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Schaltzeichen eines NTC (oben) und eines PTC (unten)

Heißleiter (engl. NTC, negative temperature coefficient) und Kaltleiter (engl. PTC, positive temperature coefficient) sind elektrische Widerstände aus bestimmten Materialien, deren Leitfähigkeit (und damit der Widerstand) sich mit der Temperatur ändert. Diese Leitfähigkeitsänderung in Abhängigkeit von der Temperatur ist nicht linear; daher gehören sie, wie z.B. auch die Diode, zu den einfachen nichtlinearen Bauteilen.


NTCs

Typische Bauform
Heißleiter sind stromleitende Materialien, die bei hohen Temperaturen eine höhere Leitfähigkeit besitzen als bei tiefen Temperaturen. Sie haben einen negativen Temperaturkoeffizienten; das heißt, mit steigender Temperatur sinkt ihr elektrischer Widerstand.

Ein großer Vorteil ist die starke Temperaturabhängigkeit und der geringe Preis. Das nichtlineare Verhalten des Widerstandswertes bei sich verändernder Temperatur ist jedoch zugleich auch der größte Nachteil.

Ein einzelner, nicht kompensierter NTC ändert seinen Widerstand nicht linear. Hier dazu ein Beispieldiagramm:


Ntcdiagramm.gif

PTCs

Kaltleiter sind stromleitende Materialien, die bei hohen Temperaturen eine niedrigere Leitfähigkeit besitzen als bei tiefen Temperaturen. Sie haben einen positiven Temperaturkoeffizienten; das heißt, mit steigender Temperatur steigt auch ihr elektrischer Widerstand.

Bei den PTCs gibt es zwei Sorten: Einmal welche mit näherungsweise linearer Kennlinie und dann welche mit stark nichtlinearer Kennlinie. Die linearen Typen (z.B. KTYxx Reihe) oder Platinwiderstände (z.B. PT100, PT1000 ) sind mehr für die Temperaturmessung gedacht. Recht beliebt sind die PTCs der KTYxx-Reihe z.B. der KTY81-110. Sie sind sehr günstig (ca. 0,50€) und bieten für die meisten Anwendungen eine ausreichende Genauigkeit.

Im Vergleich zu anderen PTCs oder NTCs ist bei den PTxxx-Typen im Bereich von -200...500 °C die Kennlinie nahezu linear steigend. Dafür ist der Temperaturkoeffizient deutlich kleiner (0,38 %/K bei Raumtemperatur). Es gibt diese Kaltleiter in den Serien PT100 (mit 100 Ohm Innenwiderstand) oder PT1000 (mit 1000 Ohm). Diese sind jedoch erheblich teurer (je nach Typ und Bezugsquelle und Qualität ab etwa 3 €) als die anderen Typenreihen und werden eingesetzt, wenn höhere Anforderungen an Messbereich oder Genauigkeit gestellt werden.

Die stark nichtlinearen Typen sind mehr als Übertemperaturschutz oder als selbst rückstellende Sicherung geeignet. Auch dazu ein Beispieldiagramm für einen nicht linearen PTC:


Ptcdiagramm.GIF

Einatzmöglichkeiten

NTCs und PTCs werden immer dann eingesetzt, wenn in "normalen" Bereichen (das heißt hier kleiner etwa 200 °C) eine Temperatur gemessen werden soll. Dieses Gebiet umfasst alles vom kleinen digitalen Fieberthermometer über die verschiedenen Anzeigeinstrumente (wie Wetterstationen und KFZ-Elektronik) bis hin zu kompletten Heizungs- und Klimasteuerungen in Gebäuden.

Für Temperaturen größer etwa 150 °C werden meist spezielle Sensoren eingesetzt, wie z.B. Thermoelemente oder Platinwiderstände.

Linearisierung

Unter Linearisierung versteht man die verschiedenen Möglichkeiten der Beschaltung, um als Meßergebnis am PTC eine dem Widerstand proportionale Spannung zu erhalten. Dazu bieten sich verschiedene Methoden an:

  • Man überläßt die Linearisierung den mathematischen Fähigkeiten eines Prozessors, z.B. einem ATMega-x, an dessen ADC der PTC angeschlossen ist.
    Die dabei möglichen, teils graviernden Nachteile (Prozessor besitzt nicht genügend Speicherplatz oder Rechenkapazität, hoher Kalibrierungsaufwand bei gleichzeitig hochgenau stabilisierter Versorgungsspannung) lassen von diesem Vorgehen nur abraten.
  • Speist man einen PTC mit einer Konstantstromquelle und mißt die am PTC abfallende Spannung, dann erhält man eine dem Widerstand proportionale Spannung. Leider ändert sich aber der Widerstand bei hohen Temperature stärker als bei niedrigen Temperaturen.
    Im Diagramm unten ist dies gezeigt. Hier fließt ein konstanter Strom von 1,4 mA durch einen KTY81.
    Kontantstromquellen lassen sich jedoch nur mit etwas zusätzlichem Schaltungsaufwand (Transistoren, FETs oder Operationsverstärker mit zusätzlichen diskreten Bauteilen) erstellen.

LinearPTC.GIF

  • Wenn man keine Konstantstromquelle verwendet, sondern den PTC mit einem Widerstand in Reihe aus der Betriebsspannung versorgt, ist der Strom durch die in Reihe geschalteten Widerstände nun vom Widerstand des PTC und damit von der Temperatur abhängig.
    Dies gleicht die Nichtlinearität fast vollständig aus. Im Bereich von -40 °C ... +140 °C erscheint der PTC nun nahezu linear, der verbleibende Linearitätsfehler liegt bei etwa ±10 mV. Unterhalb von 50 °C ist die ausgegebene Spannung etwas zu klein, oberhalb etwas zu groß.
    Im obigen Diagramm ist dies ebenfalls gezeigt. Hier liegt ein 2,7kOhm-Widerstand in Reihe zu einem KTY81 an einer 5V-Versorgung.


Im Vergleich zu anderen PTCs oder NTCs ist bei den PTxxx-Typen im Bereich von 50...200 °C die Kennlinie nahezu linear steigend und der Temperaturkoeffizient deutlich kleiner (0,3...0,8 %/K). Es gibt diese Kaltleiter in den Serien PT100 (mit 100 Ohm Innenwiderstand) oder PT1000 (mit 1000 Ohm). Sie sind jedoch erheblich teurer als die anderen Typenreihen (je nach Typ und Bezugsquelle zwischen 5 und 15 €) und werden eingesetzt, wenn höhere Anforderungen an Messbereich oder Genauigkeit gestellt oder ein gewisser schaltungstechnischer Aufwand eingespart werden soll.


Schaltungsbeispiele

Dieser Artikel ist noch lange nicht vollständig. Der Auto/Initiator hofft das sich weitere User am Ausbau des Artikels beteiligen.

Das Ergänzen ist also ausdrücklich gewünscht! Besonders folgende Dinge würden noch fehlen:

... auf jeden Fall Anwendungs- und Schaltungsbeispiele mit Heiß- oder Kaltleiter!


Siehe auch


Weblinks

Wikipedia