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NTC-Thermistoren

So lässt sich die Temperatur unter schwierigen Bedingungen exakt erfassen

| Autor/ Redakteur: Annette Landschoof* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

NTC-Thermistoren dienen zur effektiven Temperaturüberwachung für den Schutz elektronischer Systeme. Doch nicht jeder Thermistor ist gleich – Schukat Electronic zeigt, worauf es bei der Technik ankommt.

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Thermistoren werden als Temperatursensoren in alltäglichen Bereichen wie Brandmeldern und Kühlschränken eingesetzt, aber auch in zahlreichen Temperaturmessaufgaben wie in Industrie, Automotive, Luftfahrt, Medizinelektronik und vieles mehr.
Thermistoren werden als Temperatursensoren in alltäglichen Bereichen wie Brandmeldern und Kühlschränken eingesetzt, aber auch in zahlreichen Temperaturmessaufgaben wie in Industrie, Automotive, Luftfahrt, Medizinelektronik und vieles mehr.
(Bild: ©FleischiPixel - stock.adobe.com)

Die Temperaturmessung ist in vielen Applikationen einer der heikelsten Vorgänge. Wegen ihrer Stabilität und Genauigkeit kommen hier häufig die sogenannten NTC-Thermistoren, Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizient (engl. negative temperature coefficient), zum Einsatz. Insbesondere in der Automobilindustrie hat die Nachfrage nach NTCs zugenommen, u. a. für Anwendungen wie Steuergeräte, elektrische Pumpen und Kompressoren, LED-Leuchten, Batterien, Audiosysteme und alternative Antriebe. Zudem finden sie in industriellen und häuslichen Applikationen Verwendung, z. B. in der Schaltkreiskompensation, in Steuerungsanwendungen und Batteriemanagementsystemen.

Der negative Temperaturkoeffizient

Die Temperaturabhängigkeit aller Widerstände wird durch ihren Temperaturkoeffizienten beschrieben. Bei festen oder variablen Widerständen reduziert sich dieser in den meisten Fällen auf ein Minimum, bei einem Thermistor hingegen variiert der Widerstandswert stärker als bei Standardwiderständen. Mit dem Ansteigen der Temperatur nimmt der Widerstand bei den meisten Metallen im Allgemeinen zu. Da der NTC-Thermistor jedoch negativ reagiert, sinkt sein Widerstand mit dem Temperaturanstieg. NTC-Thermistoren unterscheiden sich also wesentlich durch ihren hohen Temperaturkoeffizienten, zudem bildet ihr Widerstand eine nichtlineare Funktion der absoluten Temperatur ab.

Viele NTC-Thermistoren bestehen aus einer gepressten Platte oder einem gegossenen Chip eines Halbleiters, z. B. einem gesinterten Metalloxid. Durch das Erhöhen der Temperatur eines Halbleiters steigt auch die Anzahl der beweglichen Elektronen, die Ladungsträger sind. Typischerweise weisen NTCs eine Widerstandsänderung von etwa 2 % des R25-Wertes (Nennwiderstandswert bei 25 °C) während des Temperaturwechsels auf. Das tatsächliche Verhältnis folgt einer annähernd exponentiellen Kurve, die deutlich höhere Widerstandsänderungen bei niedrigeren Temperaturen sowie niedrigere Werte bei höheren Temperaturen anzeigt (Abb. 2). Der normale Temperatureinsatzbereich von NTC-Sensoren liegt zwischen -40 und 150 °C.

Abb. 2: Beispiel der Temperaturcharakteristik: Mit dem Temperaturanstieg folgt zugleich ein Rückgang des Widerstandswerts.
Abb. 2: Beispiel der Temperaturcharakteristik: Mit dem Temperaturanstieg folgt zugleich ein Rückgang des Widerstandswerts.
(Bild: Panasonic)

Exakte Temperaturerfassung durch hochisolierende Schicht

Insbesondere Anwendungen in der modernen Mikroelektronik, wie Temperatur- und Heizsensoren oder Branddetektoren, erfordern die Leistung eines Dickschicht-Widerstands. Bisher war die Herstellung von Präzisionsthermistoren arbeitsintensiv und zeitaufwendig. Denn die Herausforderung bei den hohen Temperaturen besteht u. a. im Altern des Materials, dem Mangel an geeigneten Blei-Befestigungstechniken sowie in den Herstellungsverzögerungen. Panasonic ist es gelungen, kostengünstige und austauschbare Glas-Thermistoren aus sehr stabilen Präzisions-NTC-Chips herzustellen. Diese weisen eine hohe Langzeit-Zuverlässigkeit und -Stabilität auf, selbst wenn sie rauen Umgebungen und schwierigen thermischen Bedingungen ausgesetzt sind. Durch den Brennprozess schmelzen die Glaskomponenten der Außenelektrode und bilden eine hochisolierende Schicht an der Grenzfläche zwischen Keramik und externer Elektrode per chemischer Reaktion. Die Technologie der Elektrodenformung verstärkt die Haftfestigkeit der Elektrodenbeschichtung.

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Diese hochisolierende Schicht bietet wesentliche Vorteile (Abb. 3): Der Widerstand zwischen dem linken und dem rechten Anschluss setzt sich zusammen aus R1, R2 und R3. Durch externe Faktoren wie Reflow-Löten, äußere Umgebung und Atmosphäre ändern sich R2 und R3, außerdem ändert sich der Widerstand zwischen den Klemmenwiderständen. Bei einem Wetterbeständigkeitstest erhöhen sich R2 und R3 im Allgemeinen. Der Multilayer Chip NTC-Thermistor verhält sich unempfindlich gegenüber Widerstandsänderungen von R2 und R3, da er eine hochohmige Schicht an der Schnittstelle der Halbleiter-Keramiken und Substratelektroden bildet. Somit fällt die Widerstandsänderung durch Reflow-Löten und raue Umgebungsbedingungen gering aus und es ist eine sehr exakte Temperaturerfassung über einen langen Zeitraum hinweg möglich.

