PTC – Kaltleiter

Der Heizlüfter, der nicht überhitzt, obwohl kein Thermostat eingebaut ist. Der Elektromotor, der bei Überlast abschaltet, weil in seiner Wicklung kleine Fühler stecken. Die Telefonleitung, die einen Kurzschluss übersteht und danach wieder funktioniert. Hinter all dem steckt der Kaltleiter, kurz PTC (Positive Temperature Coefficient): ein Widerstand, der bei steigender Temperatur größer wird – im Fall des keramischen PTC nicht ein bisschen, sondern auf einen Schlag um das Tausendfache.

Drei Arten von Kaltleitern

Streng genommen ist jedes Metall ein Kaltleiter: Kupfer, Platin oder Nickel leiten kalt besser als warm. Im Bauteilkatalog meint „PTC“ aber meist eine von drei Gruppen:

• Keramische PTC aus dotiertem Bariumtitanat. Sie haben eine Schaltkennlinie: unterhalb einer Bezugstemperatur fast konstant niederohmig, darüber steil ansteigend. Darum geht es vor allem in diesem Artikel.
• Polymer-PTC aus Kunststoff mit eingelagertem Ruß. Sie werden als rückstellende Sicherung gegen Überstrom eingesetzt.
• Lineare PTC-Fühler aus Platin (siehe PT100 und PT1000) oder Silizium, etwa die Reihe KTY81 mit 2 kΩ bei 25 °C. Ihr Widerstand steigt gleichmäßig, um etwa 0,4 bis 0,8 % pro Kelvin. Sie sind Messfühler, keine Schalter.

Aufbau und Funktionsweise

Ein keramischer PTC ist eine gesinterte Scheibe oder ein Quader aus Bariumtitanat, das durch Dotierung mit Fremdatomen leitfähig gemacht wurde. Die Keramik besteht aus vielen winzigen Körnern. An den Korngrenzen bilden sich elektrische Barrieren, ähnlich der Sperrschicht am pn-Übergang. Unterhalb einer bestimmten Temperatur, der Curie-Temperatur, sind diese Barrieren durch die besonderen elektrischen Eigenschaften des Materials (Ferroelektrizität) weitgehend neutralisiert – der Widerstand ist klein. Oberhalb verschwindet diese Wirkung, die Barrieren wachsen, und der Widerstand steigt innerhalb weniger zehn Kelvin um drei bis vier Zehnerpotenzen.

Die Lage dieses Sprungs lässt sich über Zusätze wie Strontium oder Blei zwischen etwa 60 und 160 °C einstellen. Unterhalb des Sprungs verhält sich die Keramik übrigens leicht wie ein NTC: Der Widerstand sinkt von 25 °C an zunächst etwas, bis er sein Minimum erreicht.

Schaltzeichen

Das Schaltzeichen gleicht dem des NTC: Widerstandsrechteck, schräger Strich mit kurzem Knick, daneben „+ϑ“. Das Pluszeichen steht für den positiven Temperaturkoeffizienten (siehe Schaltzeichen).

Kennlinie und Kennwerte

Die Kennlinie eines keramischen PTC zeichnet man mit logarithmischer Widerstandsachse, sonst wäre der flache Teil nicht zu sehen. Die wichtigen Punkte:

• R₂₅: Nennwiderstand bei 25 °C, zum Beispiel 1 Ω bis einige kΩ.
• R_min bei T_Rmin: der kleinste Widerstand, etwas unter R₂₅.
• Bezugstemperatur T_ref: die Temperatur, bei der der Widerstand auf das Doppelte von R_min gestiegen ist. Hier beginnt der steile Anstieg; oft auch Schalt- oder Nennansprechtemperatur genannt.
• R_E bei T_E: das Ende des steilen Bereichs, typisch das 1000- bis 10 000-Fache von R_min.
• Höchstspannung U_max: die Spannung, die der PTC im heißen, hochohmigen Zustand dauerhaft aushält.
• Bemessungsstrom I_N und Schaltstrom I_S: bei Überstrom-PTC der Strom, den er sicher führt, ohne auszulösen, und der Strom, bei dem er sicher auslöst.

Wie stark sich ein Metall- oder Siliziumfühler dagegen ändert, siehst du an einem PT100: von 100 Ω bei 0 °C auf 138,5 Ω bei 100 °C. Der keramische PTC springt im selben Bereich von wenigen Ohm auf mehrere Kiloohm.

