Bei der Auswahl eines NTC-Thermistors zu berücksichtigende Punkte

Thermistoren mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) dienen als hochpräzise Temperatursensorelemente für verschiedene Automobil-, Industrie-, Haushaltsgeräte- und medizinische Anwendungen. Da ein breites Spektrum an NTC-Thermistoren verfügbar ist – mit unterschiedlichen Designs und aus verschiedenen Materialien – kann die Auswahl des optimalen NTC-Thermistors für bestimmte Anwendungen eine Herausforderung sein. In diesem Artikel werden NTC-Thermistortypen und ihre kritischen Leistungskriterien untersucht und Ratschläge zur Auswahl des geeigneten Geräts für eine bestimmte Anwendung gegeben.

Es gibt drei Haupttemperatursensortechnologien, von denen jede ihre eigenen Eigenschaften hat: Widerstandstemperaturdetektoren (RTD) und zwei Arten von Thermistoren, Thermistoren mit positivem und negativem Temperaturkoeffizienten. RTD-Sensoren werden hauptsächlich zur Messung großer Temperaturbereiche verwendet und sind aufgrund der Verwendung reiner Metalle tendenziell teurer als Thermistoren.

Da Thermistoren die Temperatur mit der gleichen oder einer höheren Genauigkeit messen, werden sie daher normalerweise RTDs vorgezogen. Wie der Name schon sagt, steigt der Widerstand von Thermistoren mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) mit steigender Temperatur. Sie werden häufig als Temperaturgrenzwertsensoren in Absperr- oder Sicherheitskreisen eingesetzt, da bei Erreichen der Schalttemperatur der Widerstand ansteigt. Thermistoren mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) hingegen verringern ihren Widerstand, wenn die Temperatur steigt. Die Beziehung zwischen Widerstand und Temperatur (RT) ist eine abgeflachte Kurve, wodurch sie für die Temperaturmessung äußerst genau und stabil ist.

NTC-Thermistoren sind hochempfindlich und messen die Temperatur mit hoher Genauigkeit (±0,1 °C), was sie zur idealen Technologie zur Temperaturmessung in einer Vielzahl von Anwendungen macht. Die Wahl des zu spezifizierenden Typs hängt jedoch von einigen Kriterien ab – Temperaturbereich, Widerstandsbereich, Messgenauigkeit, Umgebung, Reaktionszeit und Maßanforderungen.

Mit Epoxidharz beschichtete NTC-Elemente zeichnen sich durch eine robuste Konstruktion aus und messen typischerweise Temperaturen zwischen -55 °C und +155 °C, während glasummantelte NTC-Elemente bis zu +300 °C messen können. Für Anwendungen, bei denen eine extrem schnelle Reaktionszeit erforderlich ist, sind glasgekapselte Elemente die geeignetere Wahl. Außerdem sind sie kompakter und haben einen Durchmesser von bis zu 0,8 mm.

Es ist wichtig, die Temperatur des NTC-Thermistors an die des Bauteils anzupassen, das die Temperaturänderung verursacht. Sie sind daher nicht nur in herkömmlicher bleihaltiger Ausführung erhältlich, sondern auch in Schraubgehäusen zur Befestigung an Kühlkörpern zur Oberflächenmontage.

Neu auf dem Markt sind völlig bleifreie (Chip und Element) NTC-Thermistoren, die die strengeren Anforderungen der bevorstehenden RoSH2-Richtlinie erfüllen.

Der Verlustfaktor ist definiert als das Verhältnis der Änderung der Verlustleistung und der daraus resultierenden Änderung der Körpertemperatur des Thermistors. Sie wird in mW/K ausgedrückt und dient als Maß für die Belastung, die dazu führt, dass ein Thermistor im stationären Zustand seine Körpertemperatur um 1 K erhöht. Je höher der Verlustfaktor, desto mehr Wärme wird vom Thermistor an seine Umgebung abgegeben.

Da die Leitungslänge und das Material, das Kapselungsmaterial sowie die Montage und der Zusammenbau jeweils den Verlustfaktor bestimmen, wird empfohlen, Prototypen in einer „realen“ Umgebung zu testen. Diese Tests bestimmen den maximal zulässigen Eingangsstrom, um einen vernachlässigbaren Selbsterwärmungsfehler im Inneren des Thermistors bei maximaler Mess-/Regeltemperatur sicherzustellen. Es besteht jedoch ein empfindliches Gleichgewicht zwischen dem angelegten Strom und der angelegten Leistung, die so niedrig wie möglich sein muss, um die Systemempfindlichkeit zu maximieren.

