PTC-termistori

Mitä ovat PTC-termistorit?

PTC on lyhenne sanoista ”positiivinen lämpötilakerroin”. PTC-termistorit ovat vastuksia, joilla on positiivinen lämpötilakerroin, mikä tarkoittaa, että vastus kasvaa lämpötilan kasvaessa.

PTC-termistorit jaetaan kahteen ryhmään käytettyjen materiaalien, rakenteen ja valmistusprosessin perusteella. Ensimmäiseen PTC-termistorien ryhmään kuuluvat silistorit, joissa puolijohtavana materiaalina käytetään piitä. Niitä käytetään PTC-lämpötila-antureina niiden lineaarisen ominaisuuden vuoksi. Toinen ryhmä on kytkentätyyppiset PTC-termistorit. Tämäntyyppisiä PTC-termistoreja käytetään laajalti PTC-lämmittimissä, antureissa jne. PolymeeripTC-termistorit, jotka on valmistettu erityisestä muovista, kuuluvat myös tähän toiseen ryhmään, ja niitä käytetään usein nollautuvina sulakkeina. Kytkentätyyppisellä PTC-termistorilla on erittäin epälineaarinen vastus-lämpötilakäyrä. Kun kytkentätyyppistä PTC-termistoria lämmitetään, vastus alkaa aluksi pienentyä, kunnes saavutetaan tietty kriittinen lämpötila. Kun lämpötilaa nostetaan edelleen kriittisen arvon yläpuolelle, resistanssi kasvaa dramaattisesti. Tässä artikkelissa keskitytään kytkentätyyppisiin PTC-termistoreihin.

PTC-termistorin määritelmä

PTC-termistori on lämpöherkkä vastus, jonka resistanssi kasvaa merkittävästi lämpötilan kasvaessa.

PTC-termistoreiden ominaisuudet

Kytkentätyyppiset PTC-termistorit valmistetaan tavallisesti monikiteisistä keraamisista materiaaleista, jotka alkuperäisessä olomuodossaan ovat erittäin resistiivisiä, ja jotka tehdään puolijohtaviksi lisäämällä niihin dopantteja. Niitä käytetään useimmiten itsesäätyvinä PTC-lämmittiminä. Useimpien kytkettyjen PTC-termistoreiden siirtymislämpötila on 60 °C:n ja 120 °C:n välillä. Valmistetaan kuitenkin erikoissovelluslaitteita, jotka voivat kytkeytyä jopa 0 °C:n tai 200 °C:n lämpötilaan.

Silistoreilla on lineaarinen vastus-lämpötila-ominaisuus, jonka kaltevuus on suhteellisen pieni suurimmalla osalla niiden toiminta-alueesta. Niillä voi olla negatiivinen lämpötilakerroin yli 150 °C:n lämpötiloissa. Silistoreiden lämpötilakerroin on noin 0,7-0,8 °C.

PTC-termistorin ja silistorin resistanssi-lämpötila(R-T)-ominaisuudet

Transitiolämpötila (Tc)

Kuten kuvasta nähdään, kytkentäisillä PTC-termistoreilla on lievästi negatiivinen lämpötilakerroin resistanssin minimipisteeseen asti. Tämän pisteen yläpuolella sillä on hieman positiivinen kerroin siihen hetkeen asti, kun se saavuttaa siirtymislämpötilansa – TC. Tätä lämpötilaa kutsutaan kytkentä-, siirtymä- tai Curie-lämpötilaksi. Kytkentälämpötila on lämpötila, jossa kytkentätyyppisten PTC-termistoreiden resistanssi alkaa kasvaa nopeasti. Curie-lämpötila määritellään useimmiten lämpötilaksi, jossa resistanssi on kaksi kertaa pienempi kuin minimiresistanssin arvo.

Minimiresistanssi (Rmin)

Kytkentätyyppisen PTC-termistorin minimiresistanssi on pienin resistanssi, joka voidaan mitata kytkentätyyppisestä PTC-termistorista R-T-käyrästä katsottuna. Se on käyrän kohta, jonka jälkeen lämpötilakerroin muuttuu positiiviseksi.

Nimellisvastus (R25)

Nimellisvastukseksi PTC:n resistanssi määritellään tavallisesti vastus 25 °C:ssa. Sitä käytetään termistorien luokitteluun niiden vastusarvon mukaan. Se mitataan pienellä virralla, joka ei lämmitä termistoria niin paljon, että se vaikuttaisi mittaukseen.

