Heißleiter: Funktion und Einsatzbereiche
Heißleiter sind elektronisch leitende Bauteile, deren Widerstand bei steigender Temperatur sinkt. Sie dienen unter anderem der Temperaturmessung und kommen auch in Heizungsanlagen zum Einsatz. Wir erklären, wie die kleinen Bauteile funktionieren, was bei ihrer Verwendung zu beachten ist und welche Anwendungsgebiete infrage kommen.
Aufbau und Funktion der Heißleiter
Heißleiter oder Thermistoren sind Widerstände, die Strom bei steigenden Temperaturen besser leiten. Sie haben einen negativen Temperaturkoeffizienten und heißen daher auch NTC-Widerstände (engl.: negative temperature coefficient). Grundlage der Heißleiter ist die Tatsache, dass sich bei steigenden Temperaturen mehr Elektronen aus den Kristallbindungen lösen und der Strom dann besser fließt.
Herstellen lassen sich die kleinen Bauteile aus verschiedenen Halbleiterwerkstoffen. Das sind Materialien, deren elektrische Leitfähigkeit grundsätzlich zwischen der von elektrischen Nichtleitern und Leitern steht.
Zum Einsatz kommen mit Bindemitteln versetzte, gepresste oder gesinterte Metalloxide von Eisen, Kobalt, Kupfer, Mangan, Nickel oder Titan. In der Vergangenheit war auch die Herstellung der Heißleiter aus Urandioxid üblich.
Wie Heißleiter auf unterschiedliche Temperaturen reagieren, hängt grundsätzlich von der Materialzusammensetzung ab. Gemeinsam haben alle Arten dabei, dass:
• bei steigenden Temperaturen der Widerstand sinkt und der Stromfluss zunimmt
• bei sinkenden Temperaturen der Widerstand steigt und der Stromfluss abnimmt
Durch ein unterschiedliches Mischungsverhältnis der einzelnen Oxide, die Dotierung mit Metalloxiden oder verschiedene Herstellungsprozesse lässt sich das elektrische Verhalten der Bauteile anpassen. So kann die Widerstandskurve je nach Anforderung sehr flach oder sehr steil abfallen.
Kennwerte und Eigenschaften der Heißleiter
Relevant für die Auswahl der Thermistoren (NTC-Widerstände) ist der Widerstand im kalten Zustand. Dieser liegt bei bis zu 10 Megaohm und wird für 25 °C mit einem „R“ und dem Index für die Temperatur angegeben. Ein Heißleiter mit der Aufschrift R25 = 20 k hat also einen Nennwiderstand von 20 Kilo-Ohm bei einer Temperatur von 25 °C. Wichtig ist außerdem der sogenannte Widerstandstemperaturkoeffizient (auch alpha-Wert). Dieser gibt die prozentuale Änderung des Widerstands bei einem Grad Celsius an.
Bei der Auswahl der Heißleiter sind darüber hinaus folgende Kennwerte zu berücksichtigen:
• die höchst mögliche Betriebstemperatur
• die höchst mögliche Leistungsaufnahme
• der Dissipations- oder Verlustleistungsfaktor (gibt an, wie viel Wärme nötig ist, um den NTC-Widerstand um ein Grad Celsius zu erwärmen)
• die thermale Zeitkonstante (gibt an, wie lange der Heißleiter benötigt, um sich ohne Leistungsaufnahme auf 63,2 Prozent der Temperatur in einer neuen Umgebung zu erwärmen)
• die Slope-Kennlinie (zeigt das Widerstandverhältnis des Thermistors zwischen zwei Temperaturpunkten; häufig zwischen 0 und 70 °C)
• die Beta-Wert-Konstante (Kennzeichen für die Charakteristik zwischen zwei Widerstandswerten; dient der Berechnung von Widerstandswerten bei bestimmten Temperaturen)
Einsatzbereiche der Heißleiter in der Praxis
Aus den speziellen Eigenschaften der NTC-Widerstände ergeben sich in der Praxis vielfältige Einsatzbereiche. So eignen sich die Bauteile zum Beispiel als Temperaturfühler , wenn Hausbesitzer ihre Heizung steuern möchten. Sie kommen darüber hinaus zur Temperaturkompensation in elektronischen Schaltungen oder auch zum Begrenzen der Einschaltströme elektrischer Geräte infrage.
Grundsätzlich sind Thermistoren dabei für Temperaturbereiche von -80 bis + 250 °C geeignet.