PTC termisztor

Mik azok a PTC termisztorok?

PTC a “pozitív hőmérsékleti együttható” rövidítése. A PTC termisztorok pozitív hőmérsékleti együtthatóval rendelkező ellenállások, ami azt jelenti, hogy az ellenállás a hőmérséklet növekedésével nő.

A PTC termisztorokat két csoportra osztják a felhasznált anyagok, a szerkezetük és a gyártási eljárás alapján. A PTC termisztorok első csoportját a szilisztorok alkotják, amelyek félvezető anyagként szilíciumot használnak. Ezeket lineáris karakterisztikájuk miatt PTC hőmérséklet-érzékelőként használják. A második csoport a kapcsoló típusú PTC termisztorok. Az ilyen típusú PTC termisztorokat széles körben használják PTC fűtőkészülékekben, érzékelőkben stb. A speciális műanyagból készült polimer PTC termisztorok szintén ebbe a második csoportba tartoznak, gyakran használják őket visszaállítható biztosítékként. A kapcsoló típusú PTC-termisztor erősen nemlineáris ellenállás-hőmérséklet görbével rendelkezik. A kapcsoló típusú PTC-termisztor melegítésekor az ellenállás először csökkenni kezd, amíg el nem ér egy bizonyos kritikus hőmérsékletet. Ahogy a hőmérséklet tovább emelkedik a kritikus érték fölé, az ellenállás drámaian megnő. Ez a cikk a kapcsoló típusú PTC termisztorokra összpontosít.

PTC termisztor definíciója

A PTC termisztor egy hőérzékeny ellenállás, amelynek ellenállása jelentősen nő a hőmérséklettel.

A PTC termisztorok jellemzői

A kapcsoló PTC termisztorok általában polikristályos kerámia anyagokból készülnek, amelyek eredeti állapotukban nagy ellenállásúak, és adalékanyagok hozzáadásával félvezetővé teszik őket. Ezeket többnyire PTC önszabályozó fűtőtestként használják. A legtöbb kapcsolt PTC-termisztor átmeneti hőmérséklete 60°C és 120°C között van. Vannak azonban olyan speciális alkalmazásokhoz gyártott eszközök, amelyek akár 0°C-ig vagy 200°C-ig is képesek kapcsolni.

A szisztorok lineáris ellenállás-hőmérséklet karakterisztikával rendelkeznek, amelynek meredeksége a működési tartományuk nagy részében viszonylag kicsi. Negatív hőmérsékleti együtthatót mutathatnak 150 °C feletti hőmérsékleten. A szilisztorok ellenállási hőmérsékleti együtthatója körülbelül 0,7-0,8% °C.

A PTC termisztor és a szilisztor ellenállás-hőmérséklet (R-T) karakterisztikája

Átmeneti hőmérséklet (Tc)

Amint az ábrán látható, a kapcsoló PTC termisztorok hőmérsékleti együtthatója a minimális ellenállásig enyhén negatív. E pont felett enyhén pozitív együtthatót tapasztal, egészen addig a pillanatig, amíg eléri az átmeneti hőmérsékletet – TC. Ezt a hőmérsékletet kapcsolási, átmeneti vagy Curie-hőmérsékletnek nevezik. A kapcsolási hőmérséklet az a hőmérséklet, amelyen a kapcsoló típusú PTC termisztorok ellenállása gyorsan emelkedni kezd. A Curie-hőmérsékletet legtöbbször úgy határozzák meg, mint azt a hőmérsékletet, amelyen az ellenállás a minimális ellenállás értékének kétszerese.

Minimális ellenállás (Rmin)

A PTC-termisztor minimális ellenállása az a legkisebb ellenállás, amely a kapcsoló típusú PTC-termisztoron mérhető, amint az az R-T görbén látható. Ez az a pont a görbén, amely után a hőmérsékleti együttható pozitívvá válik.

Névleges ellenállás (R25)

A névleges PTC-ellenállást általában 25°C-on mért ellenállásként határozzák meg. A termisztorok ellenállásérték szerinti osztályozására szolgál. Olyan kis árammal mérik, amely nem melegíti fel a termisztort annyira, hogy befolyásolja a mérést.

Disszipációs állandó

A disszipációs állandó az alkalmazott teljesítmény és az önmelegedésből eredő testhőmérséklet-emelkedés közötti kapcsolatot mutatja. A disszipációs állandóra ható tényezők közül néhány: az érintkezési vezeték anyaga, a termisztor felszerelésének módja, a környezeti hőmérséklet, az eszköz és környezete közötti vezetési vagy konvekciós utak, az eszköz mérete és még magának az eszköznek az alakja is. A disszipációs állandó nagymértékben befolyásolja a termisztor önmelegedési tulajdonságait.

Maximális névleges áram

A névleges áram azt a maximális áramot jelenti, amely meghatározott környezeti feltételek mellett folyamatosan átfolyhat egy PTC termisztoron. Értéke a disszipációs állandótól és az R-T görbétől függ. Ha a termisztort túlterhelik addig a pontig, amíg a hőmérsékleti együttható újra csökkenni kezd, az szökőáram-helyzetet és a termisztor tönkremenetelét eredményezi.

Maximális névleges feszültség

A maximális névleges áramhoz hasonlóan a maximális névleges feszültség is azt a legnagyobb feszültséget jelenti, amely meghatározott környezeti feltételek mellett folyamatosan a termisztorra kapcsolható. Ennek értéke szintén a disszipációs állandótól és az R-T görbétől függ.