Häviövakio

Häviövakio kuvaa käytetyn tehon ja siitä johtuvan itselämpenemisestä johtuvan kappaleen lämpötilan nousun välistä suhdetta. Joitakin häviövakioon vaikuttavia tekijöitä ovat: kosketusjohtimien materiaalit, termistorin asennustapa, ympäristön lämpötila, laitteen ja sen ympäristön väliset johtumis- tai konvektioreitit, laitteen koko ja jopa itse laitteen muoto. Häviämisvakio vaikuttaa merkittävästi termistorin itselämpenemisominaisuuksiin.

Maksimi nimellisvirta

Nimellisvirta edustaa maksimivirtaa, joka voi jatkuvasti virrata PTC-termistorin läpi tietyissä ympäristöolosuhteissa. Sen arvo riippuu häviövakiosta ja R-T-käyrästä. Jos termistoria ylikuormitetaan siihen pisteeseen asti, että lämpötilakerroin alkaa jälleen laskea, seurauksena on karkaamisvirtatilanne ja termistorin tuhoutuminen.

Maksimi nimellisjännite

Maksimi nimellisvirran tavoin maksimi nimellisjännite edustaa suurinta jännitettä, joka voidaan jatkuvasti syöttää termistoriin määritellyissä ympäristöolosuhteissa. Myös sen arvo riippuu häviövakiosta ja R-T-käyrästä.

Käyttötilat

Sovelluksesta riippuen PTC-termistoreita voidaan käyttää kahdessa toimintatilassa; itselämpenevässä ja tunnistavassa (jota kutsutaan myös nollatehoksi).

Itselämpenevässä tilassa

Itselämpenevissä käyttökohteissa hyödynnetään sitä tosiseikkaa, että kun termistoriin kytketään jännite ja termistorin lävitse kulkee riittävän suuri määrä virtaa, termistorin lämpötila nousee. Kun Curie-lämpötilaa lähestytään, resistanssi kasvaa dramaattisesti, jolloin virtaa kulkee paljon vähemmän. Tämä käyttäytyminen näkyy vasemmalla olevasta kuvasta. Vastuksen muutos lähellä Curie-lämpötilaa voi olla useita kertaluokkia vain muutaman asteen lämpötilan sisällä. Jos jännite pysyy vakiona, virta vakiintuu tiettyyn arvoon, kun termistori saavuttaa termisen tasapainon. Tasapainolämpötila riippuu käytetystä jännitteestä sekä termistorin lämpöhäviökertoimesta. Tätä toimintatapaa hyödynnetään usein suunniteltaessa lämpötilariippuvaisia aikaviivepiirejä.

Tunnistustila (nollavirta)

Tässä toimintatavassa termistorin virrankulutus on niin pieni, että sillä on mitättömän pieni vaikutus termistorin lämpötilaan ja siten resistanssiin, toisin kuin itselämpenevässä tilassa. Tunnistustilaa käytetään yleensä silloin, kun mitataan lämpötilaa käyttäen referenssinä R-T-käyrää.

Rakenne ja ominaisuudet

Kytkentätyyppiset PTC-termistorit on valmistettu monikiteisistä materiaaleista. Ne valmistetaan usein käyttäen bariumkarbonaatin, titaanioksidin ja lisäaineiden, kuten tantaalin, piidioksidin ja mangaanin seoksia. Materiaalit jauhetaan, sekoitetaan, puristetaan levyiksi tai suorakaiteen muotoisiksi ja sintrataan. Tämän jälkeen lisätään kontakteja ja lopuksi ne päällystetään tai koteloidaan. Valmistusprosessi edellyttää erittäin tarkkaa materiaalien ja epäpuhtauksien valvontaa. Muutaman miljoonasosan suuruusluokkaa olevat epäpuhtaudet voivat aiheuttaa suuria muutoksia lämpö- ja sähköominaisuuksiin.

Polymeeri-PTC:t valmistetaan muoviviipaleesta, johon on upotettu hiilirakeita. Kun laite on jäähtynyt, hiilirakeet ovat läheisessä kosketuksessa toisiinsa muodostaen johtavan polun laitteen läpi. Kun laite lämpenee, muovi laajenee ja rakeet siirtyvät kauemmas toisistaan, jolloin laitteen kokonaisvastus kasvaa.

Silistorit perustuvat seostetun piin bulkkiominaisuuksiin, ja niiden vastus-lämpötila-ominaisuudet ovat lähes lineaariset. Ne valmistetaan korkealaatuisista piikiekoista, joita valmistetaan eri muotoisina. Lämpötila-vastuskäyrä riippuu käytetystä dopingin määrästä.

