Kaltleiter: Funktion und Einsatzbereiche
Kaltleiter sind elektrische Widerstände, die Strom vor allem bei geringen Temperaturen gut leiten können. Erwärmen sich die Bauteile, steigt ihr Widerstand und weniger Strom fließt hindurch. Zum Einsatz kommen die Elemente zum Beispiel zur Temperaturmessung in Heizungsanlagen. Wie erklären, wie die Kaltleiter funktionieren, welche Arten es gibt und welche Einsatzbereiche infrage kommen.
Kaltleiter sind elektrische Bauteile, deren Widerstand mit der Temperatur zunimmt. Sie haben einen positiven Temperaturkoeffizienten und werden daher auch als PTC-Leiter oder PTC-Thermistoren (PTC für positive temperature coefficient) bezeichnet. Die Elemente bestehen aus winzigen Kristallen, an deren Grenzen sich beim Überschreiten einer bestimmten Temperatur Sperrschichten bilden. Die sogenannten Potanzialwälle stören den Fluss der freien Elektronen und sorgen für einen höheren elektrischen Widerstand. Grundsätzlich haben alle Metalle diese Eigenschaften. Bei eigens hergestellten Kaltleitern sind sie jedoch wesentlich ausgeprägter.
Die Art und Weise, auf die verschiedene Kaltleiter auf Temperaturänderungen reagieren, hängt von ihrer Zusammensetzung ab. Gemeinsam haben die unterschiedlichen Arten dabei, dass:
• bei geringen Temperaturen der Widerstand klein ist und der Strom besser fließt
• bei hohen Temperaturen der Widerstand groß ist und der Strom schlechter fließt
Durch unterschiedliche Ausgangsmaterialien lassen sich die Eigenschaften der PTC-Thermistoren optimal an verschiedene Einsatzbereiche anpassen. Infrage kommen dabei Kaltleiter auf Basis von dotiertem Silizium, Platin oder Mischungen aus Barium, Titan und anderen Materialien. In Bezug auf die Widerstandskurve sind Bauteile mit linearen und nichtlinearen Kennlinien erhältlich.
Geht es um die Auswahl der PTC-Thermistoren, müssen die Eigenschaften der Bauteile zum Einsatzbereich passen. Wichtig ist dabei unter anderem der Nennwiderstand, der den Widerstandswert bei einer Temperatur von 25 °C angibt. Dieser liegt üblicherweise in einem Bereich von wenigen Ohm bis zu mehreren Kilo-Ohm. Darüber hinaus kommt es auch auf die Temperaturabhängigkeit des Kaltleiters und den sogenannten Temperaturkoeffizienten an. Also darauf, wie stark sich der Widerstand bei verschiedenen Temperaturen verändert. Weiterhin sind folgende Kennwerte zu berücksichtigen:
• die möglichen Temperaturbereiche und die Ansprechtemperatur (Temperatur, bei der der steile Anstieg der Kennlinie beginnt und Temperaturänderungen messbar sind)
• die Belastbarkeit der Kaltleiter (gibt die maximal zulässige Verlustleistung bei einer bestimmten Temperatur an)
• die Spannungsbereiche der PTC-Thermistoren (zum Beispiel die maximale Betriebsspannung und die höchste Spannung, die das Bauteil aushalten kann, ohne seine Eigenschaften zu verlieren)
Durch die Eigenschaften der PTC-Widerstände ergeben sich heute verschiedenste Einsatzbereiche. So kommen sie zum Beispiel als Temperaturfühler zum Heizung steuern infrage. Eingesetzt werden dabei häufig Platin-Kaltleiter, deren Widerstand sich bei steigenden Temperaturen annähernd linear verändert. Darüber hinaus wirken PTC-Thermistoren auch als Niveaufühler in Flüssigkeitsbehältern. Hier kühlt ein Anstieg verschiedener Medien den eigenerwärmten PTC ab, wodurch mehr Strom fließt. Ein weiterer Anwendungsfall ist der Überstromschutz, wobei PTC-Thermistoren als Alternative zu Schmelzsicherungen infrage kommen. Ihr Vorteil ist hier die Reversibilität. Das heißt, dass sie bei sinkenden Temperaturen oder einer fallenden Stromstärke noch immer funktionieren, was bei Schmelzsicherungen nicht der Fall ist.