Der Widerstand eines jeden Leiters ist im Allgemeinen von der Temperatur abhängig. Der Widerstand von Metallen nimmt mit der Wärme zu. Aus physikalischer Sicht wird dies durch eine Zunahme der Amplitude der thermischen Schwingungen der Gitterelemente und eine Erhöhung des Widerstands gegen den gerichteten Elektronenfluss erklärt. Der Widerstand von Elektrolyten und Halbleitern nimmt bei Erwärmung ab - dies ist auf andere Prozesse zurückzuführen.
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Wie ein Thermistor funktioniert
In vielen Fällen ist das Phänomen der Temperaturbeständigkeit schädlich. So führt beispielsweise ein niedriger Widerstand des Glühfadens einer Glühlampe im kalten Zustand dazu, dass sie beim Einschalten durchbrennt. Die Änderung des Widerstandswerts von Festwiderständen bei Erwärmung oder Abkühlung führt zu Änderungen der Schaltungsparameter.
Zur Bekämpfung dieses Phänomens wurden Widerstände mit einem reduzierten TCR (Temperaturkoeffizient des Widerstands) entwickelt. Diese Elemente sind teurer als herkömmliche Elemente. Es gibt jedoch elektronische Bauteile, bei denen die Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur ausgeprägt und normalisiert ist. Diese Elemente werden Thermistoren oder Heißleiter genannt.
Arten und Aufbau von Thermistoren
Thermistoren lassen sich je nach ihrer Reaktion auf Temperaturänderungen in zwei große Gruppen einteilen:
- Wenn der Widerstand bei Erwärmung abnimmt, werden solche Thermistoren als NTC-Thermistoren (negativer Temperaturkoeffizient des Widerstands);
- Erhöht sich der Widerstand bei Erwärmung, hat der Thermistor einen positiven TCR (PTC-Charakteristik) - solche Elemente werden auch als Solche PTC-Elemente werden auch als PTC-Thermistoren bezeichnet..
Der Typ des Thermistors wird durch die Materialeigenschaften des Thermistors bestimmt. Metalle erhöhen bei Erwärmung ihren Widerstand, weshalb sie (bzw. Metalloxide) als Basis für Thermowiderstände mit positivem TKC verwendet werden. Bei Halbleitern ist die Abhängigkeit umgekehrt, weshalb sie für die Herstellung von NTC-Elementen verwendet werden. Thermostatische Widerstandselemente mit negativem TKC können theoretisch auf der Basis von Elektrolyten hergestellt werden, aber diese Variante ist in der Praxis sehr ungünstig. Ihre Nische ist die Laborforschung.
Der Aufbau von Thermistoren kann unterschiedlich sein. Es gibt sie in Form von Zylindern, Perlen, Scheiben usw. mit zwei Leitungen (wie eine herkömmlicher Widerstand). Es ist möglich, die bequemste Form für die Installation am Arbeitsplatz zu wählen.
Wesentliche Merkmale
Die wichtigste Eigenschaft eines Thermistors ist sein Temperaturkoeffizient des Widerstands (TCR). Sie gibt an, wie stark sich der Widerstand bei einer Erwärmung oder Abkühlung um 1 Grad Kelvin ändert.
Obwohl die Temperaturänderung, ausgedrückt in Kelvin, gleich der Änderung in Grad Celsius ist, werden Thermowiderstände immer noch in Kelvin angegeben. Dies ist auf die weit verbreitete Verwendung der Steinhart-Hart-Gleichung bei Berechnungen zurückzuführen, die die Temperatur in K angibt.
Der TCS ist bei NTC-Thermistoren negativ und bei Posistoren positiv.
Ein weiteres wichtiges Merkmal ist der Widerstandswert. Dies ist der Widerstandswert bei 25°C. Mit diesen Parametern lässt sich die Anwendbarkeit eines Thermistors für einen bestimmten Schaltkreis leicht bestimmen.
Wichtig für den Einsatz von Thermistoren sind auch die Nennspannung und die maximale Betriebsspannung. Der erste Parameter bestimmt die Spannung, bei der das Element über einen langen Zeitraum arbeiten kann, während der zweite Parameter die Spannung bestimmt, oberhalb derer die Leistung des Thermistors nicht mehr gewährleistet ist.
Bei Posistoren ist ein wichtiger Parameter die Referenztemperatur - der Punkt auf der Widerstands-Wärme-Kurve, bei dem der charakteristische Bruch auftritt. Dies bestimmt den Betriebsbereich des PTC-Widerstands.
Bei der Auswahl eines Thermistors sollte auch auf dessen Temperaturbereich geachtet werden. Außerhalb der Herstellerangaben ist die Kennlinie nicht genormt (dies kann zu Fehlfunktionen des Geräts führen) oder der Thermistor funktioniert überhaupt nicht.
Bezeichnung der Einheit
Die grafischen Symbole können leicht variieren, aber das Hauptmerkmal eines Thermistors ist das Symbol t neben dem Rechteck, das den Widerstand symbolisiert. Ohne dieses Symbol ist es nicht möglich, die Art des Widerstands zu bestimmen - ähnliche BRE-Symbole werden verwendet, z. B. Varistoren (der Widerstand wird durch die angelegte Spannung bestimmt) und andere Elemente.
Manchmal ist dem UGO ein zusätzliches Symbol beigefügt, das die Kategorie des Thermistors angibt:
- NTC für Zellen mit einem negativen TCS;
- PTC für Posistoren.
Dieses Merkmal wird manchmal durch Pfeile angezeigt:
- unidirektional für PTC;
- omnidirektional für NTC.
Die Buchstabenbezeichnung kann unterschiedlich sein - R, RK, TH, usw.
