Aufbau, Funktionsweise und Anwendungsgebiete von Temperatursensoren mit negativem Temperaturkoeffizienten

Während der Widerstand gewöhnlicher Materialien mit zunehmender Temperatur leicht ansteigt, verlieren NTC-Thermistoren bei steigenden Temperaturen an Widerstand. Sie leiten den Strom umso besser, je höher die Temperaturen sind. Wie genau das funktioniert, wie ein NTC-Thermistor aufgebaut ist und wo er zum Einsatz kommt, erklären wir in diesem Whitepaper.

Aufbau und Funktionsweise von NTC-Thermistoren

NTC-Thermistoren bestehen aus mehreren Übergangsmetalloxiden, die zu einem feinen Keramikkörper gesintert werden. In der Produktion kommen reine Halbleitermaterialien, Verbindungshalbleiter oder metallische Legierungen zum Einsatz. Die Legierungen bestehen normalerweise aus Metalloxiden (Verbindungen aus Metallen und Sauerstoff) von Mangan, Kupfer, Nickel, Titan, Kobalt oder Eisen. Die Materialien werden zunächst mit Bindemitteln versetzt und anschließend gepresst und gesintert. Nur so kann der Heißleiter sein charakteristisches Verhalten entfalten. Erwärmen sich die Bauteile dann, lockern sich aus den Gitteratomen einige Elektronen und verlassen ihren Platz im Gefüge, wodurch der Strom deutlich besser transportiert wird. Die Thermistoren decken dabei den gesamten Temperaturbereich von -50 bis +500 ? ab, der für die tägliche Temperaturkontrolle erforderlich ist.

Normalerweise gilt: Mit steigender Temperatur eines Metalls nimmt auch sein Widerstand zu. Das liegt daran, dass sich die Elektronen bei steigender Hitze immer mehr bewegen, dabei an Atome stoßen und so in ihrer Bewegungsfreiheit eingeschränkt werden. Der Widerstand wird also größer.

Im Gegensatz dazu gibt es bei NTC-Thermistoren nicht viele freie Elektronen und somit mehr Bewegungsfreiheit. Dies macht es schwieriger, den Strom bei Raumtemperatur fließen zu lassen. Stattdessen funktioniert die elektrische Leitung in NTC-Thermistoren als eine Art "Sprungleitung". Diese ist auf die Bewegung von zwei Ladungsträgern zurückzuführen: Freie Elektronen und „Löcher“. Wenn ein Elektron in ein Loch eintritt, „springt“ es sofort zum nächsten freien Platz. Die Wiederholung dieser Bewegung erzeugt dann den Stromfluss. Bei niedrigen Temperaturen gibt es weniger freie Elektronen und ihre Bewegung ist träge, so dass der Strom nur schwer fließen kann und der Widerstand hoch ist. Mit steigender Temperatur nimmt die Zahl der Ladungsträger zu und die Bewegung (Hopping) der Elektronen wird durch thermische Schwingungen unterstützt, wodurch der Stromfluss erleichtert wird.

Zum Vergleich: Der Temperaturempfindlichkeitskoeffizient eines NTC-Thermistors ist circa fünfmal größer im Vergleich zu Silizium-Temperatursensoren und sogar zehnmal größer als der von Widerstandstemperaturfühlern. 

Eigenschaften von NTC-Thermistoren

NTC-Thermistoren gibt es mit verschiedenen Eigenschaften. Einsetzbar für Temperaturen von -60 bis +250 °C, in Bereichen von 1 Kiloohm bis zu 100 Megaohm. Mit Toleranzen von 0,1 bis 20 Prozent. Geht es also um die Auswahl eines Warmleiters, sind dabei verschiedene Kennwerte zu berücksichtigen. Zu den Kennwerten gehören der Widerstand, die Beta-Konstante, die Wärmeableitungskonstante und die thermische Zeitkonstante.

Einsatzbereiche für NTC-Thermistoren

Für NTC-Thermistoren gibt es ein breites Spektrum an Anwendungsbereichen – von der Temperaturmessung, über die Temperaturregelung bis hin zur Temperaturkompensation. Besonders interessant sind NTC Thermistoren für die Medizintechnik. Denn ihre hohe Sensitivität macht sie perfekt für den Einsatz in diesem Bereich. Es ist äußerst wichtig, dass bei solchen Anwendungen die Raum- bzw. Körpertemperatur präzise gemessen wird. Diese Genauigkeit kann der NTC Thermistor liefern. Daher werden sie unter anderem für Anwendungen in Inkubatoren, in der Patientenüberwachung oder auch bei Infusionswärmern in Betracht gezogen und eingesetzt.

Außerdem sind sie zum Erkennen von Vorhandensein oder Fehlens von Flüssigkeiten geeignet. Weitere Anwendungsfelder sind unter anderem die Temperaturüberwachung in Automobilanwendungen oder der Einsatz in Strombegrenzungsvorrichtungen.

Ausführlichere Informationen zu der Funktionsweise oder den Eigenschaften der NTC Temperatursensoren finden Sie auch in unserem Technical Guide. Bei Fragen zu unseren Produkten, sprechen Sie uns gerne an, unter der Mail: sensor@variohm.com oder der Tel: 06221 39 20 100.