Themen:
- Thermistoren
- PTC-Widerstand
- NTC-Widerstand
- Bestimmung der NTC-Kennlinie
Thermistor:
Ein Thermistor ist die Bezeichnung für eine Komponente, deren Widerstandswert von der Temperatur abhängt. Das englische Wort ist eine Kombination aus den Wörtern Thermal und Resistance. Thermistoren werden unter anderem in der Automobiltechnik eingesetzt Temperatursensoren en Überlastschutz.
Thermistoren können in zwei Gruppen eingeteilt werden; nämlich dass der Widerstandswert mit steigender Temperatur zunimmt (PTC) oder dass der Widerstandswert mit steigender Temperatur abnimmt (NTC). Die Begriffe NTC und PTC werden im Folgenden näher erläutert.
PTC-Widerstand:
Ein PTC-Widerstand ist ein Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten. Sie werden hauptsächlich als Temperaturschutz in Elektrogeräten eingesetzt. Mit zunehmender Temperatur steigt auch der Widerstand. Der Zusammenhang zwischen Widerstand und Temperatur ist bei einem PTC-Widerstand linear. Das heißt, der Widerstand steigt proportional zur Temperaturerhöhung. Dies ist im Bild unten an der exakt geraden Linie zu erkennen.
PTC-Widerstände werden unter anderem zur Spiegelheizung eingesetzt. Ohne diesen Schutzwiderstand würde nach dem Einschalten eine konstante (maximale) Spannung von 12 Volt und ein Strom von 1,25 Ampere an den Heizelementen verbleiben. Diese würden irgendwann durchbrennen, da der zugeführte Strom weiterhin für eine Erwärmung sorgt. Eine Überlastung kann durch Hinzufügen eines PTC-Widerstands im Pluskabel verhindert werden. Dieser Widerstand überwacht die Temperatur des Heizelements. Wird die Spiegelentleerung im Winter eingeschaltet, funktioniert der PTC-Widerstand zunächst nicht. Die Temperatur ist dann zu niedrig. Die vollen 12V / 1,25A fließen nun durch die Heizelemente, wodurch sich das Spiegelglas zunächst schnell erwärmt. (Die Feuchtigkeit verschwindet dann schnellstmöglich vom Spiegelglas).
Mit steigender Temperatur steigt der Widerstand (siehe Bild unten). Wenn das Spiegelglas eine Temperatur von 20 Grad erreicht hat, hat der PTC einen Widerstandswert von 20 Ohm. Der Strom ist jetzt von 1,25 A auf 0,6 A gesunken. Dies lässt sich mit dem berechnen Ohm'sches Gesetz:
I=U/R
Ich = 12 / 20
I = 0,6A
Der Strom wurde nun halbiert, was dafür sorgt, dass sich das Spiegelglas weniger schnell erwärmt. Steigt die Temperatur des Glases auf 40 Grad, hat der PTC einen Widerstandswert von 40 Ohm. Der Strom ist jetzt auf 0,3A gesunken.
Bei einer maximalen Temperatur von 60 Grad Celsius beträgt der Widerstandswert des PTC-Widerstands 60 Ohm. Der Strom beträgt jetzt nur noch 0,18A. Die Heizleistung ist nun konstant und wird aufgrund des geringen Stroms nicht weiter ansteigen. Die Temperatur des Spiegelglases bleibt nun konstant und kann nicht überhitzen. Die oben genannten Werte sind frei erfunden und dienen lediglich als Beispiel, um es möglichst deutlich zu machen. Jeder Hersteller verwendet seine eigenen Stromstärken (und damit Widerstandswerte) für seine Spiegelheizung.
Es gibt auch andere Komponenten im Auto, die über einen PTC-Widerstand verfügen, beispielsweise ein Fensterhebermotor. Wenn der Fensterhebermechanismus sehr schwer ist (aufgrund einer hohen mechanischen Belastung) oder das Fenster mehrmals hintereinander geöffnet und geschlossen wird, steigt die Temperatur des Fensterhebermotors. Auch dieser Elektromotor wird durch einen PTC-Widerstand überwacht. Wenn die Temperatur zu hoch wird, wird dieses Signal über den PTC-Widerstand an ein Steuergerät gesendet. Dadurch wird die Stromversorgung des Motors vorübergehend unterbrochen, bis die Temperatur gesunken ist. Dies dient ausschließlich Sicherheitszwecken, um eine Überhitzung zu verhindern
NTC-Widerstand:
Ein NTC-Widerstand ist ein Widerstand mit einem negativen Temperaturkoeffizienten. Diese Widerstände werden als angewendet Temperatursensoren unter anderem aus dem Kühlmittel und der Ansaugluft. Mit zunehmender Temperatur nimmt der Widerstand ab (siehe Bild). Oft wird an den Sensor eine konstante Spannung zwischen 1 und 5 Volt angelegt. Bei einer niedrigen Temperatur ist der Widerstandswert hoch, sodass die Spannung niedrig ist. Mit zunehmender Temperatur nimmt der Widerstand ab und die Spannung steigt.
