PTC termistor

Hvad er PTC termistorer?

PTC står for “Positive Temperature Coefficient” (positiv temperaturkoefficient). PTC-termistorer er modstande med en positiv temperaturkoefficient, hvilket betyder, at modstanden stiger med stigende temperatur.

PTC-termistorer er opdelt i to grupper, baseret på de anvendte materialer, deres struktur og fremstillingsprocessen. Den første gruppe af PTC-termistorer består af silistorer, som anvender silicium som det halvledende materiale. De anvendes som PTC-temperatursensorer på grund af deres lineære karakteristik. Den anden gruppe er PTC-termistorer af switching-typen. Denne type PTC-termistorer anvendes i vid udstrækning i PTC-varmere, sensorer osv. Polymer-PTC-termistorer, der er fremstillet af en særlig plast, hører også til denne anden gruppe og anvendes ofte som nulstillelige sikringer. PTC-termistorer af switching-typen har en meget ikke-lineær modstandstemperaturkurve. Når en PTC-termistor af koblingstypen opvarmes, begynder modstanden først at falde, indtil en vis kritisk temperatur er nået. Når temperaturen øges yderligere over denne kritiske værdi, stiger modstanden drastisk. Denne artikel vil fokusere på PTC-termistorer af switching-typen.

Definition af PTC-termistorer

En PTC-termistor er en termisk følsom modstand, hvis modstand stiger betydeligt med temperaturen.

Karakteristika ved PTC-termistorer

Switching PTC-termistorer er normalt fremstillet af polykrystallinske keramiske materialer, der er stærkt resistive i deres oprindelige tilstand og gøres halvledende ved tilsætning af doteringsstoffer. De anvendes hovedsagelig som PTC-selvregulerende varmelegemer. Overgangstemperaturen for de fleste af de koblede PTC-termistorer er mellem 60 °C og 120 °C. Der fremstilles dog enheder til specielle anvendelser, som kan skifte så lavt som 0 °C eller så højt som 200 °C.

Silistorer har en lineær modstandstemperaturkarakteristik med en relativt lille hældning i det meste af deres driftsområde. De kan udvise en negativ temperaturkoefficient ved temperaturer over 150 °C. Silistorer har temperaturkoefficienter for modstand på ca. 0,7 til 0,8 °C.

Modstand-temperatur(R-T)-karakteristikken for en PTC-termistor og en silistor

Temperaturovergang (Tc)

Som det fremgår af figuren, har skiftende PTC-termistorer en let negativ temperaturkoefficient op til det punkt, hvor modstanden er mindst. Over dette punkt oplever den en let positiv koefficient frem til det øjeblik, hvor den når sin overgangstemperatur – TC. Denne temperatur kaldes switch-, overgangs- eller Curie-temperaturen. Skiftetemperaturen er den temperatur, ved hvilken modstanden for PTC-termistorer af switching-typen begynder at stige hurtigt. Curietemperaturen defineres oftest som den temperatur, hvor modstanden er dobbelt så høj som værdien af minimumsmodstanden.

Minimumsmodstand (Rmin)

Minimumsmodstanden for en PTC-termistor er den laveste modstand, der kan måles på en PTC-termistor af switchet type, som det ses på R-T-kurven. Det er det punkt på kurven, hvorefter temperaturkoefficienten bliver positiv.

Rated resistance (R25)

Den nominelle PTC-modstand er normalt defineret som modstanden ved 25 °C. Den tjener til at klassificere termistorerne i henhold til deres modstandsværdi. Den måles med en lav strøm, der ikke opvarmer termistoren tilstrækkeligt til at påvirke målingen.

Dissipationskonstant

Dissipationskonstanten repræsenterer forholdet mellem den påførte effekt og den resulterende kropstemperaturforøgelse som følge af selvopvarmning. Nogle af de faktorer, der påvirker dissipationskonstanten, er: kontakttrådsmaterialer, den måde, hvorpå termistoren er monteret, omgivelsestemperaturen, konduktions- eller konvektionsveje mellem enheden og dens omgivelser, størrelsen og endog selve enhedens form. Dissipationskonstanten har stor betydning for termistorens selvopvarmningsegenskaber.