Tyypillisiä sovelluksia PTC-termistoreille

Itsesäätyvät lämmittimet

Jos kytkettävän PTC-termistorin läpi kulkee virta, se stabiloituu itsestään tietyssä lämpötilassa. Se tarkoittaa, että jos lämpötila laskee, myös vastus laskee, jolloin virtaa pääsee kulkemaan enemmän ja siten laite lämpenee. Vastaavasti, jos lämpötila nousee, myös vastus kasvaa, mikä rajoittaa laitteen läpi kulkevaa virtaa ja jäähdyttää sitä. PTC-termistori on tällöin saavuttanut pisteen, jossa kulutettu teho on käytännössä riippumaton jännitteestä suhteellisen laajalla jännitealueella. Nämä PTC-termistorit on usein valmistettu keramiikasta eri muotoisina ja kokoisina, ja niiden suunnittelun joustavuuden vuoksi PTC-keraamiset lämmittimet ovat erinomainen valinta hallitun sähkölämmön tuottamiseen. Lämmönsiirron tehostamiseksi keraamiset lämmityselementit voidaan asentaa alumiinisiin jäähdytyslevyihin tai ritilöihin.

Ylivirtasuojaus

Kytkentäisiä PTC-termistoreja käytetään ylivirran rajoittimina tai nollautuvina sulakkeina erilaisissa piireissä. Ylivirtatilanteessa termistorin rungon lämpötila nousee ja saavuttaa nopeasti siirtymislämpötilan. Tämän seurauksena PTC-termistorin resistanssi nousee jyrkästi ja rajoittaa piirin virtaa. Kun ylivirta- tai oikosulkutilanne on ratkaistu ja termistori on jälleen jäähtynyt, piiri toimii jälleen normaalisti. Näin se toimii automaattisesti palautuvana sulakkeena. Tähän sovellukseen käytetään tavallisesti polymeerisiä PTC-termistoreja. Ne tunnetaan eri kauppanimillä, kuten polyfuse, polyswitch ja multifuse.

Aikaviive

Piirin aikaviive voidaan tuottaa käyttämällä aikaa, joka tarvitaan PTC-termistorin lämpenemiseen tarpeeksi, jotta se voi siirtyä matalaresistanssisesta tilasta korkearesistanssiseen tilaan ja päinvastoin. Aikaviive riippuu koosta, ympäristön lämpötilasta ja jännitteestä, johon se on kytketty, sekä piiristä, jossa sitä käytetään. Esimerkki PTC-termistorien aikaviiveen käytöstä on niiden käyttö loistelampuissa. Kun virta kytketään ensimmäisen kerran, termistori on kylmässä tilassa (huoneenlämpötila). Lampun jännite on alle sytytysjännitteen, ja virtapiirin läpi kulkeva virta lämmittää samanaikaisesti elektrodeja ja PTC:tä. Kun Curie-lämpötila saavutetaan, PTC kytkeytyy, lampun yli oleva jännite ylittää sytytysjännitteen ja lamppu alkaa toimia normaalisti. Elektrodien esilämmitys pidentää lampun käyttöikää merkittävästi, minkä vuoksi PTC-termistoreja käytetään tällaisissa piireissä.

Moottorin käynnistys

Joissain sähkömoottoreissa on erillinen käynnistyskäämi, joka tarvitsee virtaa vain moottorin käynnistyksen aikana. Tällaisissa tapauksissa voidaan hyödyntää tällaisen käämin kanssa sarjaan kytketyn PTC-termistorin itselämpenevää vaikutusta. Kun virtapiiri kytketään päälle, PTC-termistorin vastus on pieni, jolloin virta kulkee käynnistyskäämin läpi. Kun moottori käynnistyy, PTC-termistori lämpenee ja jossain vaiheessa se siirtyy korkearesistanssiseen tilaan. Tähän tarvittava aika lasketaan moottorin vaaditun käynnistysajan perusteella. Kun termistori on lämmennyt, PTC-termistorin läpi kulkeva virta muuttuu mitättömäksi, ja tämä sulkee käynnistyskäämin virran.

Nesteen pinnankorkeuden tunnistaminen

Nämä sovellukset perustuvat häviövakion muutokseen, kun johtumis- ja konvektiolämmönsiirto lisääntyvät. Häviövakion kasvu, joka johtuu laitteen ja nesteen välisestä kosketuksesta tai lisääntyneestä ilmavirtauksesta laitteen yli, alentaa termistorin käyttölämpötilaa ja lisää tietyn ruumiinlämpötilan ylläpitämiseen tarvittavan tehon määrää. Tehon lisäys voidaan mitata ja se ilmaisee järjestelmälle, että termistori on esimerkiksi upotettu nesteeseen.

PTC-termistorin symboli

IEC-standardin mukaan positiivisen lämpötilakertoimen omaavasta termistorista käytetään seuraavaa symbolia.

PTC-termistorin symboliIEC-standardi