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Halbleiter und Thermistoren

Die Gruppe der Halbleiter umfasst Motorschutzkaltleiter (PTC), Heißleiter (NTC) sowie Silizium Sensoren (KTY). Ihre charakteristischen Merkmale sind sehr verschieden, wodurch sie sich für unterschiedlichste Messaufgaben verwenden lassen. Sie sind prädestiniert für die thermische Überwachung elektrischer Maschinen insbesondere von Grenztemperaturen.

Technische Informationen zu Halbleitern und Thermistoren

Auf einen Blick

  • Temperaturbereich -20 °C … +180 °C
  • Nennansprechtemperaturen (NAT) von + 60 °C … + 190 °C
  • Durchmesser < 3 mm
  • Unterbrechen die Stromzufuhr bei einer genau definierten Bezugstemperatur
  • positiver Temperaturkoeffizienten mit sprunghafter Kennliniencharakteristik
  • Konfektionierung mit Schrumpfschlauch, Metall- oder Keramikhülse

Anwendung

  • Elektromotoren, Transformatoren, Generatoren
  • Werkzeugmaschinen
  • Maschinenlager
  • Leistungshalbleiter
  • Kühlkörpern
  • Heizgeräte
  • Elektronik
  • Netzgeräte / Vorschaltgeräte
  • Batteriemanagement

Branchen

  • Antriebstechnik
  • Maschinen- und Anlagenbau
  • Energieerzeugung
  • Sanitär-, Heizungs- und Klimatechnik
  • Haustechnik

Auf einen Blick

  • Temperaturbereich -40 °C … +230 °C
  • KTY-Baureihen 83-xxx und 84-xxx
  • mit patentiertem ESD-Schutzelement
  • abgekündigte Originalteile des Herstellers weiterhin lieferbar

Anwendung

  • Elektromotoren
  • Transformatoren
  • Generatoren
  • Frequenzumrichter

Branchen

  • Antriebstechnik
  • Maschinen- und Anlagenbau
  • Energieerzeugung

Technische Informationen zu Halbleitern und Thermistoren

Allgemein

Die Gruppe Halbleiter und Thermistoren gliedert sich in PTC Kaltleiter, NTC Heißleiter sowie KTY-Sensoren. Bei Halbleitern liegt die elektrische Leitfähigkeit zwischen der von elektrischen Leitern und der von Nichtleitern. Als Thermistor wird ein elektrischer Widerstand bezeichnet, dessen Wert sich mit der Temperatur reproduzierbar ändert (THERMally-sensitive resISTOR). Thermistoren unterteilen sich in ihrem Temperaturverhalten in zwei Gruppen. In Heißleiter, die über einen negativen Temperaturkoeffizienten (NTC) verfügen und im heißen Zustand besser als im kalten Zustand elektrisch leiten und in Kaltleiter, die über einen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) verfügen und im kalten Zustand besser elektrisch leiten.

Verwendung

Grundsätzlich eignen sich KTY, sowie PTC- und NTC-Halbleiter Thermistoren als Temperaturfühler für viele Messaufgaben. Abhängig von ihren Charakteristika werden sie zur Temperaturmessung oder als Übertemperaturschutz wie auch zur Strombegrenzung bei elektrischen Geräten eingesetzt. Motorschutzkaltleiter eigenen sich besonders zur Überwachung vorbestimmter Grenztemperaturen. Unter Verwendung dieser Kaltleitertypen und einem dazu passenden Auslösegerät lässt sich ein zuverlässiger Überhitzungsschutz realisieren. Mittels KTY-Sensoren und NTC Heißleitern lässt sich für viele Fälle eine preiswerte punktuelle Temperaturmessung mit ausreichender Genauigkeit realisieren. Heißleiter werden vorwiegend dort eingesetzt, wo über einen weiten Temperaturbereich eine Widerstandsmessung erfolgen soll. Anwendung finden diese Sensoren in der Automatisierungstechnik, an elektronischen Bauteilen oder Baugruppen, in der Medizintechnik sowie im Elektromaschinen- und Anlagenbau. Aufgrund ihrer Miniaturausführung sind sie besonders zum Einbau in die engen Kupferwicklungen von Niederspannungsmotoren prädestiniert.

