Der Kaltleiter als Temperaturfühler hoher Empfindlichkeit

7.3 H.

Der Kaltleiter als Temperaturfuhler hoher Empfindlichkeit

BRAUER,

Siemens & Halske AG, Munchen, Deutschland

Der keramische Kaltleiter ist ein neues elektronisches Bauelement, bei dem eine Steuerung des elektrischen Widerstandes durch die starke Temperaturabhangigkeit der DielektriziUitskonstante erreicht wird. Der gro13e Temperaturkoeffizient des Widerstandes bietet neben einer direkten Verwendung als Temperaturftihler die Moglichkeit, unter Ausnutzung der Erwarmung (Fremd- und Eigenerwarmung) den Kaltleiter vor allem als Regelglied in der Me13- und Regelungstechnik einzusetzen. Neben der Besprechung einiger typischer Anwendungsbeispiele wird anhand einiger Kennlinien auf die Eigenschaften indirekt beheizter Kaltleiter eingegangen, die fUr die Regelungstechnik von erheblichem Interesse sind . The ceramic PTC-Thermistor is a new electronic component with significant applications in automatic control and measuring techniques. The strong temperature dependance of the dielectric constant causes the corresponding variation of the electrical resistance. The high temperature coefficient of the resistor permits direct application as a temperaturesensor by utilising its heating property (environmental - or Joule-heating). Some examples of typical applications are given. The properties of indirectly heated PTC-Thermistors are discussed by using its characteristics.

Einleitung

Der auf der Basis des ferroelektrischen Bariurntitanates entwickelte keramische Kaltleiter ist ein neues Bauelernent rnit einern au13erordentlich gro13en positiven Ternperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes. Der vorliegende Beitrag hat die Aufgabe, tiber die Eigenschaften dieses neuen Bauelernentes, dern auf dern Gebiet der Me13- und Regelungstechnik wachsende Bedeutung zukornrnt, zu referieren und tiber einige Anwendungen und neuere Entwicklungen zu berichten. Urn das Verhalten des Kaltleiters versUindlich zu rnachen, schicken wir zunachst einige Bernerkungen tiber die physikalischen Eigenschaften dieses Bauelernentes voraus. Bekanntlich gehOrt Ba Ti 0 3 zur Gruppe der

690

H.Brauer

sog. Ferroelektrika, d. h. die elektrische Polarisation als Funktion der FeldsUirke zeigt eine Hysterese und die auBerordentlich groBe DielektriziUitskonstante E erreicht inder Nahe der Curietemperatur (T c = 115°C) ein Maximum. Oberhalb T c gilt fUr E ein Curie-WeiBsches Gesetz: (1)

E

=

C

T-Tc

wobei C die Curiekonstante bedeutet. In der Abb. 1 ist der Verlauf von E als Funktion der Temperatur dargestellt. Am Curiepunkt erfolgt eine kristallographische Umwandlung: kutetragonal

kubiseh

[E1J

~ 10 6

16000

nern

1

10"

•

10'1

12000

8000

4000

Abb. 1. e: und pals Funktion

der Temperatur

20

10 3

• (10 V fern)

50

150 100 Tc Ternperatur _

200

QC

10 2 250

bisch - tetragonal. Damit verbunden ist das Auftreten einer sog. spontanen Polarisation. Die DielektriziUitskonstante erreicht hier Werte bis zu 10 4 • Gestrichelt eingezeichnet ist in der Abbildung noch der Verlauf der effektiven Dielektrizitatskonstanten fUr hohe Feldstarken, der fUr das Verstandnis des Kaltleitereffektes wichtig ist; denn sorgt man durch Dotierung nach dem Prinzip der gelenkten Valenz daftir, daB die Keramik halbleitend wird, so ergibt sich ein elektrischer Widerstand, dessen Temperaturgang exponentiell von dieser effektiven Dielektrizitatskonstanten gesteuert wird [1], [2]. Dabei kommt es in dem Material unter dem EinfluB von Oberflachenakzeptortermen zur Ausbildung von Raumladungsrandschichten an den Korngrenzen. FUr die Potentialaufbaumung rp ergibt sich aus der Poissongleichung:

