Im Bereich der Elektronik ist die Messung und Steuerung der Temperatur von größter Bedeutung. Negative Temperaturkoeffizienten (NTC)-Thermistoren spielen als kompakte und effiziente Temperaturmessgeräte eine zunehmend wichtige Rolle. Aber wie genau erfassen NTC-Thermistoren die Temperatur? Welche einzigartigen Leistungseigenschaften besitzen sie? Und wie sollten Ingenieure NTC-Thermistoren auswählen und optimieren, um vielfältige Anwendungsanforderungen zu erfüllen? Dieser Artikel bietet eine eingehende Analyse der NTC-Thermistor-Technologie, der wichtigsten Eigenschaften und praktischen Überlegungen und bietet einen umfassenden technischen Leitfaden für Ingenieure und Forscher.

1. NTC-Thermistoren: Der Kern der Temperaturmessung

NTC-Thermistoren sind spezielle Halbleiterwiderstände, deren definierendes Merkmal eine deutliche Abnahme des Widerstands bei steigender Temperatur ist. Diese einzigartige Temperaturempfindlichkeit ergibt sich aus ihrer Materialzusammensetzung und ihren physikalischen Mechanismen. NTC-Thermistoren werden typischerweise aus polykristallinen Halbleiterkeramikmaterialien mit einer Spinellstruktur hergestellt und bestehen hauptsächlich aus Metalloxiden wie Mangan, Nickel, Kobalt, Eisen und Kupfer.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Metallleitern, bei denen der elektrische Widerstand durch Atomvibrationen entsteht, die die Bewegung freier Elektronen behindern, arbeiten NTC-Thermistoren nach einem "Hopping-Leitungs"-Mechanismus, der freie Elektronen und Lochpaare beinhaltet. Wenn die Temperatur steigt, erhöht sich die Konzentration dieser Ladungsträger innerhalb des Materials, wodurch der Ladungsfluss und folglich der Widerstand verringert werden. Dieser Leitungsmechanismus lässt sich durch die Bandtheorie erklären, die die intrinsische Beziehung zwischen der elektronischen Struktur eines Materials und seinen leitenden Eigenschaften aufzeigt.

Durch die präzise Steuerung der Materialzusammensetzung und der Herstellungsprozesse können Ingenieure die Temperatureigenschaften von NTC-Thermistoren feinabstimmen, um spezifische Anwendungsanforderungen zu erfüllen.

2. Wichtige Eigenschaften von NTC-Thermistoren

Die Widerstandsvariation in NTC-Thermistoren wird sowohl von der Umgebungstemperatur als auch von Selbsterwärmungseffekten beeinflusst. Die Umgebungstemperatur bezieht sich auf alle externen Wärmequellen, während die Selbsterwärmung aus der Joule'schen Erwärmung resultiert, wenn Strom durch den Thermistor fließt. Die Analyse der NTC-Thermistor-Eigenschaften unterscheidet typischerweise zwischen "unbelasteten" und "belasteten" Bedingungen.

2.1 Eigenschaften von unbelasteten NTC-Thermistoren

Unter unbelasteten Bedingungen, bei denen die Selbsterwärmung vernachlässigbar ist, wird das Verhalten von NTC-Thermistoren hauptsächlich durch Materialeigenschaften und Umgebungstemperatur bestimmt.

2.1.1 Widerstands-Temperatur (R/T)-Eigenschaften

Die Beziehung zwischen dem Widerstand eines NTC-Thermistors und der absoluten Temperatur kann durch eine Exponentialfunktion angenähert werden:

Wobei:

• R ₁ : Widerstand (Ω) bei Temperatur T ₁ (K)
• R ₂ : Referenzwiderstand (Ω) bei Temperatur T ₂ (K)
• B: Materialkonstante (K)

Obwohl diese Gleichung eine mathematische Näherung liefert, verwenden praktische Anwendungen typischerweise umfassende R/T-Tabellen, die präzise Widerstandswerte über den gesamten Betriebstemperaturbereich angeben und eine höhere Genauigkeit als die vereinfachte Formel bieten.

