Grundlagenwissen zu Thermistoren Ratiometrische Temperaturmessung

Für Thermistoren sind Schaltungen für absolute und ratiometrische Messungen weit verbreitet. Vor- und Nachteile beider Varianten werden in diesem Beitrag erklärt.
Für Thermistoren sind Schaltungen für absolute und ratiometrische Messungen weit verbreitet. Vor- und Nachteile beider Varianten werden in diesem Beitrag erklärt.

Für genaue Temperaturmessungen benötigen Thermistoren eine vollständig stabile Strom- oder Spannungsreferenz, die aber sehr teuer ist. Entwickler arbeiten deshalb meist mit einer ratiometrischen Temperaturmessung. Dafür muss die Schaltung nur leicht abgewandelt werden.

Bei einem Thermistor handelt es sich um einen mit zwei Anschlüssen versehenen temperaturempfindlichen Messgrößenwandler ohne bewegliche Teile. Sein elektrischer Widerstand verändert sich in Abhängigkeit von der Temperatur. Gemäß dem ohmschen Gesetz fällt an einem stromdurchflossenen resistiven Bauelement eine Spannung ab, die proportional zum Widerstand des Bauteils und zur Höhe des elektrischen Stroms ist. Das bedeutet auch, dass Thermistoren für ihren Betrieb ein externes elektrisches Signal benötigen. Meist verwendet man hierfür eine Konstantspannungs- oder Konstantstromquelle. Auch wenn diese Quellen so konzipiert sind, dass sie eine konstante Spannung bzw. einen konstanten Strom liefern, unterliegen sie, abhängig von den Betriebsbedingungen, gewissen Schwankungen, die die Messergebnisse verfälschen können.

Als Gegenmaßnahme dazu eignen sich ratiometrische Messungen, die von Entwicklern auch häufig genutzt werden [1, 2]. Hierbei ist das Messsignal nicht mehr proportional zu einem absoluten Referenzsignal, sondern zum Verhältnis zwischen zwei Signalen. Die jeweilige Messgröße wird also bezogen auf ein anderes Signal (eine Spannungs- oder Stromquelle) gemessen, zu der sie eine proportionale Beziehung hat. Im Folgenden werden ratiometrische und absolute Methoden der Temperaturmessung mit NTC- und siliziumbasierten PTC-Thermistoren miteinander verglichen.

NTC- und PTC-Thermistoren

Mithilfe unterschiedlicher Halbleitermaterialien lassen sich Thermistoren mit positivem oder negativem Temperaturkoeffizienten herstellen. Entsprechend unterscheidet man zwischen den beiden Typen NTC (Negative Temperature Coefficient) und PTC (Positive Temperature Coefficient). Design und Herstellung von NTC- und PTC-Thermistoren basieren auf dem gezielten Verändern des Bandabstands und der Leitfähigkeit der verwendeten Halbleitermaterialien [3].

In einem dotierten Halbleiter sorgt eine Temperaturerhöhung unter anderem dafür, dass mehr Ladungsträger erzeugt werden und sich an der elektrischen Leitung beteiligen. Der spezifische Widerstand wird kleiner. Auf der anderen Seite ist zu erwarten, dass die Mobilität der Teilchen in einem Halbleiter abnimmt, wenn sich die Zeit zwischen zwei Kollisionen von Ladungsträgern verringert. In einem Festkörper-Temperatursensor kommt bei höherer Dotierung ein weiterer Effekt hinzu: die mittlere freie Weglänge verkürzt sich durch die vermehrten atomaren Schwingungen, weshalb die Elektronen zwischen den Kollisionen weniger Zeit zum Beschleunigen haben. Dies wiederum bewirkt eine Zunahme des spezifischen Widerstands bei steigender Temperatur.

Bei gering dotierten Halbleitern dominiert der erstgenannte Effekt und führt zu einem negativen Temperaturkoeffizient. Bei stark dotierten Halbleiterwerkstoffen herrscht dagegen der zweite Effekt vor, sodass mit ihnen PTC-Thermistoren hergestellt werden können. Wegen des dominierenden zweiten Effekts legen siliziumbasierte PTC-Thermistoren eine eher lineare Charakteristik an den Tag, NTC-Thermistoren weisen hingegen meist ein nichtlineares Verhalten auf.

Widerstands-Temperatur-Kennlinie

Bild 1 zeigt einen Vergleich zwischen NTC- und siliziumbasierten PTC-Thermistoren, die in diesem Beitrag in einem Temperaturbereich von –40 °C bis +150 °C untersucht werden. Zu beachten ist, dass sich das Verhalten von Silizium grundlegend ändert, wenn es Temperaturen oberhalb von ca. 250 °C ausgesetzt wird. Daher können Silizium-PTC-Thermistoren nur bis zu einer bestimmten Grenztemperatur genutzt werden.

Bild 1 zeigt einen sehr hohen Widerstand des NTC-Thermistors bei niedrigen Temperaturen, der sich mit steigender Temperatur immer weiter verringert. Der Verlauf zeigt auch, dass die Widerstands-Temperatur-Kennlinie bei höheren Temperaturen immer flacher wird. Für einen PTC-Thermistor bedeutet das, dass auch die Empfindlichkeit bei höheren Temperaturen stark abfällt. Im Unterschied dazu zeigt der siliziumbasierte PTC-Thermistor in ein weitgehend lineares Verhalten und gleichbleibender Empfindlichkeit über den Temperaturbereich. In einigen Anwendungen betrachtet man dies als einen Vorteil der PTC-Thermistoren.