Maksimal nominel strøm

Den nominelle strøm repræsenterer den maksimale strøm, der konstant kan strømme gennem en PTC-termistor ved bestemte omgivelsesforhold. Dens værdi afhænger af dissipationskonstanten og R-T-kurven. Hvis termistoren overbelastes indtil det punkt, hvor temperaturkoefficienten begynder at falde igen, vil dette resultere i en løbsk strømsituation og ødelæggelse af termistoren.

Maksimal nominel spænding

Som den maksimale nominelle strøm repræsenterer den maksimale nominelle spænding den højeste spænding, der kontinuerligt kan påføres termistoren ved specificerede omgivelsesforhold. Dens værdi afhænger også af dissipationskonstanten og R-T-kurven.

Driftsformer

Afhængigt af anvendelsen kan PTC-termistorer anvendes i to driftsformer; selvopvarmet og aftastning (også kaldet nulstrøm).

Selvopvarmet tilstand

Selvopvarmede anvendelser udnytter det faktum, at når der påføres en spænding på en termistor, og der løber tilstrækkelig strøm gennem den, stiger dens temperatur. Når Curietemperaturen nærmer sig, stiger modstanden dramatisk, så der kan løbe meget mindre strøm. Denne adfærd kan ses af figuren til venstre. Modstandsændringen i nærheden af Curietemperaturen kan være flere størrelsesordener inden for et temperaturspænd på kun få grader. Hvis spændingen forbliver konstant, vil strømmen stabilisere sig på en bestemt værdi, efterhånden som termistoren når termisk ligevægt. Ligevægtstemperaturen afhænger af den anvendte spænding samt termistorens termiske dissipationsfaktor. Denne driftsform anvendes ofte ved konstruktion af temperaturafhængige tidsforsinkelseskredsløb.

Sensing (zero-power) mode

I denne driftsform er termistorens strømforbrug så lille, at det har en ubetydelig effekt på termistorens temperatur og dermed modstand, i modsætning til den selvopvarmede tilstand. Føletilstanden anvendes normalt ved temperaturmåling med R-T-kurven som reference.

Konstruktion og egenskaber

PTC-termistorer af switching-typen er fremstillet af polykrystallinske materialer. De fremstilles ofte ved hjælp af blandinger af bariumcarbonat, titanoxid og tilsætningsstoffer som tantal, silica og mangan. Materialerne males, blandes, komprimeres til skiver eller rektangler og sintres. Herefter tilsættes kontakter, og til sidst belægges eller indkapsles de. Fremstillingsprocessen kræver en meget omhyggelig kontrol af materialer og urenheder. Forureninger i størrelsesordenen et par dele pr. million kan medføre store ændringer i de termiske og elektriske egenskaber.

Polymer-PTC’er er fremstillet af en skive plast med kulstofkorn indlejret i den. Når enheden er kold, er kulstofkornene i tæt kontakt med hinanden og danner en ledende vej gennem enheden. Når enheden opvarmes, udvider plasten sig, og kornene bevæger sig længere fra hinanden, hvilket øger enhedens samlede modstand.

Silistorer er afhængige af bulkegenskaberne for doteret silicium og udviser modstandstemperaturkarakteristika, der er tæt på lineære. De fremstilles af siliciumskiver af høj ren kvalitet, der fremstilles i forskellige former. Temperatur-modstandskurven afhænger af den anvendte mængde doping.

