PTC termistor

Co jsou PTC termistory?

PTC znamená „kladný teplotní koeficient“. PTC termistory jsou rezistory s kladným teplotním koeficientem, což znamená, že odpor se zvyšuje s rostoucí teplotou.

PTC termistory se dělí do dvou skupin podle použitých materiálů, struktury a výrobního procesu. První skupinu PTC termistorů tvoří silistory, které jako polovodivý materiál používají křemík. Používají se jako PTC snímače teploty pro svou lineární charakteristiku. Druhou skupinou jsou PTC termistory spínacího typu. Tento typ PTC termistorů se široce používá v PTC ohřívačích, senzorech atd. Do této druhé skupiny patří také polymerové PTC termistory vyrobené ze speciálního plastu, které se často používají jako resetovatelné pojistky. Spínací typ PTC termistoru má vysoce nelineární křivku odporu a teploty. Při zahřívání spínacího typu PTC termistoru začne jeho odpor nejprve klesat, dokud není dosaženo určité kritické teploty. Při dalším zvyšování teploty nad tuto kritickou hodnotu se odpor dramaticky zvyšuje. Tento článek se zaměří na termistory PTC spínacího typu.

Definice termistoru PTC

Termistor PTC je tepelně citlivý rezistor, jehož odpor výrazně roste s teplotou.

Charakteristika termistorů PTC

Spínací termistory PTC jsou obvykle vyrobeny z polykrystalických keramických materiálů, které jsou v původním stavu vysoce odporové a přídavkem dopantů se stávají polovodivými. Většinou se používají jako PTC samoregulační topná tělesa. Teplota přechodu většiny spínaných PTC termistorů se pohybuje mezi 60 °C a 120 °C. Vyrábějí se však speciální aplikační zařízení, která mohou spínat již při 0 °C nebo až při 200 °C.

Silistory mají lineární odporově-teplotní charakteristiku se sklonem, který je ve většině jejich pracovního rozsahu relativně malý. Při teplotách nad 150 °C mohou vykazovat záporný teplotní koeficient. Silistory mají teplotní součinitel odporu přibližně 0,7 až 0,8 °C.

Odporově-teplotní(R-T) charakteristiky termistoru PTC a silistoru

Přechodová teplota (Tc)

Jak je patrné z obrázku, spínací termistory PTC mají až do bodu minimálního odporu mírně záporný teplotní součinitel. Nad tímto bodem vykazuje mírně kladný koeficient až do okamžiku, kdy dosáhne své přechodové teploty – TC. Tato teplota se nazývá spínací, přechodová nebo Curieova teplota. Teplota spínání je teplota, při které začne odpor spínacích termistorů PTC rychle stoupat. Curieho teplota je většinou definována jako teplota, při které je odpor dvakrát větší než hodnota minimálního odporu.

Minimální odpor (Rmin)

Minimální odpor PTC termistoru je nejnižší odpor, který lze u PTC termistoru spínaného typu naměřit, jak je vidět na křivce R-T. Minimální odpor PTC termistoru je nejnižší odpor, který lze naměřit u PTC termistoru spínaného typu. Je to bod na křivce, za kterým se teplotní koeficient změní na kladný.

Jmenovitý odpor (R25)

Jmenovitý odpor PTC je obvykle definován jako odpor při 25 °C. Slouží ke klasifikaci termistorů podle hodnoty jejich odporu. Měří se malým proudem, který neohřívá termistor natolik, aby ovlivnil měření.

Rozptylová konstanta

Rozptylová konstanta představuje vztah mezi přiloženým výkonem a výsledným zvýšením teploty tělesa v důsledku samovolného zahřívání. Některé z faktorů, které ovlivňují disipační konstantu, jsou: materiály kontaktních vodičů, způsob montáže termistoru, teplota okolí, kondukční nebo konvekční cesty mezi zařízením a jeho okolím, velikost a dokonce i tvar samotného zařízení. Rozptylová konstanta má zásadní vliv na samozahřívací vlastnosti termistoru.

Maximální jmenovitý proud

Jmenovitý proud představuje maximální proud, který může trvale protékat PTC termistorem při stanovených okolních podmínkách. Jeho hodnota závisí na rozptylové konstantě a R-T křivce. Pokud je termistor přetížen až do bodu, kdy teplotní koeficient začne opět klesat, dojde k situaci, kdy dojde k vyčerpání výkonu a zničení termistoru.

Maximální jmenovité napětí

Podobně jako maximální jmenovitý proud představuje maximální jmenovité napětí nejvyšší napětí, které může být trvale přivedeno na termistor při stanovených okolních podmínkách. I jeho hodnota závisí na rozptylové konstantě a R-T křivce.

Režimy činnosti

V závislosti na aplikaci lze PTC termistory používat ve dvou režimech činnosti: samočinném ohřevu a snímání (nazývaném také nulový výkon).

Režim samočinného ohřevu

Samočinné aplikace využívají skutečnosti, že když je na termistor přivedeno napětí a protéká jím dostatečný proud, jeho teplota se zvyšuje. Jakmile se přiblíží Curieho teplota, odpor se dramaticky zvýší, což umožní průchod mnohem menšího proudu. Toto chování je patrné z obrázku vlevo. Změna odporu v blízkosti Curieho teploty může být několik řádů v rozmezí pouhých několika stupňů. Pokud zůstane napětí konstantní, proud se ustálí na určité hodnotě, jakmile termistor dosáhne tepelné rovnováhy. Rovnovážná teplota závisí na přiloženém napětí a také na činiteli tepelného rozptylu termistoru. Tento provozní režim se často využívá při návrhu obvodů s časovým zpožděním závislým na teplotě.