Funktionsprinzip

Kaltleiter sind keramische Widerstände (z. B. aus Bariumtitanat BaTiO3), die bei geringen Temperaturen eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, bei hohen Temperaturen eine niedrige. Sie besitzen somit einen positiven Temperaturkoeffizenten (PTC – postive temperature coefficient). Im Gegensatz zu metallischen Widerständen (z.B. Pt100) und Siliziumsensoren (KTY) ist ihr Kennlinienverlauf allerdings nicht linear mit der Temperatur. Es gibt eine materialabhängige Sprungtemperatur, ab der sich der Widerstandswert exponentiell erhöht. Sie eignen sich daher nicht für Messaufgaben, sondern werden vorwiegend für Überwachungsaufgaben eingesetzt. Die Klassifizierung von PTC-Sensoren erfolgt über die sogenannte Nennansprechtemperatur (NAT). Sie bezeichnet den Temperaturwert, bei der das nachgeschaltete Auslösegerät innerhalb des Toleranzbereiches (Bezugstemperatur NAT ± 5 K) anspricht. Für die richtige Auswahl des PTC Thermistors muss seine NAT inkl. Toleranz so gewählt werden, dass sie der maximal zulässigen Betriebstemperatur des Motors entspricht. PTCs lassen sich auch in verschiedenen Nennansprechtemperaturen in einem Messkreis in Reihe schalten. Dadurch können unterschiedliche Temperaturbereiche einer Maschine überwacht werden.  Auch die Verwendung von zwei Messkreisen mit verschiedenen NATs ist denkbar wenn man z. B. an einem Motor eine Kombination aus Vorwarnung und Abschaltung realisieren möchte.

Siliziumsensoren der KTY-Baureihe mit einer Halbleiterschicht sind kostengünstiger in der Herstellung und waren früher ein preiswerter Ersatz für Platin-Messwiderstande. Der Toleranzbereich bei Referenztemperatur liegt je nach Ausführung zwischen 1 % und 5 %, was verglichen mit einem Pt100 relativ ungenau ist. Sie müssen deshalb durch Kalibrierung linearisiert werden. Für viele Anwendungszwecke, wie z. B. im Motorschutz von kleineren elektrischen Maschinen, ist dies jedoch völlig ausreichend, weswegen sie sich am Markt besonders beim Betrieb von Frequenzumrichtern durchgesetzt haben.

Beim Handling oder bei der Verarbeitung von KTY-Sensoren ist zwingend zu beachten, dass diese gegen elektrostatische Aufladungen empfindlich sind und hierdurch in ihrem Langzeitverhalten geschädigt werden können. Zudem muss darauf geachtet werden, dass es sich bei KTY-Sensoren um gepolte Bauelemente handelt, am Basiselement ist deshalb die Kathode mit einem schwarzen Farbring gekennzeichnet. Zur Vermeidung von Fehlmessungen darf beim Anschließen des Bauteils die Polung nicht verwechselt werden. Die von EPHYMESS konfektionierten Sensoren basieren auf den KTY-Baureihen 83 und 84;  der Unterschied liegt in den Toleranzfeldern und in der Bezugstemperaturangabe des Nennwiderstandes von 1000 Ohm bei +25°C (KTY 83) bzw. +100°C (KTY 84).

Bei einem Heißleiter handelt es sich nach DIN 44070 bzw. IEC 60593 um einen temperaturabhängigen Halbleiterwiderstand mit negativen Temperaturkoeffizienten NTC (Negative Temperature Coeffizient).  Ihr Widerstandswert nimmt mit steigender Temperatur ab, d.h. bei steigenden Temperaturen leiten sie den elektrischen Strom besser als bei tiefen. Der negative Temperaturkoeffizient liegt bei etwa -2 bis -6% pro Kelvin und ist damit etwa zehnmal größer als bei den Metallen. Neben der Toleranz des Widerstand-Grundwertes auch noch die Toleranz der Kennliniensteilheit (der sogenannte B-Wert) zu beachten. Aufgrund unterschiedlicher Keramik-Rezepturen sowie  unterschiedlicher Prozessbedingungen in der Herstellung können Heißleiter verschiedener Hersteller so gut wie nie verglichen oder gar ausgetauscht werden. Da aufgrund der vorgenannten Bedingungen eine Vielfalt an möglichen Ausführungen / Kennlinien besteht, ist aus wirtschaftlichen Gründen ein Heißleitereinsatz meist bei Serienmengen von mindestens 500 Stück in Erwägung zu ziehen.