Was ist ein NTC-Temperatursensor?

Was ist ein NTC-Temperatursensor?

Um die Funktion und Anwendung des NTC-Temperatursensors zu verstehen, müssen wir zunächst wissen, was ein NTC-Thermistor ist.
Funktionsweise des NTC-Temperatursensors einfach erklärt
Heißleiter oder Warmleiter sind elektronische Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizienten (kurz: NTC). Fließt Strom durch die Bauteile, sinkt ihr Widerstand mit steigender Temperatur. Sinkt die Umgebungstemperatur (z. B. in einer Tauchhülse), reagieren die Bauteile hingegen mit steigendem Widerstand. Aufgrund dieses besonderen Verhaltens wird ein NTC-Widerstand in der Fachsprache auch als NTC-Thermistor bezeichnet.

Der elektrische Widerstand nimmt ab, wenn sich Elektronen bewegen
NTC-Widerstände bestehen aus Halbleitermaterialien, deren Leitfähigkeit in der Regel zwischen der von elektrischen Leitern und elektrischen Nichtleitern liegt. Erhitzen sich die Bauteile, lösen sich Elektronen aus den Gitteratomen. Sie verlassen ihren Platz in der Struktur und transportieren Strom deutlich besser. Die Folge: Mit steigender Temperatur leiten Thermistoren Strom deutlich besser – ihr elektrischer Widerstand sinkt. Die Bauteile werden unter anderem als Temperatursensoren eingesetzt, müssen dafür aber an eine Spannungsquelle und ein Amperemeter angeschlossen werden.

Herstellung und Eigenschaften der Warm- und Kaltleiter
Ein NTC-Widerstand kann sehr schwach oder in bestimmten Bereichen sehr stark auf Änderungen der Umgebungstemperatur reagieren. Das konkrete Verhalten hängt grundsätzlich von der Herstellung der Bauteile ab. So passen Hersteller das Mischungsverhältnis der Oxide oder die Dotierung der Metalloxide an die gewünschten Bedingungen an. Aber auch durch den Herstellungsprozess selbst lassen sich die Eigenschaften der Bauteile beeinflussen, beispielsweise durch den Sauerstoffgehalt in der Brennatmosphäre oder die individuelle Abkühlgeschwindigkeit der Elemente.

Verschiedene Materialien für einen NTC-Widerstand
Damit Thermistoren ihr charakteristisches Verhalten zeigen, kommen reine Halbleitermaterialien, Verbindungshalbleiter oder metallische Legierungen zum Einsatz. Letztere bestehen meist aus Metalloxiden (Verbindungen aus Metallen und Sauerstoff) von Mangan, Nickel, Kobalt, Eisen, Kupfer oder Titan. Die Materialien werden mit Bindemitteln vermischt, gepresst und gesintert. Hersteller erhitzen die Ausgangsstoffe unter hohem Druck so stark, dass Werkstücke mit den gewünschten Eigenschaften entstehen.

Typische Eigenschaften des Thermistors auf einen Blick
NTC-Widerstände gibt es in den Bereichen von einem Ohm bis 100 Megaohm. Die Bauteile sind von minus 60 bis plus 200 Grad Celsius einsetzbar und erreichen Toleranzen von 0,1 bis 20 Prozent. Bei der Auswahl eines Thermistors sind verschiedene Parameter zu beachten. Einer der wichtigsten ist der Nennwiderstand. Er gibt den Widerstandswert bei einer bestimmten Nenntemperatur (meist 25 Grad Celsius) an und wird mit einem großen R und der Temperatur gekennzeichnet. Beispielsweise R25 für den Widerstandswert bei 25 Grad Celsius. Auch das spezifische Verhalten bei unterschiedlichen Temperaturen ist relevant. Dieses lässt sich mit Tabellen, Formeln oder Grafiken angeben und muss unbedingt zur gewünschten Anwendung passen. Weitere Kennwerte der NTC-Widerstände beziehen sich auf die Toleranzen sowie bestimmte Temperatur- und Spannungsgrenzen.

Verschiedene Anwendungsgebiete eines NTC-Widerstands
Genau wie ein PTC-Widerstand eignet sich auch ein NTC-Widerstand zur Temperaturmessung. Der Widerstandswert ändert sich abhängig von der Umgebungstemperatur. Um die Ergebnisse nicht zu verfälschen, sollte die Eigenerwärmung möglichst gering gehalten werden. Die Eigenerwärmung bei Stromfluss kann jedoch zur Begrenzung des Einschaltstroms genutzt werden. Denn der NTC-Widerstand ist nach dem Einschalten elektrischer Geräte kalt, sodass zunächst nur wenig Strom fließt. Nach einiger Betriebszeit erwärmt sich der Thermistor, der elektrische Widerstand sinkt und es fließt mehr Strom. Elektrische Geräte erreichen so mit einer gewissen Zeitverzögerung ihre volle Leistung.

Ein NTC-Widerstand leitet elektrischen Strom bei niedrigen Temperaturen schlechter. Steigt die Umgebungstemperatur, sinkt der Widerstand der sogenannten Warmleiter merklich. Das besondere Verhalten der Halbleiterelemente lässt sich vor allem zur Temperaturmessung, zur Einschaltstrombegrenzung oder zur Verzögerung verschiedener Steuervorgänge nutzen.