PTC Widerstand – Wie funktioniert er?

Was genau ist ein PTC Widerstand?

Ein Widerstand an sich ist ein elektrisches Bauelement mit einem ohmschen Widerstand. Ein PTC Widerstand gehört dabei zum Typs der Halbleiter und Thermistoren. Widerstände lassen sich unter anderem dafür verwenden, um den elektrischen Strom zu begrenzen oder eine Spannung in einer Schaltung aufzuteilen. Kaltleiter sind Halbleiterwiderstände und temperaturabhängig. Das „PTC“ bedeutet „Positive Temperature Coefficient“. Das verweist auf den positiven Temperaturkoeffizienten dieser Halbleiter.

Ein Halbleiter kann unter anderem aus polykristalliner Keramik bestehen. Normalerweise wirkt Keramik isolierend. Kaltleiter hingegen verwenden eine Bariumtitanat-Keramik. Hierdurch erhalten sie ihre leitende Eigenschaft und ihren positiven Temperaturkoeffizienten. Durch das Bariumtitanat wird er „dotiert“, das heisst, das Material wird mit Fremdatomen verunreinigt. Diese Fremdatome ermöglichen den Stromfluss. Aufgrund dieser Eigenschaften leitet er bei geringen Temperaturen den Strom besser. Steigt die Temperatur an, dann erhöht sich der Widerstand und es fliesst weniger Strom. Man spricht auch von Potenzialwällen.

Wofür benötigt man einen Kaltleiter?

Für Bauelemente dieser Art bieten sich viele Anwendungsmöglichkeiten. Eine wichtige Aufgabe von Halbleitern ist die Temperaturmessung in Motoren oder Transformatoren mit starker thermischer Belastung. Halbleiter verwendet man in Widerstandsthermometern als interne oder externe Temperaturfühler, häufig geschieht das in Automobilen. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Temperaturmessung bei Bauelementen mit Übertemperaturschutz oder Überstromschutz. Dabei verringern die Kaltleiter die Stromstärke der angeschlossenen Verbraucher. Früher kamen sie auch in Röhrenfernsehern und Röhrenmonitoren zur Anwendung. Hier entmagnetisierten sie die Lochmasken mittels geschalteter Spulen. In Glühlampen befinden sich ebenfalls PTC Widerstände.

Welche Widerstände gibt es bei den Kaltleitern?

In der Haushalts- und Industrieelektronik verwendet man drei grundlegende Typen von PTC Widerständen:

• Widerstand mit linearem Temperaturanstieg: Solche PTC Widerstände verwendet man für die Temperaturmessung, für die Temperaturkompensation oder als Widerstandsthermometer. Es handelt sich um Eisen-Wasserstoff-Widerstände.
• Keramik-Kaltleiter mit nichtlinearem Verlauf: Man verwendet diese Ausführungen als Überstromschutz für Sicherungen, als Übertemperaturschutz, als Schaltelemente oder selbstregulierende Heizelemente. Sie bestehen aus Bariumtitanat.
• Polymer-Kaltleiter mit nichtlinearem Verlauf: Solche PTCs verwendet man als selbstrückstellende Sicherungen. Sie bestehen aus Kunststoff mit winzigen Russpartikeln.

Die Widerstandswerte sind beim Kaltleiter Nullwiderstände. Der Nennwiderstand gibt an, wie hoch der Widerstand bei einer Temperatur von 25 Grad ist. Erst mit steigender Temperatur steigt der Widerstandswert unaufhörlich an, sobald der Kaltleiter eine bestimmte Temperatur überschritten hat. Die einzelnen Materialien und individuellen Ausführungen können sich je nach Hersteller in der Genauigkeit unterscheiden.

Aus welchen Materialien kann ein Kaltleiter bestehen?

Es gibt eine Reihe von Materialien, aus denen Kaltleiter bestehen können:

• Die meisten PTC Widerstände bestehen aus halbleitenden polykristallinen Keramiken, auch Bariumtitanat genannt. Bis zu bestimmten Temperaturen verfügen sie über eine Sperrschicht an den Kristallen. Dieses Material eignet sich für hohe Temperaturen (1000 Grad bis 1400 Grad).
• Andere Kaltleiter bestehen aus dotiertem Silizium. Dieses Material zeichnet sich durch eine hohe Langzeitstabilität aus. Die Temperaturen liegen zwischen – 50 und + 150 Grad.
• Bei den Metallen sind es all jene mit einem positiven Temperaturkoeffizienten. Hier kommt dann reines Metall zum Einsatz.

Wie funktioniert ein Heissleiter?

Heissleiter sind das Gegenstück zum Kaltleiter. Ihre Bezeichnung ist NTC (Negative Temperature Coefficient). Die elektrische Leitfähigkeit der Heissleiter steigt mit höheren Temperaturen. Ähnlich wie ein Kaltleiter verhält sich der Heissleiter nichtlinear. NTCs bestehen häufig aus Eisenoxiden, Titandioxiden und anderen Metalloxiden. Bei Raumtemperatur verhalten sie sich hochohmig. Bei zunehmender Temperatur verringert sich der Widerstandswert. NTC Widerstände verwendet man unter anderem bei der elektronischen Temperaturmessung. Bei Widerstandsthermometern verwendet man sie für externe und interne Temperaturfühler.

Welche Rolle spielen die Temperaturkoeffizienten?

Den Temperaturkoeffizienten nennt man auch Temperaturbeiwert. Dieser Wert oder Koeffizient beschreibt die relative Änderung eines physikalischen Wertes in Relation zu der Änderung der Temperatur. Dazu gibt es eine Bezugstemperatur. Temperaturkoeffizienten geben in Länge oder Volumen den Druck, den elektrischen Widerstand, die Temperaturspannung und andere physikalische Grössen wieder. Es besteht entweder ein linearer oder ein nichtlinearer Zusammengang. Bei den meisten elektrischen Bauelementen muss man diesen Wert immer einberechnen. Widerstandsthermometer wie Kalt- und Heissleiter machen sich den Temperaturkoeffizienten jedoch zunutze. Bei standardisierten Widerstandsthermometern des Typs Pt100 Polynome nutzt man zur Berechnung der absoluten Temperatur den gemessenen Widerstand. Die Bezugstemperatur ist in diesem Fall null Grad.

Warum sollten Kaltleiter nicht konstant unter Strom stehen?

Sobald man den Kaltleiter konstant mit Strom versorgt, erhöht sich der Widerstand des PTCs. Damit steigt die Wärmeleistung an und ein „labiles Gleichgewicht“ setzt ein. Stattdessen setzt man die Kaltleiter lieber konstant unter Spannung. Bei steigender Temperatur sinkt dann die Wärmeleistung und der Kaltleiter kann sich schneller abkühlen. Bei der Temperaturfühlung mit Mikrocontrollern verfügt der Kaltleiter oft über einen Vorwiderstand mit konstanter Betriebsspannung.