Eine der häufigsten Arten von Temperatursensoren auf dem Markt ist der Thermistor, eine verkürzte Version eines "thermisch empfindlichen Widerstands". Thermistoren sind kostengünstige Sensoren, die sehr robust und robust sind. Der Thermistor ist der Temperatursensor der Wahl für Anwendungen, die eine hohe Empfindlichkeit und eine gute Genauigkeit erfordern. Thermistoren sind aufgrund ihres nichtlinearen Temperaturverhaltens auf Anwendungen im kleinen Betriebstemperaturbereich beschränkt.
Konstruktion
Thermistoren sind Zweidrahtkomponenten aus gesinterten Metalloxiden, die in verschiedenen Gehäusetypen erhältlich sind, um eine Vielzahl von Anwendungen zu unterstützen. Das gebräuchlichste Thermistorgehäuse ist eine kleine Glasperle mit einem Durchmesser von 0,5 bis 5 mm mit zwei Drähten. Thermistoren sind auch in oberflächenmontierbaren Gehäusen, Scheiben und in röhrenförmigen Metallsonden erhältlich. Die Glasperlen-Thermistoren sind ziemlich robust und robust, wobei der häufigste Ausfallmodus die Beschädigung der beiden Leitungsdrähte ist. Für Anwendungen, die einen höheren Grad an Robustheit erfordern, bieten die Thermistoren mit Metallrohrsonden-Sonden einen besseren Schutz.
Leistungen
Thermistoren haben mehrere Vorteile, darunter Genauigkeit, Empfindlichkeit, Stabilität, kurze Ansprechzeit, einfache Elektronik und geringe Kosten. Die Schaltung zur Verbindung mit einem Thermistor kann so einfach wie ein Pull-Up-Widerstand sein und die Spannung am Thermistor messen. Eine Thermistorreaktion auf die Temperatur ist jedoch sehr nichtlinear und sie werden oft auf einen kleinen Temperaturbereich abgestimmt, der ihre Genauigkeit auf das kleine Fenster begrenzt, sofern nicht Linearisierungsschaltungen oder andere Kompensationstechniken verwendet werden. Die nichtlineare Reaktion macht Thermistoren sehr empfindlich gegenüber Temperaturänderungen. Durch die geringe Größe und Masse eines Thermistors erhalten sie eine kleine thermische Masse, die es einem Thermistor ermöglicht, schnell auf eine Temperaturänderung zu reagieren.
Verhalten
Thermistoren sind mit einem negativen oder positiven Temperaturkoeffizienten (NTC oder PTC) erhältlich. Ein Thermistor mit einem negativen Temperaturkoeffizienten wird mit zunehmender Temperatur weniger widerstandsfähig, während der Widerstand eines Thermistors mit einem positiven Temperaturkoeffizienten mit zunehmender Temperatur zunimmt. Kaltleiter werden häufig in Reihe mit Bauteilen eingesetzt, bei denen Stromstöße Schäden verursachen können. Als Widerstandselemente erzeugen Thermistoren, wenn Strom durch sie fließt, Wärme, die eine Widerstandsänderung bewirkt. Da Thermistoren entweder eine Stromquelle oder eine Spannungsquelle benötigen, um zu funktionieren, ist die durch Selbstheizung verursachte Widerstandsänderung bei Thermistoren eine unvermeidliche Realität. In den meisten Fällen sind Selbsterwärmungseffekte minimal und eine Kompensation ist nur erforderlich, wenn eine hohe Genauigkeit erforderlich ist.
Betriebsarten
Thermistoren werden in zwei Betriebsmodi außerhalb des typischen Betriebsmodus für Widerstand gegen Temperatur verwendet. Der Spannungs-Strom-Modus verwendet den Thermistor in einem selbstheizenden, stationären Zustand. Dieser Modus wird häufig für Durchflussmesser verwendet, bei denen eine Änderung des Durchflusses eines Fluids über den Thermistor eine Änderung der vom Thermistor abfallenden Leistung, seines Widerstands und des Stroms oder der Spannung verursacht, abhängig von der Art der Ansteuerung. Ein Thermistor kann auch in einem Strom-über-Zeit-Modus betrieben werden, in dem der Thermistor einem Strom ausgesetzt ist. Der Strom bewirkt, dass sich der Thermistor selbst erwärmt, was den Widerstand im Fall eines NTC-Thermistors erhöht und einen Stromkreis vor einer Hochspannungsspitze schützt. Alternativ kann ein Kaltleiter in derselben Anwendung verwendet werden, um vor hohen Stromstößen zu schützen.
Anwendungen
Thermistoren haben ein breites Anwendungsspektrum, die häufigsten sind die direkte Temperaturerfassung und die Unterdrückung von Spannungsstößen. Die Eigenschaften von NTC- und PTC-Thermistoren eignen sich für folgende Anwendungen:
- Füllstandsanzeigen
- Temperaturkompensation
- Durchflussmessung
- Vakuum-Messgeräte
- Wärmeschutz
- Verstärker-Verstärkungsregelung
- Verzögerungsschaltungen
- Thermoschalter
Linearisierung
Aufgrund der nichtlinearen Reaktion von Thermistoren sind Linearisierungsschaltungen häufig erforderlich, um eine gute Genauigkeit über einen Temperaturbereich zu liefern. Die nichtlineare Widerstandsantwort auf die Temperatur eines Thermistors ist durch die Steinhart-Hart-Gleichung gegeben, die eine gute Beständigkeit gegen die Anpassung der Temperaturkurve bietet. Die nichtlineare Natur führt jedoch in der Praxis zu einer geringen Genauigkeit, wenn nicht eine Analog-Digital-Umwandlung mit hoher Auflösung verwendet wird. Das Implementieren einer einfachen Hardware-Linearisierung eines Parallel-, Serien- oder Parallel- und Serienwiderstandes mit dem Thermistor verbessert die Linearität einer Thermistorantwort drastisch und erweitert das Betriebstemperaturfenster des Thermistors auf Kosten einer gewissen Genauigkeit. Die Widerstandswerte, die in Linearisierungsschaltungen verwendet werden, sollten so gewählt werden, dass das Temperaturfenster für maximale Wirksamkeit zentriert wird.