NTC-Sensorelemente und -Systeme werden in den unterschiedlichsten Bereichen, insbesondere im Automobilbereich, eingesetzt. Typische Anwendungen sind beheizbare Lenkräder und Sitze sowie anspruchsvolle Klimatisierungssysteme. Thermistoren werden in Abgasrückführungssystemen (AGR), Luftansaugkrümmersensoren (AIM) sowie Temperatur- und Krümmerabsolutdrucksensoren (TMAP) eingesetzt und decken einen weiten Betriebstemperaturbereich mit hoher Stoß- und Vibrationsfestigkeit, hoher Zuverlässigkeit und langer Lebensdauer ab -Laufzeitstabilität. Hier ist die globale Norm AEC-Q200 für Spannungsfestigkeit zwingend erforderlich, wenn der Thermistor in Automobilanwendungen eingesetzt wird.

In Elektro- und Hybridfahrzeugen werden NTC-Sensoren zur Batteriesicherheit, zur Überwachung der elektrischen Antriebswicklung und des Ladestatus eingesetzt. Das Kältemittelkühlsystem, das die Batterie kühlt, ist mit der Klimaanlage verbunden.

Die Temperaturerfassung und -steuerung in Haushaltsgeräten deckt einen weiten Temperaturbereich ab. In Wäschetrocknern beispielsweise ermitteln Temperatursensoren die Temperatur der in die Trommel einströmenden Heißluft und auch der abgelassenen Luft beim Verlassen der Trommel. Beim Kühlen und Gefrieren messen NTC-Sensoren die Temperatur im Kühlraum, schützen vor Vereisung im Verdampfer und erfassen die Umgebungstemperatur. In Kleingeräten wie Bügeleisen, Kaffeemaschinen und Wasserkochern werden Temperatursensoren zur Sicherheit und zur Verbesserung der Energieeffizienz eingesetzt. Ein weiteres bedeutendes Marktsegment sind Heizungs-, Lüftungs- und Klimageräte (HVAC).

Der Bereich Medizinelektronik verfügt über ein breites Spektrum an Geräten für die stationäre, ambulante und sogar häusliche Pflege. NTC-Thermistoren werden als Temperatursensorkomponenten in medizinischen Geräten verwendet.

Beim Aufladen kleiner mobiler medizinischer Geräte ist es wichtig, die Betriebstemperatur von Akkus ständig zu überwachen. Dies liegt daran, dass die bei der Überwachung verwendeten elektrochemischen Reaktionen größtenteils temperaturabhängig sind und eine schnelle und genaue Analyse von entscheidender Bedeutung ist.

Kontinuierliche Glukoseüberwachungspflaster (GCM) überwachen den Blutzuckerspiegel bei Diabetespatienten. Hier werden NTC-Sensoren zur Temperaturmessung eingesetzt, da diese die Ergebnisse beeinflussen.

Bei der CPAP-Therapie (Continuous Positive Airway Pressure) wird ein Gerät verwendet, um einer Person mit Schlafapnoe zu helfen, im Schlaf leichter zu atmen. Ebenso übernehmen mechanische Beatmungsgeräte bei schweren Atemwegserkrankungen wie COVID-19 die Atmung des Patienten, indem sie sanft Luft in seine Lungen drücken und Kohlendioxid entfernen. In beiden Fällen sind glasgekapselte NTC-Sensoren in den Luftbefeuchter, den Atemwegstubus und den Lufteinlass integriert, um die Lufttemperatur zu messen und sicherzustellen, dass sich der Patient wohlfühlt.

Die jüngste Pandemie erhöht die Anforderungen an eine höhere Empfindlichkeit und Genauigkeit von NTC-Sensoren mit Langzeitstabilität. Für neue Virentester gelten strenge Anforderungen an die Temperaturkontrolle, um sicherzustellen, dass die Reaktion zwischen Probe und Reagenz konsistent ist. Es gibt auch Systeme zur Überwachung der Körpertemperatur, die in Smartwatches integriert sind, um vor möglichen Krankheiten zu warnen.

Einzigartig ist, dass die im NTC-Portfolio von TDK verwendeten Materialien und Technologien im eigenen Haus entwickelt werden.

Hochgradig kundenspezifische Thermistoren werden entsprechend der Anwendung entworfen und entwickelt; TDK unterstützt das gesamte Konzept vom Design bis zur Massenproduktion. Dieser End-to-End-Prozess umfasst Konzeptüberprüfungen neuer Designs, Konstruktions- und 3D-Zeichnungen, 3D-Modellierung, Computersimulationen, Werkzeugbau und Prototyping einschließlich 3D-Druck, Tests und Validierung gemäß kundenspezifischer Spezifikationen.

Der Entstehungsprozess wird durch verschiedene Standorte mit mehreren Produktionsstätten weltweit unterstützt.

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