NTC – Heißleiter

In der Waschmaschine, im Akkupack deines Laptops, im 3D-Drucker, im Kühlschrank und an der Kühlrippe eines Netzteils sitzt fast immer derselbe kleine Fühler: ein NTC-Heißleiter. Er ist ein Widerstand, der mit steigender Temperatur deutlich kleiner wird – um etwa 4 % pro Kelvin. Kein anderer Temperatursensor ist so billig und gleichzeitig so empfindlich. Daneben hat der NTC eine zweite Rolle: Als dicke Scheibe im Netzteil bremst er den Stromstoß beim Einschalten.

Aufbau und Funktionsweise

Ein NTC (Negative Temperature Coefficient) besteht aus einer gesinterten Keramik aus Metalloxiden, meist Mischungen aus Mangan-, Nickel-, Kobalt- und Kupferoxid. Diese Keramik ist ein Halbleiter: Bei tiefen Temperaturen sind nur wenige Ladungsträger beweglich, der Widerstand ist hoch. Mit steigender Temperatur werden mehr Ladungsträger frei, der Widerstand sinkt – und zwar nicht linear, sondern exponentiell. Das ist das Gegenteil eines Metalls, dessen Widerstand mit der Temperatur steigt; warum das so ist, erklärt Temperaturverhalten von Halbleitern.

Über die Mischung der Oxide und die Form des Körpers stellt der Hersteller den Widerstandswert ein. Den Keramikkörper umgibt ein Überzug aus Epoxidharz, Glas oder Lack; die Anschlüsse sind Drähte oder, bei SMD, metallisierte Enden.

Schaltzeichen

Das Schaltzeichen ist ein Widerstandsrechteck mit einem schrägen Strich, der unten einen kurzen waagerechten Knick hat – das Zeichen für einen Widerstand, der von einer äußeren Größe abhängt. Daneben steht „−ϑ“ oder „−t°“: Minus für den negativen Temperaturkoeffizienten, ϑ für die Temperatur. Der Kaltleiter hat dasselbe Symbol mit „+ϑ“ (siehe PTC-Kaltleiter und Schaltzeichen).

Kennlinie und Kennwerte

Der wichtigste Kennwert ist der Nennwiderstand R₂₅ bei 25 °C. Ein „10k-NTC“ hat bei 25 °C 10 kΩ. Wie steil die Kennlinie verläuft, beschreibt der B-Wert (auch Beta-Wert) in Kelvin. Damit lässt sich der Widerstand bei jeder Temperatur näherungsweise berechnen:

Alle Temperaturen stehen hier in Kelvin, T₂₅ = 298,15 K. Der B-Wert gilt immer für einen Temperaturbereich, zum Beispiel B_25/85 zwischen 25 und 85 °C. Außerhalb davon weicht die Formel ab; für genaue Messungen über einen großen Bereich verwendet man die Steinhart-Hart-Gleichung mit drei Koeffizienten oder die Tabelle des Herstellers.

Für einen 10-kΩ-NTC mit B = 3977 K (z. B. Vishay NTCLE100E3103) ergeben sich diese Werte:

Weitere Kennwerte:

• Temperaturkoeffizient: α = −B / T²; bei 25 °C und B = 3977 K sind das etwa −4,5 % pro Kelvin – rund zehnmal so viel wie bei einem Platinfühler.
• Toleranz: von R₂₅ typisch 1 bis 5 %, dazu eine Toleranz des B-Werts, meist 0,5 bis 3 %.
• Wärmeleitwert δ in mW/K: wie viel Leistung den NTC um ein Kelvin erwärmt. Kleine Perlen und SMD-Typen liegen bei 1 bis 3 mW/K.
• Thermische Zeitkonstante: wie schnell der Fühler einer Temperaturänderung folgt – von unter einer Sekunde bei Glasperlen bis zu einer Minute in einer Edelstahlhülse.

Bauformen

• Perlen- und Tropfenfühler: kleiner Keramikkörper mit Epoxid- oder Glasüberzug an zwei Drähten, schnell und günstig.
• Glasgehäuse (wie DO-35): robust und dicht, bis etwa 250 °C.
• SMD-Chips in 0402 bis 1206 (z. B. Murata NCP18XH103, 10 kΩ, B_25/50 = 3380 K) zur Temperaturüberwachung direkt auf der Platine.
• Fühler in Hülsen: NTC in Edelstahl- oder Kunststoffhülse mit Kabel, etwa für Heizungen, Kühlschränke oder 3D-Drucker.
• Scheiben zur Einschaltstrombegrenzung: groß, mit Durchmessern von 5 bis über 20 mm, Widerstand kalt einige Ohm.

Temperatur messen mit Spannungsteiler

Am einfachsten liest ein Mikrocontroller den NTC über einen Spannungsteiler mit einem Festwiderstand gleichen Werts ein. Bei der Temperatur, bei der beide gleich groß sind, ist der Teiler am empfindlichsten.

Rechne deine eigenen Werte mit dem Rechner nach – er beherrscht das B-Modell samt Spannungsteiler und ADC-Wert:

Einschaltstrom begrenzen

Beim Einschalten eines Netzteils lädt sich der Siebkondensator hinter dem Gleichrichter fast schlagartig auf (siehe Kondensator an Gleichspannung). Ohne Begrenzung fließen dabei leicht Hunderte Ampere – Sicherungen lösen aus, Schalterkontakte verschweißen. Ein NTC in Reihe zur Netzleitung begrenzt den Stoß: Kalt hat er zum Beispiel 10 Ω, der Spitzenstrom bei 325 V Scheitelspannung bleibt unter 325 V / 10 Ω = 32,5 A. Im Betrieb heizt ihn der Laststrom auf; sein Widerstand sinkt auf wenige Zehntel Ohm, und er verursacht nur noch kleine Verluste.

Auswahl und Praxistipps

Für die Temperaturmessung wählst du R₂₅ so, dass der Teiler in deinem wichtigsten Bereich empfindlich ist – 10 kΩ für Raum- und Gerätetemperaturen, 100 kΩ für höhere Temperaturen, etwa am Hotend eines 3D-Druckers. Danach Toleranz von R₂₅ und B-Wert, Bauform und Zeitkonstante. Für Einschaltstrombegrenzer zählen Kaltwiderstand, höchster Dauerstrom und die zulässige Kondensatorkapazität laut Datenblatt.

Häufige Fehler:

• B-Wert eines anderen Typs: Zwei 10-kΩ-NTCs können B-Werte von 3380 K und 3977 K haben. Mit dem falschen Wert misst du bei 85 °C mehrere Grad daneben.
• Zu großer Messstrom: Eigenerwärmung verfälscht die Messung. Halte die Leistung im NTC deutlich unter einem Milliwatt, oder schalte den Teiler nur zum Messen ein.
• Schlechter thermischer Kontakt: Ein Fühler, der nur in der Luft neben dem Kühlkörper hängt, misst die Luft. Wärmeleitpaste oder eine Klemme helfen (siehe Wärme und Kühlung).
• Lange Leitung ohne Filter: Der hochohmige Teiler fängt Störungen ein. Ein Kondensator von 100 nF am ADC-Eingang beruhigt den Messwert.
• Fühler-Kabelbruch nicht erkannt: Ein offener NTC sieht aus wie extreme Kälte. Werte am Rand des ADC-Bereichs solltest du in der Software als Fehler behandeln.

Selbsttest