Thermistoren sind Halbleiterbauelemente, die bei einer geringen Temperaturänderung eine große Widerstandsänderung aufweisen. Der Begriff Thermistor leitet sich von „thermisch empfindlicher Widerstand“ ab und spiegelt die Funktionsweise dieser Sensoren wider: Ihr elektrischer Widerstand ändert sich in direkter Abhängigkeit von der Temperatur.
Da selbst geringfügige Temperaturänderungen zu erheblichen Widerstandsänderungen führen, bieten Thermistoren eine außergewöhnliche Empfindlichkeit und Auflösung für industrielle, gewerbliche und wissenschaftliche Anwendungen.
Standard-Thermistoren haben eine Genauigkeit von etwa ± 1 ° C, während Spezialmodelle noch engere Toleranzen erreichen können. Neben ihrer Genauigkeit werden Thermistoren auch wegen ihrer schnellen Ansprechzeit geschätzt, die in der Regel durch eine „Zeitkonstante“ definiert wird, also die Anzahl der Sekunden, die der Sensor benötigt, um etwa 63 % einer plötzlichen Temperaturänderung zu registrieren. Diese Eigenschaften machen Thermistoren zu einer zuverlässigen und kostengünstigen Wahl für die Überwachung und Regelung der Temperatur in einem breiten Messbereich.
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Wie funktionieren Thermistoren?
Ein Thermistor ändert seinen elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von Temperaturänderungen. Thermistoren arbeiten nach einem von zwei Prinzipien: Negativer Temperaturkoeffizient (NTC) oder Positiver Temperaturkoeffizient (PTC). NTC-Thermistoren, bei denen der Widerstand mit steigender Temperatur abnimmt, sind häufiger anzutreffen und werden zur Temperaturmessung verwendet. PTC-Thermistoren, bei denen der Widerstand mit steigender Temperatur zunimmt, werden in erster Linie zum Schutz von Schaltkreisen eingesetzt.
Steinhart-Hart-Gleichung
Die Steinhart-Hart-Gleichung ist das allgemein anerkannte Modell zur Beschreibung des Zusammenhangs zwischen Widerstand und Temperatur eines Thermistors. Sie setzt den elektrischen Widerstand des Thermistorelements in Beziehung zu seiner absoluten Temperatur:
Wobei:
- T = Temperatur in Kelvin (K)
- R = Thermistorwiderstand bei einer Temperatur von T (Ohm, Ω)
- A, B, C = Steinhart-Hart-Koeffizienten, die vom Hersteller für einen bestimmten Messbereich angegeben werden
Toleranzkurven
Die Genauigkeitstoleranzen für Thermistor-Sensoren werden als Prozentsatz der Temperatur angegeben, eine Spezifikation, die auch als Austauschbarkeit bezeichnet wird. In der Praxis definiert eine Toleranzkurve die zulässige Abweichung zwischen dem tatsächlichen Widerstands-Temperatur-Verhalten des Thermistors und seiner Nennkurve. Das bedeutet, dass ein Thermistor mit einer engeren Toleranzkurve Messwerte liefert, die näher am erwarteten Wert liegen, ohne dass eine Kalibrierung erforderlich ist.
Die Toleranz wird in der Regel an einem Referenzpunkt, häufig 25 ° C, angegeben, wobei der Messbereich zwischen ± 0,1 ° C und ± 1,0 ° C liegt. Es ist jedoch zu beachten, dass sich die Toleranz im Allgemeinen vergrößert, je weiter sich die gemessene Temperatur vom Referenzpunkt entfernt. Beispielsweise kann ein Thermistor mit einer Nennungaußigkeit von ± 0,2 °C bei 25 °C ° C nur eine Genauigkeit von ± 0,5 ° C an den Extremen seines Messbereichs aufweisen. ° C accuracy at the extremes of its operating range.
Da Toleranzkurven die Austauschbarkeit darstellen, spielen sie eine entscheidende Rolle in Anwendungen, in denen Thermistoren ohne Neukalibrierung des Systems ausgetauscht oder ersetzt werden müssen. Engere Toleranzen ermöglichen eine größere Austauschbarkeit, was die Kosten der Wartung senken und die Konstruktion für Hersteller vereinfachen kann.
Aufbau und Materialien von Thermistoren
Thermistoren bestehen aus Halbleiter-Materialien, die so konzipiert sind, dass sie vorhersehbar auf Temperaturänderungen reagieren. Das Sensorelement besteht in der Regel aus einer Mischung aus Metalloxiden – wie Mangan, Nickel, Kobalt, Kupfer oder Eisen – in Kombination mit Bindemitteln und Stabilisatoren. Diese Verbindungen werden zu Perlen, Scheiben, Chips oder Wafern gepresst und anschließend bei hohen Temperaturen gesintert, um die gewünschten elektrischen Eigenschaften zu erzielen.
Nach der Formung wird das Thermistor-Element zum Schutz beschichtet. Epoxidbeschichtungen sind üblich für Anwendungen bei niedrigeren Temperaturen, in der Regel bis zu etwa 150 °C, während Glasbeschichtungen den Messbereich auf etwa 300 °C erweitern und eine höhere Beständigkeit gegen Feuchtigkeit, Korrosion und mechanische Beanspruchung bieten. ° C, while glass coatings extend the operating range to roughly 300 ° C and provide greater resistance to humidity, corrosion, and mechanical stress.
Thermistorkonfigurationen
Während das Messprinzip gleich bleibt, sind Thermistoren in einer Vielzahl von physikalischen Konfigurationen erhältlich, um den Anforderungen verschiedener Anwendungen gerecht zu werden. Einige gängige Konfigurationstypen sind:
Hermetisch versiegelte flexible Thermistoren
Umhüllt von Polymermänteln, um Feuchtigkeit, Ölen und Chemikalien zu widerstehen. Häufig in korrosiven oder flüssigen Umgebungen wie Industrieflüssigkeiten oder der Lebensmittelverarbeitung.
Anschraubbare Thermistoren
Werden in Gewindebohrungen eingebaut oder mit Standardbefestigungen gesichert. Die geringe thermische Masse ermöglicht eine schnelle Reaktion; ideal für Rohre, Tanks und Gerätegehäuse.
Selbstklebende Oberflächen-Thermistoren
Mit selbstklebender Rückseite zur direkten Anbringung auf flachen oder gekrümmten Oberflächen; beliebt in der Elektronik, in Haushaltsgeräten und kompakten Systemen.
Sonden-Thermistoren
Im Gehäuse aus Metall oder Polymer-Sonden untergebracht, um das Sensorelement abzuschirmen; geeignet für Tauchgänge, Außenumgebungen oder wiederholte Desinfektion.
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