EinKaltleiter,PTC-Widerstand oderPTC-Thermistor (englischPositive Temperature Coefficient Thermistor) ist ein temperaturabhängigerWiderstand, welcher zu der Gruppe derThermistoren zählt. Er weist als wesentliche Eigenschaft einen positivenTemperaturkoeffizienten auf und leitet bei tiefen Temperaturen denelektrischen Strom besser als bei hohen Temperaturen.
Prinzipiell haben alleMetalle einen positiven Temperaturkoeffizienten, sind also Kaltleiter; im Unterschied zu den hier behandeltenBauelementen ist ihr Temperaturkoeffizient jedoch wesentlich kleiner und weitgehend linear, wie bei dem wegen seiner Stabilität als Temperatursensor eingesetztenPlatin-Messwiderstand.
Das Gegenteil von Kaltleitern sindHeißleiter, die bei höheren Temperaturen besser leiten und einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweisen.
In der Elektronik finden drei grundsätzlich verschiedene Klassen von Kaltleitern Anwendung:
Alselektronische Bauteile sind Kaltleiter meistens aushalbleitenden,polykristallinenKeramiken gefertigt (zum BeispielBaTiO3), die in einem bestimmten Temperaturbereich eineSperrschicht an denKorngrenzen 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.
Kaltleiter auf Basis von dotiertem Silizium[1] werden im Temperaturbereich von −50 °C bis +150 °C eingesetzt und zeichnen sich durch geringe Baugröße, Einstellzeit, enge Toleranzen und gute Langzeitstabilität aus. Für den KTY11-6 gilt ein parabelförmiger Zusammenhang zwischen Widerstand und derCelsius-Temperatur:[2]
mit den Konstanten
In Anwendungen wird normalerweise gemessen und die Temperatur gesucht. Die Auflösung („Umkehrung“) dieser Formeln nebst der dazugehörigen Linearisierung wird in Wikibooks beschrieben.
In der Herstellung werden Mischungen vonBariumcarbonat undTitan(IV)-oxid 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)gesintert.
Durch an denKorngrenzen befindlicheAkzeptoren werdenElektronen aus den Körnern gebunden. Dies führt zur Entstehung von Verarmungsrandschichten an den Kornoberflächen, welchePotentialbarrieren verursachen. Unterhalb derCurie-Temperatur werden diese Potentialbarrieren durch die spontanePolarisation größtenteils kompensiert. Der Leitungsmechanismus beruht daher im Wesentlichen auf derLadungsträgerdichte, welche mit steigender Temperatur zunimmt. Dies ist zunächst ein typischesHeißleiterverhalten. 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 dieisolierende Wirkung der Verarmungsrandschichten voll zur Geltung, so dass derWiderstand stark exponentiell ansteigt.
Die einzelnenFormelzeichen stehen für folgendeGrößen:
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.
Reine Metalle besitzen einen mit der Temperatur recht linear steigenden elektrischen Widerstand. Üblich zur Temperaturmessung und genormt ist der Platin-WiderstandPt100 (Draht oder Schicht).
Glühlampen eignen sich auch als Überlastschutz; sie besitzen im kalten Zustand einen Kaltwiderstand von nur wenigen Prozent des Widerstandes bei Betrieb an Nennspannung.
Kleine Glühlampen wurden auch inRC-Generatoren zur Amplitudenstabilisierung eingesetzt.
Früher wurdenEisen-Wasserstoff-Widerstände zur Stromstabilisierung im Heizkreis vonRöhren-Geräten eingesetzt. Sie besaßen über einen Betriebsspannungsbereich von etwa 1:3 eine nahezu konstante Stromaufnahme.
Legierungen besitzen einen wesentlich kleineren Temperaturkoeffizienten, der in bestimmten Temperaturintervallen sogar null sein kann (sieheKonstantan).
Es ist selten sinnvoll, Kaltleiter mit konstantem Strom zu versorgen, da dann keine stabile Temperatur möglich ist. Steigt diese ein wenig, vergrößert sich auch der Widerstand des Kaltleiters. Deshalb steigt wegen des Zusammenhangs P=I²·R die erzeugte Wärmeleistung und die Temperatur weiter. Physikalisch spricht man von einem labilen Gleichgewicht. Sinnvoller ist der Betrieb mit konstanter Spannung. Dann sinkt bei steigender Temperatur wegen P=U²/R die erzeugte Wärmeleistung und der Kaltleiter kühlt sich wieder ab. Daher können Bauteile mit Kaltleiter-Charakteristik zur gleichzeitigen Versorgung mit einer gemeinsamen Konstantspannung nicht ohne weiteres in Reihe geschaltet werden, eine Parallelschaltung ist jedoch unkritisch. Umgekehrt sind Motorschutzfühler mit mehreren Kaltleitern bei Konstantspannungs-Versorgung nur mit einer Reihenschaltung oder bei Einzelauswertung sinnvoll.
Für eine Temperaturmessung in Verbindung mitMikrocontrollern wird der Kaltleiter oft über einen Vorwiderstand mit der konstanten Betriebsspannung verbunden, wodurch der Zusammenhang Temperatur – Spannung S-förmig verläuft und sich die Möglichkeit einer Linearisierung um den Wendepunkt ergibt. Voraussetzung ist, dass sich die zu messende Temperatur in der Nähe desWendepunktes der Kurve befinden muss. Der Vorwiderstand muss den Strom soweit begrenzen, dass keine relevante Eigenerwärmung des Sensors auftritt.