Prüfen eines Thermistors auf korrekte Funktion
Die erste Funktionsprüfung eines Thermistors besteht darin, den Nennwiderstand mit einem handelsüblichen Multimeter zu messen. Bei einer Messung bei Raumtemperatur, die sich nicht wesentlich von +25 °C unterscheidet, sollte der gemessene Widerstand nicht wesentlich von dem auf dem Gehäuse oder in der Dokumentation angegebenen Wert abweichen.
Wenn die Umgebungstemperatur höher oder niedriger als der angegebene Wert ist, muss eine kleine Korrektur vorgenommen werden.
Es kann versucht werden, die Temperaturkennlinie eines Thermistors zu nehmen - um sie mit der in den Unterlagen angegebenen zu vergleichen oder um sie für ein Bauteil unbekannter Herkunft zu rekonstruieren.
Es stehen drei Temperaturen zur Verfügung, die mit ausreichender Genauigkeit ohne Messgeräte erzeugt werden können:
- schmelzendes Eis (kann aus einem Kühlschrank entnommen werden) - etwa 0 °C;
- der menschliche Körper - etwa 36 °C;
- kochendes Wasser - etwa 100 °C.
Anhand dieser Punkte ist es möglich, eine ungefähre Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur zu zeichnen, aber für Posistoren funktioniert dies möglicherweise nicht - auf dem Diagramm ihres TCS gibt es Bereiche, in denen R nicht durch die Temperatur definiert ist (unterhalb der Referenztemperatur). Wenn ein Thermometer zur Verfügung steht, ist es möglich, eine Kennlinie um mehrere Punkte zu bestimmen, indem man den Thermistor in Wasser taucht und erhitzt. Der Widerstand ist alle 15...20 Grad zu messen und der Wert ist aufzuzeichnen. Wenn es erforderlich ist, Parameter über 100 Grad abzulesen, kann anstelle von Wasser auch Öl (z. B. Auto- oder Getriebeöl) verwendet werden.
Das Diagramm zeigt typische Temperaturabhängigkeiten des Widerstands - die durchgezogene Linie ist für PTC und die gestrichelte Linie für NTC.
Wo zu verwenden
Die offensichtlichste Anwendung für Thermistoren sind Temperatursensoren. Sowohl NTC- als auch PTC-Thermistoren sind für diesen Zweck geeignet. Sie müssen nur das Element entsprechend dem Arbeitsbereich auswählen und die Thermistorkennlinie im Messgerät berücksichtigen.
Es ist möglich, ein Thermorelais zu bauen, bei dem der Widerstand (genauer gesagt der Spannungsabfall an ihm) mit dem eingestellten Wert verglichen wird und der Ausgang bei Überschreiten des Schwellenwerts geschaltet wird. Ein solches Gerät kann als Wärmeüberwachungsgerät oder als Brandmelder eingesetzt werden. Temperatursensoren beruhen auf dem Phänomen der indirekten Erwärmung, bei der der Thermistor durch eine externe Quelle erwärmt wird.
Direkte Erwärmung - der Thermistor wird durch den durch ihn fließenden Strom erwärmt. NTC-Widerstände können auf diese Weise zur Strombegrenzung eingesetzt werden - z.B. beim Laden von Hochleistungskondensatoren beim Einschalten, aber auch zur Begrenzung des Anlaufstroms von Motoren usw. Wärmeabhängige Elemente haben einen hohen Widerstand, wenn sie kalt sind. Wenn ein Kondensator teilweise aufgeladen ist (oder ein Motor seine Nenndrehzahl erreicht), hat der Thermistor Zeit, sich durch den fließenden Strom zu erwärmen, sein Widerstand sinkt, und er hat keinen Einfluss mehr auf den Betrieb des Stromkreises.
Auf die gleiche Weise kann man die Lebensdauer einer Glühbirne verlängern, indem man einen Thermistor in Reihe mit ihr schaltet. Dadurch wird der Strom im schwierigsten Moment begrenzt - wenn Sie die Spannung einschalten (das ist der Moment, in dem die meisten Glühlampen ausfallen). Sobald es sich erwärmt hat, hat es keine Auswirkungen mehr auf die Glühbirne.
Im Gegensatz dazu werden Thermistoren mit positiver Kennlinie zum Schutz von Elektromotoren während des Betriebs verwendet. Steigt der Wicklungsstrom aufgrund einer Motorblockade oder einer die Last übersteigenden Wellenbelastung an, erwärmt sich der PTC-Widerstand und begrenzt diesen Strom.
Thermistoren mit negativem PTC können auch als Wärmekompensatoren für andere Bauteile verwendet werden. Wird beispielsweise ein NTC-Thermistor mit positivem PTC parallel zum Betriebsart-Einstellwiderstand des Transistors geschaltet, wirkt sich die Temperaturänderung auf jedes Bauteil in entgegengesetzter Weise aus. Dadurch wird der Temperatureffekt kompensiert, und der Arbeitspunkt des Transistors wird nicht verschoben.
Es gibt kombinierte Geräte, die als indirekt beheizte Thermistoren bezeichnet werden. Ein temperaturabhängiges Element und ein Heizelement befinden sich in demselben Gehäuse eines solchen Elements. Es besteht ein thermischer Kontakt zwischen ihnen, aber sie sind galvanisch getrennt. Durch Variation des Stroms durch den Heizer kann der Widerstand gesteuert werden.
Thermistoren mit unterschiedlichen Eigenschaften sind in der Technik weit verbreitet. Zusätzlich zu den Standardanwendungen kann ihr Einsatzbereich erweitert werden. Alles ist nur durch die Vorstellungskraft und die Qualifikation des Designers begrenzt.
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