Kaltleiter

Widerstand des Temperatursensors auf Basis von n-dotiertem Silizium als Funktion der Temperatur

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 der Celsius-Temperatur ${\displaystyle t}$:[2]

${\displaystyle R_{t}=2000\,\Omega \cdot \left[1+\alpha \cdot (t-25\,{}^{\circ }{\text{C}})+\beta \cdot (t-25\,{}^{\circ }{\text{C}})^{2}\right]}$

mit den Konstanten

${\displaystyle \alpha =7{,}88\cdot 10^{-3}\cdot 1/^{\circ }\mathrm {C} }$

${\displaystyle \beta =1{,}937\cdot 10^{-5}\cdot 1/^{\circ }\mathrm {C} ^{2}}$

In Anwendungen wird normalerweise ${\displaystyle R_{t}}$ gemessen und die Temperatur ${\displaystyle t}$ gesucht. Die Auflösung („Umkehrung“) dieser Formeln nebst der dazugehörigen Linearisierung wird in Wikibooks beschrieben.

Charakteristische Kennlinie eines PTC

In der Herstellung werden Mischungen von Bariumcarbonat und Titan(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 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 die spontane Polarisation größtenteils kompensiert. Der Leitungsmechanismus beruht 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.

${\displaystyle R=R_{0}\cdot e^{b(T-T_{0})}}$

Die einzelnen Formelzeichen stehen für folgende Größen:

• ${\displaystyle R}$ – Widerstand bei der absoluten Temperatur ${\displaystyle T}$
• ${\displaystyle R_{0}}$ – Nennwiderstand bei Nenntemperatur ${\displaystyle T_{0}}$
• ${\displaystyle b}$   – Materialkonstante

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.

Kennlinie des Pt100

Widerstandsverlauf einer Glühlampe bei verschiedenen Betriebsspannungen; der Kaltwiderstand beträgt nur etwa 7 % des Widerstandes bei Nennspannung.

Reine Metalle besitzen einen mit der Temperatur recht linear steigenden elektrischen Widerstand. Üblich zur Temperaturmessung und genormt ist der Platin-Widerstand Pt100 (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 in RC-Generatoren zur Amplitudenstabilisierung eingesetzt.

Früher wurden Eisen-Wasserstoff-Widerstände zur Stromstabilisierung im Heizkreis von Röhren-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 (siehe Konstantan).