Režim snímání (s nulovou spotřebou)

V tomto provozním režimu je spotřeba energie termistoru tak malá, že má na rozdíl od režimu vlastního ohřevu zanedbatelný vliv na teplotu termistoru, a tedy i na jeho odpor. Snímací režim se obvykle používá při měření teploty pomocí referenční křivky R-T.

Konstrukce a vlastnosti

Termistory PTC spínacího typu jsou vyrobeny z polykrystalických materiálů. Často se vyrábějí ze směsí uhličitanu barnatého, oxidu titaničitého a přísad, jako je tantal, oxid křemičitý a mangan. Materiály se rozemelou, smíchají, stlačí do tvaru kotoučů nebo obdélníků a spékají. Poté jsou přidány kontakty a nakonec jsou potaženy nebo zapouzdřeny. Výrobní proces vyžaduje velmi pečlivou kontrolu materiálů a nečistot. Znečištění v řádu několika částic na milion může způsobit zásadní změny tepelných a elektrických vlastností.

Polymerní PTC jsou vyrobeny z plátku plastu s vloženými uhlíkovými zrny. Když je zařízení chladné, jsou uhlíková zrna ve vzájemném těsném kontaktu a vytvářejí vodivou cestu skrz zařízení. Jak se zařízení zahřívá, plast se rozpíná a zrnka se od sebe vzdalují, čímž se zvyšuje celkový odpor zařízení.

Křemíkové tranzistory se spoléhají na objemové vlastnosti dopovaného křemíku a vykazují charakteristiky odporu a teploty, které se blíží lineárním. Vyrábějí se z vysoce kvalitních čistých křemíkových destiček, vyráběných v různých tvarech. Teplotní odporová křivka závisí na množství použitého dopování.

Typické aplikace PTC termistorů

Samoregulační ohřívače

Prochází-li spínaným PTC termistorem proud, automaticky se stabilizuje při určité teplotě. To znamená, že pokud se teplota sníží, sníží se i odpor, což umožní průchod většího proudu a tím i ohřev zařízení. Podobně, pokud se teplota zvýší, zvýší se i odpor, což omezí proud procházející zařízením, a tím ho ochladí. PTC termistor pak dosáhl bodu, kdy je spotřebovaný výkon prakticky nezávislý na napětí v poměrně širokém rozsahu napětí. Tyto PTC termistory se často vyrábějí z keramiky různých tvarů a velikostí a díky své konstrukční flexibilitě jsou PTC keramické ohřívače skvělou volbou pro zajištění řízeného elektrického tepla. Pro zvýšení přenosu tepla lze keramické topné prvky namontovat na hliníkové chladiče nebo mřížky.

Přídavná proudová ochrana

Přepínané PTC termistory se používají jako omezovače nadproudu nebo resetovatelné pojistky v různých obvodech. V případě nadproudové situace se teplota těla termistoru zvýší a rychle dosáhne přechodové teploty. To má za následek prudký nárůst odporu PTC termistoru a omezení proudu v obvodu. Po vyřešení nadproudové nebo zkratové situace a opětovném ochlazení termistoru bude obvod opět fungovat normálně. Tímto způsobem funguje jako automatická resetovatelná pojistka. Obvykle se pro tuto aplikaci používají polymerové PTC termistory. Jsou známy pod různými obchodními názvy, například polyfuse, polyswitch a multifuse.

Časové zpoždění

Časové zpoždění v obvodu lze zajistit pomocí doby potřebné k tomu, aby se PTC termistor zahřál natolik, že se přepne ze stavu nízkého odporu do stavu vysokého odporu a naopak. Časové zpoždění závisí na velikosti, okolní teplotě a napětí, ke kterému je připojen, a také na obvodu, ve kterém je použit. Příkladem použití PTC termistorů s časovým zpožděním je jejich použití v zářivkách. Při prvním připojení napájení je termistor ve studeném stavu (pokojová teplota). Napětí zářivky je nižší než zapalovací napětí a proud protékající obvodem současně zahřívá elektrody a PTC. Po dosažení Curieovy teploty se PTC sepne, napětí na výbojce překročí zapalovací napětí a výbojka začne normálně pracovat. Předehřátí elektrod výrazně prodlužuje životnost lampy, proto se v takových obvodech používají termistory PTC.

Rozběh motoru

Některé elektromotory mají samostatné rozběhové vinutí, které je třeba napájet pouze při rozběhu motoru. V takových případech můžeme využít samozahřívacího účinku PTC termistoru zapojeného do série s takovým vinutím. Při zapnutí obvodu má PTC termistor nízký odpor a umožňuje průchod proudu rozběhovým vinutím. Při rozběhu motoru se PTC termistor zahřívá a v určitém okamžiku přejde do stavu s vysokým odporem. Doba potřebná k tomu, aby k tomu došlo, se vypočítá na základě požadované doby rozběhu motoru. Po zahřátí se proud procházející termistorem PTC stane zanedbatelným a tím se vypne proud spouštěcího vinutí.

Snímání hladiny kapaliny

Tyto aplikace se spoléhají na změnu konstanty rozptylu při zvýšení přenosu tepla vedením a konvekcí. Zvýšení rozptylové konstanty v důsledku kontaktu zařízení s kapalinou nebo zvýšeného proudění vzduchu nad zařízením sníží provozní teplotu termistoru a zvýší množství výkonu potřebného k udržení dané teploty tělesa. Toto zvýšení výkonu lze měřit a signalizuje systému, že termistor je například ponořen do kapaliny.

Symbol termistoru PTC

Následující symbol se podle normy IEC používá pro termistor s kladným teplotním součinitelem.

Symbol termistoru PTCNorma IEC

.