7.3 Oer Kaltleiter als Temperaturflihler hoher E mpfindlichkeit

(2)

c:p

=

e 2 no r2

691

,

2 Eeff r ... Breite der Raumladungszone, e ... Elementarladung, torendichte im Volumen.

no . .. Dona-

Da Eeff - in der Raumladungszone wirken hohe Felder - im Nenner steht, erhaIt man bei hoher DielektriziUitskonstante, d. h. unterhalb der Curietemperatur eine geringe Potentialaufbaumung, oberhalb der Curietemperatur steigt c:p aber rasch an. Abb. 2 gibt eine schematische Darstellung der VerhaItnisse [3], [4] .

--r

- -

Leitungsband

Abb . 2. Kaltleiter-Randschichtmodell (nach Heywang)

N ...........I-"-..L

Diese durch die Dielektrizitatskonstante gesteuerten Bandaufbaumungen bestimmen aber im wesentlichen den Gesamtwiderstand des polykristallinen Materials, da dieser in erster Naherung exponentiell von c:p abhangt . ~

(3)

p_po · e kT .

Die in Abb. 1 mit eingezeichnete Widerstands-Temperatur-Kennlinie macht den engen Zusammenhang zwischen der Temperaturabhangigkeit von E und p besonders deutlich. Die Widerstandszunahme oberhalb der Curietemperatur betragt etwa 4 Zehnerpotenzen und erstreckt sich - je nach Dotierung - iiber ein Temperaturintervall von 30° - 80°C. Der Beginn des Widerstandsanstieges laBt sich durch geeignete Substitution in weiten Grenzen verschieben. Es ist bisher moglich, Kaltleiter mit einem Curiepunkt zwischen - 50° und +280°C herzustellen. Vom HeiBleiter, der heute in der Technik weitgehend verwendet wird und dessen typisches Verhalten in Abb. 3 gestrichelt eingezeichnet ist, unterscheidet sich der Kaltleiter also vor allem dadurch, daB der Widerstandsanstieg erst oberhalb der Curietemperatur abrupt einsetzt. Der Widerstandstemperaturkoeffizient rx erreicht beim Kaltleiter Werte bis zu

692

H. Brauer Tc

=

20°

t Abb. 3. R-T-Kurven von Kaltleitern mit verschiedenen CurieTemperaturen

__- L__~__~__L-~__- L__~_ 0 40 80 120 160 200 °C 280

101L-~

- 40

Temperatur _

(4)

ex

=

~ In R ~T

=

05.

'

Da es sich bei der Widerstandszunahrne des Kaltleiters oberhalb der Curieternperatur urn einen Sperrschichteffekt handelt, ist der Widerstandsanstieg spannungsabhangig. Dieses Varistorverhalten kann bei verschiedenen Anwendungen von Bedeutung sein. Die hier angegebenen Eigenschaften des Kaltleiterserlaubendieverschiedenen Anwendungen, die sich irn wesentlichen unter drei Gesichtspunkte zusarnrnenfassen lassen und in Tab. I zusamrnengestellt sind. Tabelle I Kaltleiter als Temperaturfiihler

Temperaturmessung (Medizin etc. T c = 20 0 C) Strahlungsdetektor (Infrarot) Uberlastungsschutz (Motor- und Trafoschutz)

Eigenerwarmung des Kaltleiters

Fliissigkeitsstands anzeiger, Durchflu13mengenmesser usw .

indirekt beheizter Kaltleiter

RegelgJied, Schwellenschaiter, HF Detektor

7.3 Der Kaltleiter als Temperaturflihler hoher Empfindlichkeit

693

Diesem Schema lassen sich die verschiedensten Einsatzmoglichkeiten unterordnen, die hier an einigen Anwendungsbeispielen - die jeweils als charakteristische Vertreter ihrer Gruppe gelten konnen - erHiutert werden sollen. Kaltleiter als Temperaturfijhler

Aufgrund seines groBen Temperaturkoeffizienten und der Moglichkeit der Verschiebung der Curietemperatur ist der Kaltleiter allen anderen TemperaturfUhlern weit Uberlegen. Bis jetzt wurde am bekanntesten seine Anwendung als Uberlastungsschutz, z. B. fUr Elektromotore. Das Prinzip der Anordnung ist der Abb. 4 zu entnehmen. ZweckmaBigerweise wird der Kaltleiter schon wahrend der

