Der robuste Allrounder namens „PTC“ – Heizen mit temperaturabhängigen Widerständen

Ob Heizpatrone, Konvektionsheizgeräte oder Kontaktheizer: PTC steht für selbstregelnde Heiztechnik auf kleinstem Raum. PTC Heizelemente bringen Gasgemische, Flüssigkeiten, Luft oder Feststoffe selbstregelnd auf eine definierte Temperatur. Dabei sind sie extrem prozesssicher, überhitzen nicht und brennen nicht durch. Selbst für schwierige Einsatzgebiete, wie z.B. im Automobil- oder Hochvoltbereich, sind die robusten Allrounder eine sichere Wahl.

Wie funktioniert Heizen mit temperaturabhängigen Widerständen?

Physikalische Funktionsweise und Vorteile von Heizlösungen mit Kaltleitern

Was genau steckt hinter der PTC Heiztechnologie? Was hat eine Keramik eigentlich mit Heizen zu tun? Und was ist ein Kaltleiter? Bei der Recherche zu dem Thema „Heizen mit positivem Temperaturkoeffizienten“ stolpert man über so einige Schlagworte: Heizwiderstand, Heizkeramik oder PTC-Thermistor. Wir nehmen den Kaltleiter unter die Lupe und erklären, was es damit auf sich hat.

Der PTC-Widerstand ist ein elektronisches Bauteil aus Keramik (Bariumtitanat), welches durch seine spezielle Zusammensetzung einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist (englisch: positive temperature coefficient oder kurz PTC). Das bedeutet, der Strom fließt immer dann besonders gut, wenn die Temperatur niedrig ist. Daher kommt auch der Name „Kaltleiter“. Steigt die Temperatur an, steigt auch der Widerstand des PTC und es fließt weniger Strom. Warum ist das so?

Die PTC Keramiken setzen sich aus sehr kleinen Kristallen zusammen, durch welche der elektrische Strom fließt. Steigt die Temperatur an, bilden sich an den Grenzen dieser Kristalle sogenannte Sperrschichten. Diese stören die Bewegung der Elektronen, wodurch der Strom schlechter hindurchfließen kann.

Das heißt im Klartext: Ein PTC-Heizelement funktioniert immer genau dann optimal, wenn die Wärme besonders gut abgeleitet wird. Geschieht dies nicht, steigt der Eigenwiderstand und der Selbstregelungs-Effekt wird aktiviert. Das ist jedoch nichts schlechtes, sondern ein durchaus erwünschter Sicherheitsaspekt! Diese besondere physikalische Eigenschaft nennt man PTC-Effekt. Er macht die PTC Heiztechnologie zu einer prozesssicheren Lösung für viele Anwendungsfelder in der Industrie.

Temperaturabhängige Widerstände in der Rolle als Heizelement

Ihre schnelle und gleichmäßige Durchwärmung ist nur einer der vielen Benefits von PTC Heizelementen. Gegenüber klassischen Heizlösungen mit Widerstandsdraht bringt der PTC viele Vorteile mit sich. Was kann man von einem PTC Heizelement in der Praxis erwarten? Wie verhält es sich im Endgerät und worauf ist zu achten?

Das typische Verhalten einer PTC Heizkeramik

Der typische Widerstandsverlauf eines Halbleiters in Abhängigkeit der Temperatur wird als PTC-Kurve bezeichnet, dargestellt in Abbildung 2. Der Anfangswiderstand des PTC nimmt mit steigender Temperatur zunächst etwas ab, bis der tiefste Widerstandswert Rmin erreicht ist.
**Dank dieses geringen Widerstandes im kalten Zustand wird der PTC schnell warm, er hat also eine kurze Aufheizzeit.**

Eine weitere Besonderheit ist der Einschaltstrom-Peak. Da der PTC im Rmin seinen geringsten Widerstand besitzt, fließt dort besonders viel Strom, wodurch er bei jedem Einschalten für wenige Sekunden einen erhöhten Einschaltstrom aufweist.

Nun beginnt das eigentliche PTC-Verhalten und der Widerstand steigt bis zur Nenntemperatur Tc nichtlinear an. Ab diesem Punkt, auch als Curie-Temperatur bezeichnet, nimmt der Widerstand stark zu, um mehrere Zehnerpotenzen.

Der Arbeitsbereich des PTC erstreckt sich von der Nenntemperatur Tc bis zur maximalen Endtemperatur Te, wo kaum noch Storm fließt. Die maximale Temperatur eines PTC ist abhängig von der Zusammensetzung der Keramik und lässt sich im Vorfeld bestimmen. Hat der PTC diese Temperatur erreicht befindet er sich in einem Gleichgewichtszustand zwischen elektrischer und thermischer Energie. Wird die Wärmeabgabe verbessert, resultiert dies in einer Abkühlung der PTC Keramik. Die damit verbundene Widerstandsreduzierung lässt die elektrische Leistung ansteigen, bis ein neuer Gleichgewichtszustand erreicht ist.

Vorteile einer PTC Heizlösung

Egal welche Form die Heizlösung am Ende annimmt - ob Kontaktheizelement, Luftkanalheizer oder Innenraumbeheizung – alle bringen die Vorteile der PTC Heiztechnologie mit sich:

Langlebige Heizkeramik mit guter Wärmespeicherung und geringer Abnutzung
Hohe elektrische Leitfähigkeit des Materials bei niederen Temperaturen
Bereits kontaktiert mit Elektrode, was Sicherheit und Betriebsintegrität gewährleistet
Hohe Heizleistung pro Fläche ermöglicht hohe Heizleistung auf kleinstem Raum
Einsetzbar ohne Temperaturregler, kein Zubehör notwendig
Integrierter Überhitzungsschutz dank PTC Effekt
Hohe Betriebssicherheit
Energieeffizientes Heizverhalten, da bei hoher Temperatur kaum noch Strom fließt
Heizelement passt sich dynamisch an die Umgebungstemperatur an
Verfügt über Hochspannungsisolierung, so dass keine externe Erdung oder Isolierung erforderlich ist
Flexibel einsetzbar zur Realisierung von Heizlösungen für verschiedenste Bauräume