2.1.2 B-Wert

Der B-Wert ist ein entscheidender Parameter, der die Steigung der Widerstands-Temperatur-Kurve darstellt und angibt, wie empfindlich der Widerstand auf Temperaturänderungen reagiert. Er wird durch das Thermistormaterial bestimmt und berechnet sich wie folgt:

Da das Exponentialmodell eine Näherung ist, ist der B-Wert nicht perfekt konstant, sondern variiert leicht über Temperaturbereiche. Eine Standardnotation wie B _25/85 gibt den Temperaturbereich (in diesem Fall 25°C bis 85°C) an, für den der B-Wert berechnet wird.

Übliche NTC-Materialien haben B-Werte, die typischerweise zwischen 3000 K und 5000 K liegen. Die Auswahl hängt von den Anwendungsanforderungen ab und beinhaltet das Abwägen des Nennwiderstands mit anderen Einschränkungen, da nicht alle B-Werte für jeden NTC-Gehäusetyp geeignet sind.

2.1.3 Temperaturkoeffizient

Der Temperaturkoeffizient (α) definiert die relative Rate der Widerstandsänderung mit der Temperatur:

Dieser Koeffizient ist typischerweise negativ und spiegelt das NTC-Verhalten wider. Seine Größe beeinflusst direkt die Temperaturempfindlichkeit—höhere Koeffizienten weisen auf eine größere Reaktionsfähigkeit auf Temperaturänderungen hin.

2.1.4 Toleranz

Die Toleranz gibt die zulässige Abweichung von den Nennwiderstandswerten an, die üblicherweise bei 25°C angegeben wird (obwohl auch andere Temperaturen angegeben werden können). Die Gesamtwiderstandstoleranz bei einer bestimmten Temperatur berücksichtigt sowohl die Referenzwiderstandstoleranz als auch die B-Wert-Variation.

Die Temperaturtoleranz kann wie folgt abgeleitet werden:

Für präzise Messungen werden standardisierte R/T-Tabellen gegenüber vereinfachten Berechnungen empfohlen.

2.2 Elektrische Lastkennlinien

2.2.1 Wärmeableitungskonstante (δ _th )

Wenn Strom durch den Thermistor fließt, verursacht die Joule'sche Erwärmung eine Selbsterwärmung, die durch Folgendes beschrieben wird:

Somit:

Ausgedrückt in mW/K gibt δ _th die Leistung an, die benötigt wird, um die Thermistortemperatur um 1 K zu erhöhen. Höhere Werte bedeuten eine bessere Wärmeableitung an die Umgebung. Beachten Sie, dass veröffentlichte thermische Eigenschaften typischerweise von Bedingungen in ruhender Luft ausgehen—unterschiedliche Umgebungen oder Nachbearbeitungsprozesse können diese Werte verändern.

2.2.2 Spannungs-/Stromkennlinien

Bei konstanter elektrischer Leistung steigt die Thermistortemperatur zunächst stark an, bevor sie sich stabilisiert, wenn die Leistungsdissipation das Wärmeerzeugungsgleichgewicht erreicht. Die Spannungs-Strom-Beziehung im thermischen Gleichgewicht lautet:

oder

Das Auftragen der Spannung gegen den Strom bei konstanter Temperatur zeigt vier charakteristische Bereiche:

1. Linearer Bereich mit vernachlässigbarer Selbsterwärmung (Temperaturmessanwendungen)
2. Nichtlinearer Anstieg auf maximale Spannung
3. Spannungshöhepunkt
4. Negativer Widerstandsbereich (wird in Strombegrenzungs- oder Flüssigkeitsstandmessanwendungen verwendet)

2.2.3 Maximale Leistung (P ₂₅ )

P ₂₅ stellt die maximale Leistung dar, die der Thermistor bei 25°C in ruhender Luft verarbeiten kann. Der Betrieb auf diesem Niveau bringt das Gerät in den Selbsterwärmungsbereich, der im Allgemeinen vermieden werden sollte, es sei denn, dies ist von der Anwendung ausdrücklich erforderlich.

2.2.4 Thermische Zeitkonstante (τ)

Wenn ein Temperatursensor bei T ₁ in eine Umgebung bei T ₂ gebracht wird, ändert sich seine Temperatur exponentiell:

Die Zeitkonstante τ (Tau 63,2) ist definiert als die Zeit, die benötigt wird, damit 63,2 % der gesamten Temperaturänderung stattfindet. Dieser Parameter hängt erheblich ab von:

• Sensordesign (Materialien, Montage)
• Installationsmethode (Oberflächenmontage, Eintauchen)
• Umgebung (Luftstrom, Flüssigkeit)