Typiske anvendelser for PTC-termistorer

Selvregulerende varmelegemer

Hvis der løber en strøm gennem en koblende PTC-termistor, vil den automatisk stabilisere sig ved en bestemt temperatur. Det betyder, at hvis temperaturen sænkes, vil modstanden også falde, så der kan løbe mere strøm og dermed opvarme enheden. På samme måde øges modstanden også, hvis temperaturen øges, hvilket begrænser den strøm, der passerer gennem enheden, og dermed køler den ned. PTC-termistoren har så nået et punkt, hvor den forbrugte strøm praktisk talt er uafhængig af spændingen over et relativt bredt spændingsområde. Disse PTC-termistorer er ofte fremstillet af keramik i forskellige former og størrelser, og på grund af deres designfleksibilitet er PTC-keramikvarmere et godt valg til at levere kontrolleret elektrisk varme. For øget varmeoverførsel kan de keramiske varmeelementer monteres på aluminiumsvarmeplader eller -gitre.

Overstrømsbeskyttelse

Skiftede PTC-termistorer anvendes som overstrømsbegrænsere eller nulstillelige sikringer i forskellige kredsløb. I tilfælde af en overstrømsituation stiger termistorens kropstemperatur og når hurtigt overgangstemperaturen. Dette resulterer i, at PTC-termistorens modstand stiger kraftigt, hvilket begrænser strømmen i kredsløbet. Når overstrøms- eller kortslutningssituationen er løst, og termistoren er kølet ned igen, vil kredsløbet igen fungere som normalt. På denne måde fungerer den som en automatisk nulstillelig sikring. Normalt anvendes polymer PTC-termistorer til denne anvendelse. De er kendt under forskellige handelsnavne såsom polyfuse, polyswitch og multifuse.

Tidsforsinkelse

En tidsforsinkelse i et kredsløb kan tilvejebringes ved hjælp af den tid, der er nødvendig for en PTC-termistor til at varme nok op til at skifte fra dens tilstand med lav modstand til en tilstand med høj modstand og omvendt. Tidsforsinkelsen afhænger af størrelsen, den omgivende temperatur og den spænding, den er tilsluttet, samt af det kredsløb, den anvendes i. Et eksempel på tidsforsinket anvendelse af PTC-termistorer er deres anvendelse i lysstofrørslamper. Når der først tilføres strøm, er termistoren i en kold tilstand (rumtemperatur). Lampespændingen er under tændspændingen, og den strøm, der løber gennem kredsløbet, opvarmer elektroderne og PTC’en på samme tid. Når Curie-temperaturen er nået, skifter PTC’en, spændingen over lampen overstiger tændspændingen, og lampen begynder at fungere normalt. Forvarmning af elektroderne forlænger lampens levetid betydeligt, hvilket er grunden til, at PTC-termistorer anvendes i sådanne kredsløb.

Motorstart

Nogle elmotorer har en separat startspole, som kun skal forsynes med strøm under motorstarten. I sådanne tilfælde kan vi udnytte den selvopvarmende effekt af en PTC-termistor, der er forbundet i serie med en sådan vikling. Når kredsløbet er tændt, har PTC-termistoren en lav modstand, så strømmen kan passere gennem opstartsviklingen. Efterhånden som motoren starter, varmes PTC-termistoren op og skifter på et tidspunkt til en højmodstandstilstand. Den tid, der er nødvendig for at dette sker, beregnes på grundlag af den nødvendige motoropstartstid. Når den er opvarmet, bliver strømmen gennem PTC-termistoren ubetydelig, og dette lukker for opstartsviklingsstrømmen.

Væskestandsaflæsning

Disse anvendelser er afhængige af ændringen i dissipationskonstanten, når konduktions- og konvektionsvarmeoverførslen øges. En stigning i dissipationskonstanten som følge af kontakten mellem enheden og en væske eller en øget luftstrøm over enheden vil sænke termistorens driftstemperatur og øge den effekt, der er nødvendig for at opretholde en given kropstemperatur. Effektforøgelsen kan måles og indikerer over for systemet, at termistoren f.eks. er nedsænket i en væske.

PTC termistorsymbol

Det følgende symbol anvendes for en termistor med positiv temperaturkoefficient i henhold til IEC-standarden.

PTC termistorsymbolIEC-standard