1. Thermisch veränderliche Widerstände

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Resistive Sensoren und Thermoelemente Kapitel 2/5 http://www.pegasus-sys.net/FheServices.htm Schutzelement für andere teurere Bauelemente eingesetzt wird, z.B.: Strombegrenzung, elektronische Überlastsicherung 19 und Temperaturkompensation. Für Temperaturen unterhalb von TC kommt es auf Grund der hohen Dielektrizitätskonstanten εR und spontaner Polarisation zum Zusammenbruch der Potentialbarrieren und damit zu sprunghaft erhöhter Leitfahigkeit 20 . Oberhalb der Sprungtemperatur TC (ferroelektrische Curietemperatur des Materials) kommt es zu einem exponentiellen Anstieg des Widerstandes. Auf Grund des Leitungsmechanismus im PTCs – Widerstandsverhalten ist vom elektrischen Verhalten der Korngrenzen abhängig – ist zu erwarten, daß sich an den Korngrenzen sehr starke kapazitive Effekte zeigen werden und der maximale Widerstand (Scheinwiderstand) damit sehr stark mit der Frequenz variieren wird. Der reale PTC wird sich somit nicht rein ohm’sch verhalten sondern ebenfalls einen gewissen kapazitiven Anteil aufweisen. Die Ersatzschaltung und das Verhalten bei verschiedenen Frequenzen zeigt folgende Abbildung: Abb. 1.18. Ersatzschaltung des PTCs (A) und Einfluß der Frequenz auf die R/T Kennlinie (B) Die Anwendungsbereiche von PTCs als Temperatursensoren sind ähnlich denen von NTCs und sollen hier nicht getrennt behandelt werden – siehe Kapitel NTC. Für weiterführende Informationen über PTC Thermistoren siehe auch: 2. Magnetoresistive Sensoren http://www.epcos.com/web/produkt_katalog/html/ptc_thermistors_e.html Magnetoresistive Bauelemente – oder auch Feldplatten – stellen magnetisch veränderliche Widerstände dar. Der zugrundeliegende physikalische Effekt ist die Lorentz Kraft. Diese beschreibt die Kraftwirkung des magnetischen Feldes auf bewegte Ladungsträger und kann folgendermaßen dargestellt werden: 19 Der PTC kann als reversible elektronische Sicherung eingesetzt werden. Entsteht infolge eines Fehlers ein unerwartet hoher Stromfluß, so erwärmt sich der PTC durch den ihn durchfließenden Strom – Joulsches Gesetz – und ändert seinen Widerstand sprunghaft nach hohen Werten. Es fällt somit die gesamte Spannung im Kreis am PTC ab. Nach Behebung des Fehlers und einer kurzen Abkühlphase hat der PTC wieder seinen niederen Widerstandswert angenommen und ist wieder als Sicherungselement einsetzbar. Im allgemeinen enthalten Netztransformatoren intern als Überlast- und Temperaturschutz einen PTC als Schutzelement. 20 Oberhalb der ferroelektrischen Curietemperatur bricht die spontane Polarisation zusammen und es sinkt die Dielektrizitätskonstante auf den Wert ε0. Hierdurch bilden sich an den Korngrenzen Potentialbarrieren aus die einen Elektronenfluß in benachbarte Körnen verhindert. Dies führt auf einem sprunghaften Anstieg des elektrischen Widerstandes und bedingt den hohen positiven Temperaturkoeffizienten α von PTCs. C.Brunner - Elektronische Sensorik Seite 12/20
Resistive Sensoren und Thermoelemente Kapitel 2/5 http://www.pegasus-sys.net/FheServices.htm r r r = Q ( v × B) mit v als Geschwindigkeit und B als magnetische Induktion. FL e Abb. 2.1. Illustration Lorentz Kraft auf bewegte Elektronen 21 Durch die Lorentz Kraft FL werden die Ladungsträger von ihrer geradlinigen Bahn abgelenkt und durch eine geeignete Wahl der Sensorgeometrie ergeben sich hiermit stark verlängerte Bahnen für den Stromfluß und somit eine Erhöhung des elektrischen Widerstandes 22 . Um eine maximale Ausnutzung diese Effektes zu gewährleisten sollte die Breite groß gegenüber der Länge des Elementes sein. Dies führt auf eine sogenannte Barber pole Anordnung in der sehr viele magnetisch empfindliche Querstreifen in Serie angeordnet werden. Abb. 2.2. Feldplatte auf Halbleiterbasis (A) und Barber pole Anordnung für Permalloy 21 Die Kraft berechnet sich aus dem Ex Produkt der beiden Vektoren für die Geschwindigkeit v und der magnetischen Induktion B. Die Richtung von F läßt sich mit der rechten Hand Regel (Daumen in Richtung der Geschwindigkeit v, B Zeigefinger , usw.) bestimmen. Für Elektronen als Ladungsträger wirkt die Kraft auf Grund der negativen Ladung des Elektrons in die Gegenrichtung. 22 Neuere Forschungsergebnisse an extrem dünnen Schichten (im nm Bereich) aus ferro- und unmagnetischen Materialien zeigen einen extrem starken magnetoresistiven Effekt – GMR Giant Magneto Resistance. Der physikalische Effekt ist aber nicht mit dem normalen magnetoresistiven Verhalten von Halbleiterschichten vergleichbar. Konvetionelles magnetoresistives Verhalten ist auf den Halleffekt zufolge der Lorentz Kraft zurückzuführen. Der GMR ist von der Strom und Feldrichtung unabhängig. Bei beliebiger Ausrichtung der magnetischen Bezirke (ohne einwirkendes äußeres Magnetfeld) hat das Material seinen maximalen elektrischen Widerstand. Wirkt ein äußeres Magnetfeld auf die Struktur ein so richten sich die magnetischen Elementarbezirke (Weiß’schen Bezirke) zufolge des Feldes aus und der elektrische Widerstand fällt drastisch. Der GMR ermöglicht sehr hohe magnetische Empfindlichkeiten und findet in Biosensorik und Computertechnik (Leseköpfe von HDD) Einsatz. C.Brunner - Elektronische Sensorik Seite 13/20
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