die Temperatur steigt weiter an. Physikalisch spricht man von einem labilen Gleichgewicht. Sinnvoller ist der Betrieb mit konstantem Strom. Dann sinkt wegen P=I²·R bei steigender Temperatur die erzeugte Wärmeleistung und der Heißleiter kühlt sich wieder ab. Daher können Heißleiter nicht ohne weiteres parallel geschaltet werden, eine Reihenschaltung ist jedoch unkritisch.

Siehe auch

• Elektrischer Widerstand
• Thermistor
• Kaltleiter

Weblinks

• Elektronik-Kompendium: Heißleiter
• Fachartikel variohm.de: Temperaturfühler für Masse und Klasse
• Heißleiter-Anwendung 1: Einschaltstrombegrenzung für Netzteile mit mittelgroßen Ringkerntrafos
• Heißleiter-Anwendung 2: Einschaltstrombegrenzung für Netzteile mit mittelgroßen Ringkerntrafos ohne Trafo-Sekundärspannung, u.a. für medizinische Anwendung
• NTC-Widerstandskennlinien Verschiedene Sensor-Kennlinien