Eigenerwärmung als Arbeitsprinzip

Beim keramischen PTC ist die Eigenerwärmung kein Störeffekt, sondern das Funktionsprinzip. Fließt genug Strom, heizt er sich selbst über T_ref, wird hochohmig und begrenzt so den Strom. Er pendelt sich in einem Gleichgewicht ein: Er nimmt genau so viel Leistung auf, wie er an die Umgebung abgibt. Da diese abgegebene Leistung P bei einer bestimmten Temperatur ungefähr fest ist, folgt aus P = U² / R für den heißen Zustand:

Den Strom im Normalbetrieb und die Leistung kannst du mit dem Rechner zum Ohmschen Gesetz prüfen; für das Auslöseverhalten zählt das Datenblatt, denn wie schnell ein PTC auslöst, hängt von Strom, Umgebungstemperatur und Wärmeabfuhr ab (siehe Wärme und Kühlung).

Anwendungen

• Überstromschutz: in Reihe zu Motoren, Transformatoren oder Leitungen, wie im Beispiel. Vorteil gegenüber einer Sicherung: Er setzt sich selbst zurück.
• Selbstregelnde Heizung: Ein PTC-Heizelement heizt kalt mit voller Leistung und regelt sich bei seiner Bezugstemperatur von selbst ab. Es kann nicht überhitzen – Heizlüfter, Spiegelheizungen im Auto, Klebepistolen.
• Motorschutz: Drei kleine PTC-Fühler in der Wicklung, in Reihe geschaltet, melden einem Auslösegerät, wenn die Wicklung zu heiß wird. Ihre Kennwerte sind genormt (DIN 44081/44082), die Nennansprechtemperatur passt zur Isolierstoffklasse des Motors.
• Anlaufhilfe: Im Kühlschrankkompressor schaltet ein PTC die Hilfswicklung beim Anlauf zu und nach wenigen Sekunden, heiß geworden, wieder weg.
• Füllstandsfühler: Ein leicht selbst erwärmter PTC kühlt in Flüssigkeit stärker ab als in Luft; sein Widerstand verrät, ob er eintaucht.
• Temperaturüberwachung von Leistungselektronik: SMD-PTC-Fühler auf der Platine lösen bei Übertemperatur eine Abschaltung aus.

Bauformen

Keramische PTC gibt es als Scheiben mit radialen Drähten, oft mit Lack oder Epoxid überzogen, für Ströme von einigen zehn Milliampere bis zu einigen Ampere. SMD-Varianten in 0402 bis 1210 dienen als Fühler oder kleiner Überstromschutz. Heizelemente bestehen aus mehreren PTC-Steinen zwischen Aluminium-Rippen. Motorschutzfühler sind winzige, isolierte Perlen an langen Litzen, die in die Wicklung eingebunden werden.

Auswahl und Praxistipps

Für Überstromschutz wählst du nach Bemessungsstrom, Schaltstrom und Höchstspannung bei deiner höchsten Umgebungstemperatur; für Fühler nach Bezugstemperatur und Toleranz. Prüfe immer, ob der Spannungsabfall im Normalbetrieb tragbar ist.

Häufige Fehler:

• Höchstspannung zu klein: Im ausgelösten Zustand liegt fast die ganze Versorgungsspannung am PTC. Ist sie größer als U_max, kann er durchschlagen.
• Umgebungstemperatur vergessen: In warmer Umgebung löst ein PTC früher aus, weil ihm weniger Abstand bis zur Bezugstemperatur bleibt. Im Datenblatt sinkt der zulässige Bemessungsstrom deshalb mit der Temperatur.
• Wärmeabfuhr verändert: Ein PTC im Luftzug oder an einem Kühlkörper löst später aus als ein eingepackter.
• Als genauer Temperaturfühler verwendet: Der steile Bereich eignet sich für eine Schwelle, nicht für eine Messung über einen großen Bereich. Dafür gibt es lineare Fühler und den NTC.
• Ausgelöst und nie zurückgesetzt: Ein ausgelöster PTC bleibt warm, solange Spannung anliegt. Die Schaltung muss den Fehler melden und die Versorgung einmal trennen.

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