PTC ist die Abkürzung für Positive
Temperature Coeffizient, was
soviel bedeutet wie Halbleiterwiderstand mit einem positiven Temperaturverhalten.
Der PTC wird auch Kaltleiter genannt, da er bei niedrigen Temperaturen einen elektrischen
Strom besser leitet, als bei hohen Temperaturen. Die Grundkennlinie eines PTC
lässt sich nicht deterministisch beschreiben.
In diesem Diagramm sind drei Teilbereiche erkennbar.
fallender Widerstand bis zum Punkt
θA
steil ansteigender Widerstand ab
θN
bis zum Punkt θE
abknickender, flach ansteigender Widerstand ab dem Punkt
θE
Hierbei bedeuten: RA = Anfangswiderstand,
RN = Nennwiderstand und
RE = Endwiderstand
Weiterhin gilt üblicherweise: RN = 2 x RA
Die gezeigte Kurve gilt jedoch nur für sehr niedrige Messspannungen -
üblicherweise UPTC <= 1.5V. Dies hat den Hintergrund, dass bei höheren
Spannungen eine Eigenerwärmung des PTC erfolgt und dies Einfluss auf den
Kurvenverlauf hat. Der PTC ist aufgrund seiner internen Struktur auch
frequenzabhängig. Ab einer beaufschlagten Freqeunz oberhalb von 1MHz hat
der PTC eine Impedanz nahe 0. PTC sollten daher nur bei niedrigen Frequenzen
eingesetzt werden. Die nachfolgende Grafik veranschaulicht das Frequenzverhalten
eines PTC.
Einsatz als Schutzelement in Schaltungen.
Der PTC wird sehr häufig als Schutzelement eingesetzt. Wie bereits erwähnt
kommt es beim PTC und höheren Spannungen zur Eigenerwärmung. Dies wiederum
bedingt eine Änderung des Widerstandes. Die nachfolgende Grafik verdeutlicht
das Verhalten des PTC in einer Strom-Spannungs-Kennlinie.
Im unteren Spannungsverlauf verhält sich der PTC recht linear - also fast
wie ein ohmscher Widerstand. Bei höheren Spannungen kommt es aufgrund der
Eigenerwärmung zum starken, nichtlinearen Anstieg des Widerstandes, was sich
in der Grafik als Strombegrenzung bemerkbar macht. Diese Strombegrenzung ist weiterhin
noch von der Umgebungstemperatur abhängig, die zusätzlich zur Eigenerwärmung
wirkt. Die Angaben in der Grafik gelten für keine bis geringe Konvektion.
Das Einsatzgebiet des PTC kann sich über
Motorenschutz
Strombegrenzung / rückstellende Sicherung
bedingte Temperaturregelung
Verzögerungsschaltelement
erstrecken.
Kennlinienlinearisierung
Mittels Kennlinienlinearisierung kann der PTC auch für
Temperaturmessungen in einem bestimmten Messbereich eingesetzt werden.
Die Auswertung kann dann über einen Mikrocontroller mit A/D Wandler
ohne Umrechnung mittels Tabelle erfolgen. Das nachfolgende Bild zeigt
die Grundschaltung für die Linearisierung:
Nun werden die Widerstandswerte berechnet. Dazu muß vorher definiert werden,
in welchem Temperaturbereich die Linearisierung erfolgen soll. Hierzu werden
einfach 3 Temperaturen bestimmt und die dazugehörigen Widerstandswerte laut
PTC-Kennlinie ermittelt. Die niedrigste Temperatur im Messbereich wird
θU genannt, die oberste Temperatur im
Messbereich wird θO genannt und die
exakt in der Mitte liegende Temperatur wird dann
θM genannt. Über die Kennlinie werden
dann die passenden Widerstandswerte RU, RO und RM
ermittelt. Daraus ergibt sich der Linearisierungswiderstand R4 nach
folgender Formel:
Weiterhin wird vorgegeben, dass der Widerstand R2 identisch mit dem
Linearisierungswiderstand R4 ist. Nun wird noch die Verstärkung
der Beschaltung berechnet. Dazu muss jedoch der Spannungsbereich Umess am Ausgang des
Operationsverstärkers definiert werden. Dieser liegt notwendigerweise in einem
Bereich, den der A/D Wandler noch messen kann. Weiterhin sollte der Bereich so
groß gewählt werden, dass eine entsprechende Auflösung erreicht wird.
Nachdem R4 nun bekannt ist, kann damit die untere und obere resultierende Spannung
UU und UO am PTC berechnet werden. Danach wird der
Verstärkungsfaktor A laut Formel berechnet. Schließlich können die
restlichen Widerstände R1 und R3 berechnet werden.
Damit sind alle Bauteilwerte für die Schaltung bekannt.
Beispielhaft werden die Bauteilwerte für folgende Vorgaben ermittelt:
VCC = 5.0V, als PTC wird ein KTY81-221 eingesetzt. Der Temperaturbereich
soll von 0°C bis 100°C linearisiert werden. Die Ausgangsspannung am OP soll zwischen
0V und 4V liegen. Unter diesen Voraussetzungen ergeben sich folgende Widerstandswerte:
R2 = 5744 Ohm, R1 = 2121 Ohm,
R3 = 6731 Ohm
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