Thermistor

Ein Thermistor ist ein Festkörperwiderstand aus einem Halbleitermaterial, meist Metalloxidkeramik, dessen elektrischer Widerstand sich mit der Temperatur stark verändert. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Widerständen, die über einen großen Temperaturbereich stabil bleiben, sind Thermistoren so ausgelegt, dass sie auf kleine Temperaturänderungen deutlich reagieren. Das macht sie zu brauchbaren Temperatursensoren und thermischen Kompensatoren in Schaltungen. Die Widerstandsänderung verläuft nicht linear, sondern folgt einer vorhersehbaren Kurve, die sich mathematisch beschreiben lässt.

Es gibt zwei Haupttypen: NTC-Thermistoren (Negative Temperature Coefficient) verringern ihren Widerstand bei steigender Temperatur, während PTC-Thermistoren (Positive Temperature Coefficient) ihren Widerstand mit der Wärme erhöhen. NTC-Thermistoren dominieren die industriellen Anwendungen, weil ihre Empfindlichkeit größer ist. Ein NTC-Kugelthermistor kann etwa von 100 kΩ bei 25 °C auf 1 kΩ bei 100 °C fallen. Typische Grundstoffe sind Manganoxid, Nickeloxid und Kobaltoxid, die zu einem Keramikstoff mit den gewünschten elektrischen Eigenschaften gesintert werden.

Thermistoren gibt es in mehreren Bauformen: Kugelthermistoren sind kleine Sinterperlen mit Drahtanschlüssen, Scheibenthermistoren sind flache Elemente zum Oberflächenmontieren, und Stab- oder Sondenthermistoren umhüllen das Element in einem Metall- oder Glasmantel für die Messung in Flüssigkeiten oder Gasen. Dünnschicht-Thermistoren auf Substraten bieten Genauigkeit und Reproduzierbarkeit für die Großserienfertigung. Die Ansprechzeit reicht von Millisekunden bei freiliegenden Kugeln in einem Gasstrom bis zu mehreren Sekunden bei geschützten Sonden in Thermalmassen.

Messung und Kompensationsaufgaben

Bei der Temperaturmessung wird ein Thermistor in eine Schaltung eingebaut, wo die sich ändernde Spannung oder der Strom von einem Analog-Digital-Wandler oder einem dedizierten Messgerät erfasst wird. Die Genauigkeit hängt davon ab, dass man die Kennlinie des Thermistors kennt, oft beschrieben durch die Steinhart-Hart-Gleichung, die Widerstand und absolute Temperatur verknüpft. Thermistoren sind billiger und schneller ansprechend als Widerstandsthermometer (RTD), aber ihr Temperaturbereich ist üblicherweise kleiner und die Langzeitstabilität über Jahrzehnte ist schlechter.

Thermistoren dienen auch als selbsttätige thermische Kompensatoren in Frequenzoszillatoren, Netzteilen und Audioverstärkern, wo sie Vorspannungsströme oder Bauteilwerte anpassen, um Temperaturdriften anderer Schaltungsteile auszugleichen. Ein kleiner PTC-Thermistor in Reihe mit einem Heizelement kann als selbstregelnde Heizung arbeiten: sein Widerstand steigt mit der Erwärmung und begrenzt so seinen eigenen Stromfluss. Ausfallarten sind Drift durch Alterung des Keramikmaterials, Risse durch Temperaturschocks oder mechanische Belastung sowie Unterbrechungen durch Korrosion der Anschlüsse oder Ermüdung der Lötstellen.