Um die Funktion und Anwendung des NTC-Temperatursensors zu verstehen, müssen wir zunächst wissen, was ein NTC-Thermistor ist.

Was sind NTC-Thermistoren?

Thermistor integriert in einer Edelstahlsonde
NTC steht für „Negativer Temperaturkoeffizient“. NTC-Thermistoren sind Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizienten, was bedeutet, dass der Widerstand mit steigender Temperatur abnimmt. Sie werden hauptsächlich als resistive Temperatursensoren und Strom begrenzung geräte verwendet. Der Temperaturempfindlichkeit koeffizient ist etwa fünfmal größer als der von Silizium temperatursensoren (Silistoren) und etwa zehnmal größer als der von Widerstand temperatur detektoren (RTDs). NTC-Sensoren werden typischerweise im Bereich von −55 bis +200 °C eingesetzt.

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NTC-Thermistor-Definition
Ein NTC-Thermistor ist ein wärmeempfindlicher Widerstand, bei dem der Widerstand einen großen, präzisen und vorhersagbaren Abfall zeigt, wenn die Kerntemperatur des Widerstands über den Betriebstemperaturbereich ansteigt.

Eigenschaften von NTC-Thermistoren
Im Gegensatz zu RTDs (Resistance Temperature Detectors), die aus Metallen bestehen, bestehen NTC-Thermistoren in der Regel aus Keramik oder Polymer. Unterschiedliche Materialien, die bei der Herstellung von NTC-Thermistoren verwendet werden, führen zu unterschiedlichen Temperatur reaktionen sowie anderen unterschiedlichen Leistungsmerkmalen.

Temperatur verhalten
Die meisten NTC-Thermistoren sind typischerweise für den Einsatz in einem Temperaturbereich zwischen -55 und 200 °C geeignet, wo sie ihre genauesten Messwerte liefern. Es gibt spezielle Familien von NTC-Thermistoren, die bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273,15 ° C) verwendet werden können, sowie solche, die speziell für den Einsatz über 150 ° C entwickelt wurden.

Die Temperatur empfindlichkeit eines NTC-Sensors wird als "prozentuale Änderung pro Grad C" oder "prozentuale Änderung pro Grad K" ausgedrückt. Abhängig von den verwendeten Materialien und den Besonderheiten des Produktionsprozesses reichen die typischen Werte der Temperatur empfindlichkeiten von - 3% bis -6% / °C.

Charakteristisch NTC Kurve
Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, weisen die NTC-Thermistoren im Vergleich zu RTDs aus Platinlegierung eine viel steilere Widerstands-Temperatur-Steigung auf, was sich in einer besseren Temperaturempfindlichkeit niederschlägt. Trotzdem bleiben RTDs die genauesten Sensoren mit einer Genauigkeit von ±0,5 % der gemessenen Temperatur, und sie sind im Temperaturbereich zwischen -200 und 800 °C nützlich, ein viel breiterer Bereich als der von NTC-Temperatursensoren.

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Vergleich zu anderen Temperatursensoren
Im Vergleich zu RTDs haben die NTC-Thermistoren eine kleinere Größe, eine schnellere Reaktion, eine höhere Stoß- und Vibrationsfestigkeit bei geringeren Kosten. Sie sind etwas weniger genau als RTDs. Die Genauigkeit von NTC-Thermistoren ähnelt der von Thermoelementen. Thermoelemente können jedoch sehr hohen Temperaturen (in der Größenordnung von 600 °C) standhalten und werden in diesen Anwendungen anstelle von NTC-Thermistoren verwendet. Trotzdem bieten NTC-Thermistoren bei niedrigeren Temperaturen eine höhere Empfindlichkeit, Stabilität und Genauigkeit als Thermoelemente und werden mit weniger zusätzlichen Schaltungen und daher zu geringeren Gesamtkosten verwendet. Die Kosten werden zusätzlich durch den Mangel an Bedarf für Signalaufbereitungs-ICs (Verstärker, Ebene Übersetzer, etc.) gesenkt, die erforderlich sind oft, wenn sie mit RTDs und immer benötigt für Thermoelemente handelt.