Betriebsspannung

Sch.ltschiit z (unterbricht bei Oberschreitung der Curietemperatur)

III

Abb . 4. Kaltleite r als Uberlastschutz flir Elektromotore

Montage des Motors in der Wicklung untergebracht. Wegen der hohen Leistung, die ges~haltet werden muB, kann die Regelkennlinie des Kaltleiters nicht direkt verwendet werden, sondern dient zum Steuern eines SchaltschUtzes. Trotzdem bietet der Kaltleiter, abgesehen von seiner steilen Regelcharakteristik, gegenUber dem HeiBleiter den prinzipiellen Vorteil, daB die Anordnung mit Ruhestrom arbeitet und dementsprechend ein Ausfallen des Kaltleiters ebenso wie eine Erwarmung von der Sicherheitsschaltung registriert wird. Weitere interessante Anwendungen der hohen Steilheit sind: Temperaturmessungen in der Medizin und Strahlungsmessungen. In beiden Fallen ist

694

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man an kurzen Ansprechzeiten interessiert, und es wurden daher in unserem Laboratorium Mikrokaltleiter (0,3 mm et>, 0, 3 mm lang) entwickelt, die kurze Ansprechzeiten (0,1 sec) gewahrleisten. Dies ist vollig ausreichend fUr eine medizinische Temperaturmessung. FUr Strahlungsdetektoren sind jedoch noch wesentlich ktirzere Zeitenerwtinscht.DieAbmessungen der hierfiir entwickelten Kaltleiter sind ca. 0,15 X 0,15 X 0,03 mm. Die Ansprechzeit liegt bei 10 - 2 sec . Urn diese Zeiten zu erreichen, ist es notwendig, daB die dem Detektor zugefUhrte Warmemenge geniigend schnell abgefUhrt wird. Im vorliegenden Fall ist der Kaltleiter auf einen als Kiihlkorper wirkenden Saphirblock gekittet.

Eigenerwarmung des Kaltleiters

Bereits aus dem bisher Gesagtem geht hervor, daB die Warmebilanz des Kaltleiters wichtig ist. So ist vor all em bei den Mikrokaltleitern darauf zu achten, daB der durch den Kaltleiter flieBende Strom so gering ist, daB die erzeugte Joulesche Warme gegeniiber der von auBen zu- oder abgefUhrten Warme vernachlassigt werden kann . 1st dies nicht mehr der Fall, so ist fUr das Schaltverhalten des Kaltleiters die sog. statische Strom-Spannungs-Kennlinie maBgebend, wie sie in Abb . 5 fUr verschiedene Abktihlungsbedingungen aufgetragen ist. FUr diesen Anwendungsfall ist also die maBgebende GroBe der Warmeableitungswiderstand. Dieser kann durch die geometrischen Abmessungen, Kiihlmittel sowie Konvektionsbedingun80 mA

60

Abb . 5. Strom -Spannungs - Kennlinien eine s Kaltle iters (verschiedene Abklihlungsbedingungen)

20

(versch . Abkiihlungsbedingungen)

o

10

20

u-

v

30

7. 3 Der Kaltleiter als Temperaturftihler hoher E mpfindlichkeit

695

gen variiert werden. Ausgenutzt wird dies beim Fltissigkeitsstandsanzeiger und DurchfluBmengenmesser [5] . AuBer diesem quasistationaren Verhalten des Kaltleiters, das dem thermischen Gleichgewicht zwischen zu- und abgefiihrter Leistung entspricht, ist auch der Ubergang zwischen zwei Gleichgewichtszustanden selbst von erheblichem Interesse. Die Zeit, die ein Kaltleiter benotigt, urn nach Einschalten des Stromes seinen stationaren Wider stand zu erreichen, laBt sich wieder in weiten Grenzen durch die bereits angegebenen Faktoren variieren. Eine UI1tere Grenze der Ansprechzeit ist allerdings durch die eigene WarmekapaziUit des Kaltleiters gegeben. In erster Nliherung laBt sich diese Ansprechzeit aus der Beziehung (5)

Nt

=

c·m·dT

abschatzen . Hierbei bedeuten: N zugefiihrte mittlere Leistung, t Zeit, c spezifische Warme, m Masse, d T = T 2 - T 1, T 2 Endtemperatur, T 1 Anfangstemperatur .

