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NTC – Heißleiter

Wie ein NTC-Heißleiter mit steigender Temperatur leitfähiger wird, wie du mit B-Wert und Spannungsteiler Temperaturen misst und Einschaltströme begrenzt.

7 Min. LesezeitNTCHeißleiterThermistorB-Wert

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).

Schaltzeichen des NTC nach IEC mit Knickstrich und −ϑ, daneben ein NTC-Perlenfühler mit zwei Drähten
Schaltzeichen des Heißleiters: Das Minuszeichen vor ϑ zeigt den negativen Temperaturkoeffizienten.

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:

R(T) = R25 · exp(B · (1/T − 1/T25))

Alle Temperaturen stehen hier in Kelvin, T25 = 298,15 K. Der B-Wert gilt immer für einen Temperaturbereich, zum Beispiel B25/85 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.

Kennlinie eines NTC mit 10 kΩ bei 25 °C: Widerstand fällt von 33,9 kΩ bei 0 °C auf 1,07 kΩ bei 85 °C
Die Kennlinie eines 10-kΩ-NTC: steil bei tiefen, flach bei hohen Temperaturen.

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

TemperaturWiderstand
0 °C33,9 kΩ
25 °C10,0 kΩ
50 °C3,56 kΩ
85 °C1,07 kΩ
100 °C685 Ω

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, B25/50 = 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.
NTC-Bauformen: Perlenfühler, Glasgehäuse, SMD-Chip, Fühler in Edelstahlhülse und Scheibe zur Einschaltstrombegrenzung
Vom winzigen SMD-Chip bis zur dicken Scheibe für den Einschaltstrom.

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.

Spannungsteiler aus Festwiderstand 10 kΩ an 3,3 V und NTC 10 kΩ nach Masse, Mittelpunkt am ADC-Eingang
NTC im Spannungsteiler: Steigt die Temperatur, sinkt die Spannung am ADC.

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

Rechner

NTC-Thermistor

Widerstand des NTC
3,59 kΩ
Temperaturbeiwert α
−3,78 %/K
Spannung am Abgriff
871 mV
ADC-Wert
1.081
Auflösung hier
33 mK
Leistung im NTC
212 µW
Eigenerwärmung
0,106 K
+3,3 VR fest10 kΩ−ϑNTC3,59 kΩADC1.081U871 mV100 Ω1 kΩ10 kΩ100 kΩ1 MΩ-400255085125RTemperatur in °C50 °C3,59 kΩ

Beta-Modell: R(T) = R25 · eB · (1/T − 1/T25) mit T in Kelvin. Es stimmt exakt bei 25 °C und bei der zweiten Temperatur des B-Werts (85 °C bei B25/85, 50 °C bei B25/50); dazwischen und darüber hinaus weicht es ab, bei 0 °C typisch um 1 K, bei −40 °C um mehrere Kelvin. Genauer rechnest du mit der Tabelle oder der Steinhart-Hart-Gleichung aus dem Datenblatt. ADC-Wert = ⌊U / Uref · 2n⌋. Eigenerwärmung = Leistung / δ, ohne Toleranz von R25 und B.

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

Was bedeutet „NTC 10k“?

Ein Heißleiter mit 10 kΩ Nennwiderstand bei 25 °C.

Wie ändert sich der Widerstand eines NTC, wenn es wärmer wird?

Er sinkt – um einige Prozent pro Kelvin.

Ein NTC hat R25 = 10 kΩ und B = 3977 K. Wie groß ist er bei 50 °C?

R = 10 kΩ · exp(3977 K · (1/323,15 K − 1/298,15 K)) ≈ 3,56 kΩ.

Warum sollte der Messstrom durch einen NTC klein sein?

Sonst erwärmt er sich selbst und misst eine zu hohe Temperatur.

Warum versagt ein Einschaltstrombegrenzer, wenn das Gerät kurz aus- und wieder eingeschaltet wird?

Der NTC ist noch heiß und niederohmig; er begrenzt den Stromstoß kaum.