Informations- und Kommunikationstechnik

Nichtlineare Widerstände - PTC und NTC

Die Strom-Spannungskennlinien der ohmschen Widerstände verlaufen im regulären Arbeitsbereich linear, wobei sich Strom und Spannung direkt proportional verhalten. Spezielle Widerstandswerkstoffe weisen eine große Temperaturabhängigkeit auf. Es gibt sie als Kaltleiter und Heißleiter. Kaltleiter aus gesinterter polykristalliner Titanat-Keramik oder Bariumtitanat mit Metalloxiden haben Temperaturkoeffizienten, die um den Faktor 10 bis 100 größer sind als bei den metallischen Kaltleitern. Die Strom-Spannungskennlinien verlaufen nicht mehr linear.

PTC-Widerstand

Die Kaltleiterwiderstände haben einen überwiegend positiven Temperaturbeiwert. Sie werden daher als PTC-Widerstände (PositiveTemperature Coefficient) bezeichnet. Das Diagramm zeigt das Schaltzeichen und die typische Widerstandskurve eines PTC-Widerstands Abhängigkeit von der Temperatur. Wegen des großen Widerstandsbereichs wird eine halb logarithmische Darstellung verwendet. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen ist der Temperaturbeiwert schwach negativ und der Widerstandswert nimmt mit steigender Temperatur zuerst etwas ab.

PTC-Diagramm

Bei der Anfangstemperatur δA mit dem Anfangswiderstandswert RA beginnt das PTC-Verhalten. Ab der Nenntemperatur δN beginnt der steile Verlauf der Widerstandskennlinie. Der zugehörige Nennwiderstandswert RN wird ebenso angegeben wie der Widerstandsendwert RE bei der höchst zulässigen Endtemperatur δE.

PTC-Widerstände haben eine höchst zulässige Betriebsspannung. Im Arbeitsbereich der Eigenerwärmung ist die Reihenschaltung von PTC-Widerständen verboten.

Liegt am PTC-Widerstand eine Betriebsspannung von ca. 1 V, so reicht die Verlustleistung noch nicht aus, um ihn zu erwärmen. Der PTC nimmt die Umgebungstemperatur an. Im Bereich der steilen Kennlinie kann er somit als Temperaturfühler betrieben werden.

PTC-Widerstände eignen sich zur Strombegrenzung und als träge sich selbst rückstellende Sicherungen. Bei richtiger Dimensionierung sind sie für den Dauereinsatz geeignet. Keramische PTC wie Bariumtitanat haben eine ausgeprägt nichtlineare Temperatur-Widerstands-Kennlinie. Sie werden zur Temperaturüberwachung bei Motoren eingesetzt, wo es erst zur Leistungsreduzierung und danach zur Abschaltung kommt. In CRT-Fernsehgeräten wurden sie zur Steuerung der automatischen Entmagnetisierung der Bildröhre eingesetzt. Damit die Entmagnetisierungsspule wirksam sein kann, verringert ein Doppel-PTC den anfangs hohen Entmagnetisierungstrom durch die eine PTC-Hälfte, die dann von der zweiten PTC-Scheibe heiß und hochohmig gehalten wurde.

NTC-Widerstand

Einige Mischkristalle aus verschiedenen Metalloxiden wie Eisenoxide und Titandioxid sind bei Raumtemperatur hochohmig. Mit zunehmender Temperatur verringert sich ihr Widerstandswert sehr schnell. Diese nichtlinearen Widerstände mit negativen Temperaturkoeffizienten sind NTC-Widerstände, Negative Temperature Coefficient oder Heißleiter. Die Wertänderungen der NTC-Widerstände liegen zwischen (3 ... 6) % / Kelvin. Das Diagramm zeigt das Schaltzeichen und die Widerstandskurve eines NTC Heißleiters in Abhängigkeit von der Temperatur.

NTC-Diagramm

Die wichtigsten Kenn- und Grenzdaten

R25 : der Kalt- oder Nennwiderstand bei 25°C
Pmax : die maximal erlaubte Belastung
R bei Pmax : der Widerstandswert bei maximaler Verlustleistung oder bei einer festgelegten Temperatur.
δmax : die maximale Betriebstemperatur
t : die Abkühlzeit, die ein bei Pmax betriebener NTC nach Abschaltung braucht, um seinen Widerstandswert zu verdoppeln.

Das folgende Nomogramm zeigt das typische Kennlinienfeld eines NTC-Widerstands. Dargestellt ist die Widerstandsfunktion. Sie wird auch stationäre Strom-Spannungskennlinie genannt. Eingezeichnet ist die Abhängigkeit UNTC = f (INTC) für drei Temperaturparameter δ (0°, 20° und 40°).

NTC-Nomogramm

Bei langsamer Stromerhöhung nimmt anfangs die Spannung proportional zu. Bei weiterem Stromanstieg erwärmt sich der Heißleiter infolge der an ihm auftretenden Verlustleistung. Sein Widerstandswert verringert sich dabei und die Spannung am NTC wird kleiner. Dabei nimmt die Verlustleistung ab und nach einiger Zeit stellt sich bei einem gewählten Strom- oder Spannungswert ein stationärer Zustand ein.

Im geradlinigen Anfangsbereich der Kennlinien reicht die am NTC umgesetzte Leistung noch nicht zur Eigenerwärmung aus. Der Heißleiter nimmt die Umgebungstemperatur an und kann in diesem Bereich der Fremderwärmung als Temperaturfühler oder Kompensationsheißleiter eingesetzt werden.

Mit zunehmender Eigenerwärmung nimmt der Widerstandswert ab. Der NTC kann in Zeitverzögerungsschaltungen eingesetzt werden und begrenzt hohe Einschaltstromspitzen. Wird er in Reihe mit einer Glühlampe oder dem Heizfaden einer Elektronenröhre geschaltet, so begrenzt der NTC den anfangs hohen Einschaltstrom des noch niedrigen ohmschen Widerstands des metallischen Kaltleiters eines Glühdrahts und erhöht so seine Lebensdauer. Ein Heißleiter eignet sich im Netzteil auch zur Begrenzung des anfänglich hohen Stroms für den Ladeelko und schützt so den Gleichrichter.

Heißleiter dürfen in Reihe aber nicht parallel geschaltet werden. Da ihre Toleranzen zu unterschiedlich sind, würde letztlich der sich am schnellsten erwärmende NTC den gesamten Strom übernehmen müssen.