Mit m

= 1j I q

_ und R

I

= P -; q

N

U2

=-

It

(U Spannung, R mittlerer Widerstand, p mittlerer spezifischer Widerstand, "fj Dichte, 1 Lange, q Querschnitt), folgt dann fi.ir die Zeit: (6)

t

12 = c·1l · p · d T · - . U2

Fiihrt man die Feldstarke E =.!:!. ein, so erhaIt man den von der Geome-

I

trie unabhangigen Minimalwert: (7)

Wegen des Varistoreffektes darf die Feldstarke einen Maximalwert E m • x nicht iiberst'eigen, da sonst der Widerstandsanstieg zu gering wird . Andererseits kann bei Anwendung derart hoher Feldstarken der EinfluB der Abkiihlungsverluste auf die Ansprechzeit in erster Nliherung vernachlassigt werden, wie Untersuchungen an verschieden dimensionierten Proben zeigten . Auch quantitativ ergab sich im Hinblick auf die starke Temperatur- und Feldabhangigkeit des spezifischen Widerstandes befriedigende Ubereinstimmung, z . B. erhaIt man mit den folgenden numerischen Werten:

696

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c

5,6

~

und

--L, 3 cm

p

60 a · cm

V

Emax = 150cm

Ansprechzeiten in der Grol3enordnungvon 0,1 sec . Dieses Ergebnis stimmt mit den von uns durchgefUhrten Messungen im wesentlichen iiberein. Typische Beispiele fiir diese Einsatzmoglichkeit sind die Relaisverzogerung - der Kaltleiter liegt z . B. in Reihe mit einem geeignet dimensionierten Widerstand und parallel zur Relaiswicklung - oder der Einphasenwechselstrommotor mit Starterwicklung. Im letzteren Falle liegt ein entsprechend dimensionierter Kaltleiter direkt in der Zuleitung zur Starterwicklung.

Der indirekt beheizte Kaltleiter

Ahnlich wie beim Heil3leiter wurde nun in jiingster Zeit auch ein indirekt beheizter Kaltleiter entwickelt. Durch die auf dem Kaltleiter angebrachte Heizwicklung kann die Temperatur und damit der Widerstand des Kaltleiters geregelt werden. Dies bedeutet, dal3 in der Widerstands-Temperatur-Charakteristik des Kaltleiters gemaB Abb. 3 in erster Nilllerung auf der Abszisse anstelle der Temperatur die Heizleistung oder die Spannung an der Heizwicklung aufgetragen werden kann, wie dies in Abb. 6 geschehen ist. Der MaI3stabsfaktor, mit dem sich dabei die Temperatur in die Heizspannung transformiert, kann selbstverstandlich weitgehend durch Dimensionsund Abkiihlungsbedingungen variiert werden . Die beiden charakteristischen Grol3en der Widerstands-Temperatur-Kurve, namlich die Curie-Temperatur, die den Einsatz des Widerstandsanstieges bestimrnt, und der Ternperaturkoeffizient des Widerstandes transforrnieren sich dabei in eine Schwellenspannung und in die Steilheit oberhalb dieser Schwellenspannung. Beide Grol3en konnen durch Wahl des Kaltleiterrnaterials in weiten Grenzen variiert werden . Aufgrund der hohen erreichbaren Steilheit ist auch eine Verstarkung von Regelgroi3en irn Prinzip rnoglich . Die aus Abb . 6 ersichtliche Widerstands-Spannungs-Charakteristikdes indirekt beheizten Kaltleiters entspricht weitgehend der eines Schwellenschalters . Sie diirfte fUr den Regelungstechniker, da Heizstrornkreis und Regelstrornkreis galvanisch vollkornrnen getrennt sind, grol3tes Interesse haben, z. B. als Grenzwertrnelder oder als Regelglied, dessen Wirkung oberhalb eines bestirnmten Spannungspegels einsetzen solI.