Selbsterhitzung effekt
Der Selbsterwärmung effekt ist ein Phänomen, das immer dann auftritt, wenn ein Strom durch den NTC-Thermistor fließt. Da der Thermistor im Grunde ein Widerstand ist, leitet er Leistung als Wärme ab, wenn ein Strom durch ihn fließt. Diese Wärme wird im Thermistorkern erzeugt und beeinflusst die Genauigkeit der Messungen. Inwieweit dies geschieht, hängt von der fließenden Strommenge, der Umgebung (ob Flüssigkeit oder Gas, ob der NTC-Sensor überströmt wird usw.), dem Temperaturkoeffizienten des Thermistors, der Gesamtmenge des Thermistors ab Bereich und so weiter. Die Umgebungsabhängigkeit des Widerstandes des NTC-Sensors und damit des durch ihn fließenden Stroms wird häufig bei Flüssigkeits-Präsenzmeldern, wie sie in Lagertanks vorkommen, ausgenutzt.

Wärmekapazität
Die Wärmekapazität stellt die Wärmemenge dar, die erforderlich ist, um die Temperatur des Thermistors um 1 °C zu erhöhen, und wird normalerweise in mJ/°C ausgedrückt. Die genaue Kenntnis der Wärmekapazität ist bei der Verwendung eines NTC-Thermistorsensors als Einschaltstrombegrenzung von großer Bedeutung, da er die Ansprechgeschwindigkeit des NTC-Temperatursensors definiert.

Kurvenauswahl und -berechnung
Der Auswahlprozess des Thermistors muss die Verlustkonstante, die thermische Zeitkonstante, den Widerstandswert, die Widerstands-Temperatur-Kurve und die Toleranzen des Thermistors berücksichtigen, um die wichtigsten Faktoren zu nennen.

Da die Beziehung zwischen Widerstand und Temperatur (die R-T-Kurve) stark nichtlinear ist, müssen in praktischen Systemdesigns bestimmte Näherungen verwendet werden.

Näherung erster Ordnung
Eine Näherung und die am einfachsten zu verwendende ist die Näherung erster Ordnung, die besagt:
ΔR=k⋅ΔT


Dabei ist k der negative Temperaturkoeffizient, ΔT die Temperaturdifferenz und ΔR die aus der Temperaturänderung resultierende Widerstandsänderung. Diese Näherung erster Ordnung gilt nur für einen sehr engen Temperaturbereich und kann nur für solche Temperaturen verwendet werden, bei denen k über den gesamten Temperaturbereich nahezu konstant ist.

Beta-Formel
Eine andere Gleichung liefert zufriedenstellende Ergebnisse, die im Bereich von 0 bis +100°C auf ±1 °C genau ist. Sie hängt von einer einzigen Materialkonstante β ab, die durch Messungen erhalten werden kann. Die Gleichung kann geschrieben werden als:

Auswahl der richtigen Näherung
Die Wahl der Formel zur Ableitung der Temperatur aus der Widerstandsmessung muss sich an der verfügbaren Rechenleistung sowie den tatsächlichen Toleranz anforderungen orientieren. In manchen Anwendungen reicht eine Näherung erster Ordnung mehr als aus, in anderen erfüllt nicht einmal die Steinhart-Hart-Gleichung die Anforderungen und der Thermistor muss Punkt für Punkt kalibriert werden, wobei eine Vielzahl von Messungen durchgeführt und eine Lookup-Tabelle erstellt werden muss .

Aufbau und Eigenschaften von NTC-Thermistoren
Typische Materialien für die Herstellung von NTC-Widerständen sind Platin, Nickel, Kobalt, Eisen und Siliziumoxide, die als reine Elemente oder als Keramiken und Polymere verwendet werden. NTC-Thermistoren können je nach verwendetem Herstellungsverfahren in drei Gruppen eingeteilt werden.