Kaltleiter

Kaltleiter sind stromleitende Materialien, die den Strom bei tiefen Temperaturen besser leiten als bei hohen, zumindest in einem gewissen Temperaturbereich. Ihr elektrischer Widerstand nimmt also bei Temperaturerhöhung zu, er hat also einen positiven Temperaturkoeffizienten. Davon leitet sich auch die alternative Bezeichnung PTC-Widerstand bzw. PTC Thermistor ab, wobei PTC für engl. positive temperature coefficient steht. Das Gegenteil von Kaltleitern sind Heißleiter (auch NTC-Widerstände oder NTC Thermistoren), die bei höheren Temperaturen besser leiten, also einen Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten haben.

Prinzipiell haben alle Metalle einen positiven Temperaturkoeffizienten, sind also Kaltleiter. Im Unterschied zu den hier behandelten Bauelementen ist der Temperaturkoeffizient der Metalle wesentlich kleiner und weitgehend linear.

Es sind noch nicht alle Effekte restlos geklärt, die am Zustandekommen des Kaltleitereffekts beteiligt sind. Aufgrund des komplexen Zusammenspiels ist der Widerstandsverlauf von Kaltleitern mathematisch noch nicht geschlossen beschreibbar.

Verschiedene Klassen von Kaltleitern und deren Anwendungsgebiete

In der Elektronik finden drei grundsätzlich verschiedene Klassen von Kaltleitern Verwendung:

Kaltleiter deren Widerstand linear mit der Temperatur ansteigt

Anwendungsgebiete: Temperaturmessung, Temperaturkompensation Material: Dickfilmtechnologie auf verschiedenen Trägersubstraten

Kaltleiter auf Keramikbasis mit einem nicht-linearen Widerstandsverlauf

Anwendungsgebiete: Überstromschutz (als Sicherungselement), Übertemperaturschutz, selbstregelndes Heizelement, Schaltelement (Stichworte "Motorstart PTC", "Degaussing PTC") Material: Bariumtitanat

Kaltleiter auf Polymerbasis mit einem nicht-linearen Widerstandsverlauf

Anwendungsgebiete: Überstromschutz (als Sicherungselement) Material: Mit winzigen Rußpartikeln befüllter Kunststoff

Temperatur-Widerstands-Kennlinie

Durch an den Korngrenzen befindliche Akzeptoren werden Elektronen aus den Körnern gebunden. Dies führt zur Entstehung von Verarmungsrandschichten an den Kornoberflächen, welche Potentialbarrieren verursachen. Unterhalb der Curie-Temperatur werden diese Potentialbarrieren durch Polarisation größtenteils kompensiert. Unterhalb der Curie-Temperatur beruht der Leitungsmechanismus daher im Wesentlichen auf der Ladungsträgerdichte, welche mit steigender Temperatur zunimmt. Dies ist zunächst ein typisches Heißleiterverhalten. Mit steigender Temperatur nimmt die Polarisation ab, bis sie oberhalb der Curie-Temperatur schließlich vollkommen verschwindet. Zwar nimmt nun die Ladungsträgerdichte mit steigender Temperatur weiter zu, aber durch die jetzt fehlende Polarisation kommt die isolierende Wirkung der Verarmungsrandschichten voll zur Geltung, so dass der Widerstand stark exponentiell ansteigt.

R = R_0 \cdot e^{b(T-T_0)}

Die einzelnen Formelzeichen stehen für folgende Größen:

R - Widerstand in $\Omega$ bei der Temperatur T
R₀ - Nennwiderstand in $\Omega$ bei Nenntemperatur T₀
T - Betriebstemperatur
T₀ - Nenntemperatur
b - Materialkonstante in K^-1

Wird der Kaltleiter noch weiter erwärmt, so wirkt der Anstieg der Ladungsträgerdichte nun wieder der Isolierung durch die Verarmungsrandschichten entgegen, so dass es zu einer leichten Abnahme des Widerstands kommt. Dieses Verhalten ähnelt wiederum dem eines Heißleiters.

Material

Als elektronische Bauteile sind Kaltleiter meistens aus halbleitenden, polykristallinen Keramiken gefertigt (zum Beispiel BaTiO₃), die in einem bestimmten Temperaturbereich eine Sperrschicht an den Korngrenzen aufbauen.
Neuere Entwicklungen führten zu Bauteilen mit sehr steilem Anstieg des Widerstandes ab einer charakteristischen Temperatur (ca. 80...130°C).
Weiterhin wurden die Materialien dahingehend verbessert, dass selbstrückstellende Sicherungen auch für Netzspannungsanwendung geschaffen werden konnten.

Herstellung

In der Herstellung werden Mischungen von Bariumcarbonat und Titanoxyd zusammen mit anderen Materialien, die die gewünschten elektrischen und thermischen Eigenschaften ergeben, gemahlen, gemischt und dann, je nach Verwendungszweck, in Scheiben-, Stab- oder Rohrform gepresst. Anschließend werden die Körper bei hohen Temperaturen (zwischen 1000°C und 1400°C) gesinert.

Siehe auch

Passives Bauelement | Temperaturmessung

Positive temperature coefficient | PTC-termistori

Weblinks