7.3 Der Kaltleiter a ls Temperaturfiihler hoher Empfindlichkeit JO 000

kO

1000

Kaltleit er

""",) [J. , , ,

u K.J,1.

697 =6V

= 20V

=40V

Heiz wicklung

t

=50V

R 100

Abb . 6. Wide r stand eine s indirekt behe izten Kaltleiters als Funktion de r He izspannung

TC = 120°C

10L-------__L -________L -______ o 2 v

~L_

3

U Ht'izs p . ~

Die zur Erlauterung der Eigenschaften dieses neuen Bauelementes in Abb . 6 wiedergegebenen MeBergebnisse beziehen sich auf einen Kaltleiter von 0,8 mm q; und 2 mm Lange . Curietemperatur 120°C. Auf dem Kaltleiter ist eine Heizwicklung von ca. 80 Q angebracht . Interessant ist, daB die Widerstands-Spannungs-Charakteristik nicht nur von der Heizspannung, sondern auch von der am Kaltleiter anliegenden Spannung abhangt. Dies ist an sich leicht verstandlich, da diese Spannung eine zusatzliche Eigenerwarmung des Kaltleiters bedingt . Hierdurch steigt der Wider stand bereits fUr niedrigere Heizspannungen an. AuBerdem ist der Varistoreffekt zu beriicksichtigen, der vor all em im Bereich hohen Widerstandes wirksam wird, so daB das erreichte Widerstandsmaximum absinkt . Man erhlilt also mit zunehmender Spannung am Kaltleiter eine Verflachung der Charakteristik . Eine solche Verflachung ist im Prinzip auch durch Variation des Kaltleitermaterials erzielbar . Interessant ist aber die ·Tatsache, daB sich hier eine Moglichkeit bietet, die Steilheit der Regelcharakteristik des Bauelementes auf elektrischem Wege zu steuern . Die hieraus sich ergebenden Steuermoglichkeiten konnen ilbersichtlicher gestaltet werden, wenn man nicht den Kaltleiter selbst durch Variation der anliegenden Spannung erwarmt , sondern auf dem Kaltleiter eine zweite Heizwicklung anbringt, die eine zusatz~iche Heizung ermoglicht, . wie dies in Abb. 7 wiedergegeben ist.

698

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UHt:inp. 1

10 000

.x I

x

kn

/

I

,l

=

2,2 V

=

2,1 V

= 2,OV

x

I

x

1000

Abb . 7. Widerstand als Funktion der Heizspannung U 2 eines indirekt beheizten Kaltleiters mit 2 Heizwicklungen

I

t

,i

R

I

I x

x

x

I

100

.0(

x

,t"

10~~~~--~--------~----------~

o

2

V

3

Die Wirkung der beiden Heizspannungen addieren sich, d. h. der Schwellenstrom der Heizspannung V 2 laBt sich durch Variation der Heizspannung VI willki.irlich nach tieferen Werten verschieben. Dies bedeutetfiir die Anwendung beispielsweise, daB es moglich ist, die Regelwirkung, die z. B. durch ein schwaches Hochfrequenzsignal V 2 gegeben ist, durch Variation der Hilfsspannung VI willki.irlich zu steuern. Die beiden hier herausgegriffenen F1ille konnen selbstverstandlich nur als Beispiele dienen; sie zeigen jedoch, daB der Kaltleiter interessante Moglichkeiten bietet, die vor allem durch den Knickpunkt seiner Charakteristik und seine extrem hohe Steilheit bedingt sind, wobei in der Widerstands-Charakteristik alle Parameter auch einer elektronischen Steuerung zuganglich sind .

Literatur

[1] Verwey , E. J. W., Haayman, P. W., Romeyn, P . W. und van Osterhout, G. W., Controlled-valency semiconductors, Philips Res. Rep. ~ (1950) 173 [2] Haayman, P. W., Dam, R. W. und Klasens, H. A., Herstellung von Halbleitermaterial, D. B. P. 929350

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3

i

3,

699 Solid

(1960) 877

als Sperrschichthalbleiter, Solid State Elec-

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