Abb. 3: Aufbau der hochisolierenden Schicht beim NTC-Thermistor von Panasonic.
Abb. 3: Aufbau der hochisolierenden Schicht beim NTC-Thermistor von Panasonic.
(Bild: Panasonic)

Diese Eigenschaften machen den Multilayer Chip NTC-Thermistor zu einem ausgezeichneten Temperaturmessgerät, das präzise Genauigkeit bei den Messwerten liefert. Denn die negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstands (ca. -5 %/°C) sind zehnmal größer als die von Metallen und etwa fünfmal größer als bei Silikon-Temperatursensoren. Aufgrund ihrer einheitlichen Abmessungen und ihrer axialen Anschlusskonfiguration eignen sie sich besonders für den Einsatz in der automatischen Bestückung.

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Batteriemanagement für Li-Ionen-Akkus

NTC-Thermistor-Temperatursensoren stellen eine Schlüsselkomponente für das Laden und die Sicherheit von Lithium-Ionen-Akkus dar. Sie liefern kritische Temperaturdaten, die erforderlich sind, um den Akku während des Ladezyklus in einem optimalen Zustand zu halten. In sogen. Batteriemanagementsystemen erkennen sie den Temperaturanstieg der Batterie während des Ladevorgangs und verhindern durch ein sorgfältiges Temperaturmanagement etwaige Gefahrenquellen für den Li-Ionen-Akku. Während eine zu niedrige Batterietemperatur die Laderate verlangsamt, stellt eine zu hohe Temperatur eine Gefährdung dar. In der Regel erhöhen Li-Ionen-Akkus während des Ladevorgangs für zwei bis drei Stunden ihre Temperatur um 5 °C. Dieser Temperaturanstieg ist aufgrund der chemischen Reaktion, die während des Ladezyklus auftritt, normal. Um Gefährdungen zu vermeiden, darf die Batterietemperatur während des Vorgangs nicht um mehr als 10 °C steigen. Zudem verlängert ein Einhalten des richtigen Temperaturbereichs die Lebensdauer der Batterie. (Abb. 4)

Abb. 4: Anwendungsbeispiel eines NTC-Thermistors im Batteriemanagementsystem.
Abb. 4: Anwendungsbeispiel eines NTC-Thermistors im Batteriemanagementsystem.
(Bild: Panasonic)

LED-Beleuchtung und Smart Meter

Auch beim Einsatz in LED-Beleuchtungen besitzen NTC-Thermistoren eine wichtige Aufgabe: Sie stellen sicher, dass der Betrieb der LEDs im angegebenen optimalen Temperaturbereich erfolgt und verlängern damit die Lebensdauer der Leuchtdioden. Denn bei Temperaturen unter 60 °C weisen diese grundsätzlich eine höhere Lebensdauer auf. Zudem vermeiden die Thermistoren das Risiko eines Leistungsabfalls und verhindern eine Verringerung des Lichtstroms (Lumen). Auch Farbverschiebungen beugen sie vor. Einen weiteren Vorteil stellt die bessere Effizienznutzung dar: NTCs erhöhen die Effizienz jeder einzelnen LED, wodurch sich die Gesamtzahl der LEDs in Beleuchtungsapplikationen um bis zu 25 % verringern lässt. Dies bietet weitere Möglichkeiten für noch optimalere Designs. (Abb. 5)

Abb. 5: Spannungskontrolle bei hohen Temperaturen: NTCs erhöhen die Effizienz von LEDs und erlauben damit ein Reduzieren der Stückzahl.
Abb. 5: Spannungskontrolle bei hohen Temperaturen: NTCs erhöhen die Effizienz von LEDs und erlauben damit ein Reduzieren der Stückzahl.
(Bild: Panasonic)

Smart Meter zählen ebenfalls zu den Einsatzbereichen von NTC-Thermistoren. Hier finden die NTCs in einem Spannungsteiler zum Messen der Temperatur Verwendung. Gefährdungen durch abnormale Temperaturen lassen sich damit reduzieren und die Wartungskosten verringern sich durch den drahtlosen Zugang und den vorhandenen Zähler erheblich.

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Den passenden NTC-Thermistor finden

Den Bedarf an NTC-Thermistoren für die unterschiedlichsten Anwendungsbereiche deckt Schukat mit den Baureihen von Panasonic ab: die Automotive-Serie (AEC-Q200-zertifiziert), die Industrie-Serien mit Standard-Toleranz von 3 bzw. 5 % sowie mit begrenzter Toleranz von 1 bzw. 2 %, sowie die Consumer-Serie. Auch kleine Gehäusegrößen, die sich für hoch verdichtete Bestückungen eignen, sind erhältlich. Die Thermistoren im SMD-Gehäuse sind in einer Vielzahl an B-Werten und Widerstandswerten verfügbar. Zudem zeichnet sich das Portfolio durch eine breite Aufstellung des Widerstandstemperaturkoeffizienten (B-Wert) und des Widerstandswerts, sowie durch zuverlässige Multilayer, eine monolithische Struktur, das einzigartige Elektrodendesign und einen Temperaturarbeitsbereich von -40 bis 150 °C aus.

Bei Fragen zu den Widerständen und bei der Suche nach dem passenden NTC-Thermistor für die jeweilige Anwendung unterstützt und berät das Vertriebsteam von Schukat. Die Produkte sind bei dem Distributor ab Lager verfügbar.

* Annette Landschoof, Produktmanagerin Schukat Electronic

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