Was ist ein Heißleiter?
Heißleiter, auch NTC-Widerstand oder NTC-Thermistor genannt, sind elektronische Bauteile mit der Eigenschaft, dass ihr Widerstand mit steigender Temperatur abnimmt.
NTC steht für Negative Temperature Coefficient, was bedeutet, dass es eine negative Korrelation zwischen Temperatur und Widerstand gibt. Thermistor leitet sich von dem Begriff Thermal Sensitive Resistor ab. Er bezieht sich auf ein Bauteil, das die Temperatur anhand der Differenz des elektrischen Widerstands messen kann, wenn ein Widerstandselement in Kontakt mit dem zu messenden Objekt gebracht wird. Das Widerstandselement ist durch die Verwendung eines Metalloxid-Halbleiters gekennzeichnet.
Heißleiter sind die vielseitigsten aller Thermistoren, da die Materialien kostengünstig und leicht zu verarbeiten sind. Sie sind hochpräzise Thermistoren, da sich ihr Widerstandswert schon bei kleinsten Temperaturänderungen ändert. Sie werden in vielen bekannten Haushaltsgeräten und Industrieanlagen eingesetzt.
Sie erkennen Widerstandsunterschiede und werden als Temperatursensoren verwendet. Es gibt Typen mit Blei, Chip, Scheibe und Dünnfilm.
Anwendungen von Heißleitern
Aufgrund ihrer kostengünstigen Eigenschaften werden Heißleiter in einem breiten Spektrum von Anwendungen eingesetzt, von industriellen Anwendungen bis hin zu Haushaltsgeräten. Sie werden hauptsächlich als Temperatursensoren verwendet, wovon die folgenden Beispiele zeugen:
- Interne Temperaturerfassung in Smartphones
- Einschaltstromreduzierung in elektronischen Schaltungen
- Temperaturmessung in elektronischen Thermometern
- Überwachung der Motortemperatur in Staubsaugern
- Temperaturerfassung in Kühlschränken
1. Anwendung auf Smartphones
In Smartphones werden wärmeempfindliche Bauteile und Komponenten verwendet, deren Genauigkeit durch Wärme beeinträchtigt wird, weshalb es wichtig ist, einen Wärmestau zu verhindern. Hier kommt der Heißleiter zum Einsatz, der interne Temperaturänderungen erkennt und die Informationen an den IC weiterleitet. Neben der Messung der Raumtemperatur werden sie auch als Temperaturschutzelemente verwendet, um Schaltkreise vor Überhitzung zu schützen, damit diese stabilisiert und Ausfälle verhindert werden.
2. Reduzierung des Einschaltstroms
In elektrischen und elektronischen Geräten kann beim Einschalten vorübergehend ein hoher Strom fließen, der über dem Wert des Dauerstroms liegt. Dieser Strom wird als Einschaltstrom bezeichnet. Mögliche Gründe für Einschaltströme sind die Erstaufladung von Kondensatoren mit großer Kapazität.
Der hohe Widerstandswert von Heißleitern bei niedrigen Temperaturen kann zur Unterdrückung von Einschaltströmen beim Einschalten genutzt werden. Wenn die Temperatur des Heißleiters aufgrund der Strombelastung ansteigt, sinkt der Widerstandswert und die Leistung nimmt ebenfalls ab.
Da der Temperaturanstieg durch die Stromzufuhr zu einer Verringerung des Widerstandswerts führt, können die Leistungsverluste im Vergleich zur Verwendung von Festwiderständen verringert werden. Heißleiter werden daher als ICLs (Inrush Current Limiter) zum Schutz von Schaltkreisen in elektrischen und elektronischen Geräten eingesetzt, indem sie Einschaltströme einfach und effektiv begrenzen.
3. Schaltungen zur Temperaturmessung
Heißleiter werden häufig in Temperaturmesskreisen eingesetzt. Da das Bauteil Temperaturänderungen durch Widerstandsänderungen feststellt, wird es häufig in Kombination mit anderen Widerständen verwendet. Die am häufigsten verwendete Schaltungskonfiguration ist der Anschluss des Heißleiters an eine konstante Spannungsquelle über einen Pull-up- oder Pull-down-Widerstand.
Funktionsweise von Heißleitern
Der Hauptbestandteil von Heißleitern ist Keramik: Bei Heißleitern sind die Elektroden an halbleitenden Keramiken aus Misch- und Sinteroxiden von Mangan, Nickel und Kobalt befestigt. Je nach Dotierungsstoff gibt es N-Typ- und P-Typ-Halbleiter.
Normalerweise nimmt die Übertragungsrate von freien Elektronen und Löchern mit steigender Temperatur ab. In Heißleitern jedoch nehmen die Elektronen im Valenzband Wärmeenergie auf und wandern in den Leiter und die Zuwachsrate der freien Elektronen und Löcher im Leiter ist größer als die Zuwachsrate der freien Elektronen und Löcher, was zu einem geringeren Widerstand führt. Heißleiter zeichnen sich durch eine allmähliche Abnahme des Widerstands aus.
Zur Herstellung von Heißleitern werden die Rohoxide zu einer gleichmäßigen Konsistenz gemischt und bei 800 °C bis 1000 °C vorübergehend gebrannt. Anschließend werden sie zerkleinert, die Korngröße wird auf eine für die Formgebung geeignete Größe erhöht, in die endgültige Form gebracht und bei 1300-1500 °C gebrannt. Zum Schluss werden die Elektroden geformt und das Produkt mit einer Epoxidharzhülle versehen.
Auswahl eines Heißleiters
Heißleiter werden je nach Anwendung, Abmessungen, B-Konstante und Widerstandswert ausgewählt. Die Anwendung ist der Einsatz, für den der Heißleiter verwendet werden soll. Dazu gehören Anwendungen in der Automobilbranche und bei der Montage von Elektronikplatinen. Die Auswahl hängt von der Einbausituation und den Abmessungen ab.
Die B-Konstante ist die Steigung des Widerstandswertes in Bezug auf die Temperaturänderung und variiert je nach Materialverteilung des Heißleiters; je größer die B-Konstante, desto größer ist die Widerstandsänderung mit der Temperatur. Daher sind Produkte mit einer hohen B-Konstante sehr empfindlich, während solche mit einer niedrigen B-Konstante weniger empfindlich sind.
Die Widerstandswerte sind die normalen Widerstandswerte bei Raumtemperatur (25 °C). Im Allgemeinen werden Produkte mit einem niedrigen Widerstandswert für Umgebungen mit niedrigen Temperaturen ausgewählt, während Produkte mit einem hohen Widerstandswert für Umgebungen mit hohen Temperaturen ausgewählt werden.