Der Spannungsanstieg wird vom Steuergerät für Kennfelder gesteuert, das unter anderem die Einspritzmenge der Injektoren bestimmt. Der Wert kann auch an den Kühlmitteltemperaturmesser im Armaturenbrett oder die Außenlufttemperatur im Display der Klimaanlage weitergegeben werden.
Der Zusammenhang zwischen Widerstand und Temperatur weist bei einem NTC-Widerstand keinen linearen Zusammenhang auf. Das bedeutet, dass der Widerstand nicht proportional zur Temperaturerhöhung abnimmt. Dies ist im Bild an der geschwungenen Linie zu erkennen. Diese Linie wird als „Charakteristik“ bezeichnet und ist logarithmisch.
Ermittlung der NTC-Kennlinie:
Die NTC-Charakteristik kann teilweise durch die Bestimmung des entsprechenden Widerstandswertes bei drei Temperaturen beschrieben werden. Hierzu kann der Temperatursensor mit einem Ohmmeter gemessen werden, während er in einem erhitzten Wasserkocher hängt.
Punkte können bei unterschiedlichen Temperaturen und Widerstandswerten gezeichnet werden. Zwischen diesen Punkten können Linien gezogen werden (siehe Bild unten). Damit lässt sich prinzipiell gut abschätzen, wie sich die Kennlinie unterhalb von 20 und oberhalb von 100 Grad Celsius entwickeln wird.
Es ist interessant, näher darauf einzugehen. Mit den drei gemessenen Widerstandswerten kann der genaue Widerstand mithilfe der „Steinhart-Hart-Gleichung“ über einen unendlich großen Temperaturbereich ermittelt werden. Auch die Charakteristik kann genau bestimmt werden. Am Ende dieser Seite kann eine Excel-Datei heruntergeladen werden, mit der das Merkmal gebildet werden kann.
Die Steinhart-Hart-Gleichung lautet:
- T ist die Temperatur in Kelvin;
- R ist der Widerstand bei T in Ohm;
- A, B und C sind die Steinhart-Hart-Koeffizienten, die von den Widerstandswerten bei einer bestimmten Temperatur abhängen.
Um den Widerstand eines Halbleiters bei einer bestimmten Temperatur zu ermitteln, muss die Umkehrung (R) der Steinhart-Hart-Gleichung verwendet werden. Diese Gleichung lautet wie folgt:
wobei x und y anhand der folgenden Formeln bestimmt werden:
Um die A-, B- und C-Koeffizienten des Steinhart-Hart zu ermitteln, müssen drei Widerstandswerte (R1, R2 und R3) bei einer Temperatur (T1, T2 und T3) bestimmt werden. Diese sollten in den Spezifikationen des Halbleiters nachgeschlagen oder mit einem Thermometer und einem Ohmmeter gemessen werden. L1, L2 und R3 werden durch Bestimmung des Kehrwerts der Widerstandswerte berechnet. Y1, Y2 und Y3 werden durch Berechnung der Temperatur in Kelvin hoch -1 bestimmt.
Dann können die Steinhart-Hart-Koeffizienten (A, B und C) berechnet werden:
Die Eingabe dieser Koeffizienten und des ln (R) ergibt die korrekte Temperatur. Wenn die obigen Formeln vervollständigt sind, ergibt sich:
Einsetzen aller Daten in die Steinhart-Hart-Gleichung:
gibt:
Mit der Variable „T“ können Sie die gewünschte Temperatur ändern. Die Berechnung ergibt, dass bei einer Temperatur von 120 Grad Celsius der Widerstand 122 Ohm beträgt.
Die Formel kann mit den drei zuvor gemessenen Temperaturen vervollständigt werden, mit denen die Kennlinie erstellt werden kann:
- 2500 Ohm bei 20°C;
- 626 Ohm bei 60°C;
- 200 Ohm bei 100°C.
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