Működési módok

A PTC termisztorok az alkalmazástól függően kétféle üzemmódban használhatók; önfűtéses és érzékelő (más néven nulla teljesítményű) üzemmódban.

Önfűtéses üzemmód

Az önfűtéses alkalmazások kihasználják azt a tényt, hogy amikor a termisztorra feszültséget kapcsolunk és elegendő áram folyik át rajta, a hőmérséklete megnő. A Curie-hőmérséklethez közeledve az ellenállás drámaian megnő, így sokkal kevesebb áram folyhat át. Ez a viselkedés a bal oldali ábrán látható. A Curie-hőmérséklet közelében az ellenállás változása több nagyságrendet is elérhet néhány fokos hőmérsékleti tartományon belül. Ha a feszültség állandó marad, az áram egy bizonyos értéken stabilizálódik, amint a termisztor eléri a termikus egyensúlyt. Az egyensúlyi hőmérséklet az alkalmazott feszültségtől, valamint a termisztor hőleadási tényezőjétől függ. Ezt a működési módot gyakran használják hőmérsékletfüggő időkésleltetési áramkörök tervezésekor.

Az érzékelő (nulla teljesítményű) üzemmód

Ebben a működési módban a termisztor áramfelvétele olyan kicsi, hogy az önmelegedő üzemmóddal ellentétben elhanyagolható hatással van a termisztor hőmérsékletére és ezáltal ellenállására. Az érzékelő üzemmódot általában akkor használják, amikor a hőmérsékletet az R-T görbét használják referenciaként.

Konstrukció és tulajdonságok

A kapcsoló típusú PTC termisztorok polikristályos anyagokból készülnek. Gyakran bárium-karbonát, titán-oxid és adalékanyagok, például tantál, szilícium-dioxid és mangán keverékéből állítják elő őket. Az anyagokat őrlik, keverik, korong vagy téglalap alakúra tömörítik és szinterezik. Ezután érintkezőket adnak hozzá, és végül bevonják vagy burkolják őket. A gyártási folyamat nagyon gondos anyag- és szennyeződés-ellenőrzést igényel. A néhány ppm nagyságrendű szennyeződések jelentős változásokat okozhatnak a termikus és elektromos tulajdonságokban.

A polimer PTC-k egy szelet műanyagból készülnek, amelybe szénszemcsék vannak beágyazva. Amikor az eszköz lehűl, a szénszemcsék szorosan érintkeznek egymással, és vezető utat képeznek az eszközön keresztül. Ahogy az eszköz felmelegszik, a műanyag kitágul, és a szemcsék távolabb kerülnek egymástól, növelve az eszköz teljes ellenállását.

A szilisztorok az adalékolt szilícium ömlesztett tulajdonságaira támaszkodnak, és közel lineáris ellenállás-hőmérséklet karakterisztikát mutatnak. Kiváló minőségű, különböző formájú szilíciumszeletből állítják elő őket. A hőmérséklet-ellenállás görbe az alkalmazott adalékolás mennyiségétől függ.

A PTC termisztorok tipikus alkalmazásai

Önszabályozó fűtőtestek

Ha egy kapcsoló PTC termisztoron áram folyik keresztül, akkor az egy bizonyos hőmérsékleten automatikusan stabilizálódik. Ez azt jelenti, hogy ha a hőmérséklet csökken, az ellenállás is csökkenni fog, így több áram folyhat, és így az eszköz felmelegszik. Hasonlóképpen, ha a hőmérséklet emelkedik, az ellenállás is megnő, korlátozva az eszközön áthaladó áramot, ezáltal lehűtve azt. A PTC termisztor ekkor elérte azt a pontot, amikor a fogyasztott teljesítmény gyakorlatilag független a feszültségtől egy viszonylag széles feszültségtartományban. Ezek a PTC termisztorok gyakran különböző formájú és méretű kerámiából készülnek, és tervezési rugalmasságuk miatt a PTC kerámia fűtőtestek nagyszerű választás a szabályozott elektromos hő biztosítására. A fokozott hőátadás érdekében a kerámia fűtőelemek alumínium hűtőbordákra vagy rácsokra szerelhetők.

Túláramvédelem

A kapcsolható PTC termisztorokat túláramkorlátozóként vagy visszaállítható biztosítékként használják különböző áramkörökben. Túláram esetén a termisztor testhőmérséklete megemelkedik, és gyorsan eléri az átmeneti hőmérsékletet. Ez azt eredményezi, hogy a PTC termisztor ellenállása meredeken emelkedik, és korlátozza az áramkörben az áramot. Amikor a túláram- vagy rövidzárlathelyzet megoldódik, és a termisztor ismét lehűl, az áramkör ismét normálisan működik. Ily módon automatikus visszaállítható biztosítékként működik. Általában polimer PTC termisztorokat használnak erre az alkalmazásra. Ezek különböző kereskedelmi nevek alatt ismertek, mint például polibiztosíték, polikapcsoló és multifuse.

Késleltetés

Egy áramkörben az időkésleltetést azzal az idővel lehet biztosítani, amely ahhoz szükséges, hogy egy PTC termisztor eléggé felmelegedjen ahhoz, hogy alacsony ellenállású állapotából magas ellenállású állapotba váltson, és fordítva. Az időkésleltetés függ a méretétől, a környezeti hőmérséklettől és a feszültségtől, amelyhez csatlakozik, valamint az áramkörtől, amelyben felhasználják. A PTC termisztorok időkésleltetésére példa a fénycsövekben való alkalmazásuk. A feszültség első bekapcsolásakor a termisztor hideg állapotban van (szobahőmérsékleten). A lámpa feszültsége a gyújtási feszültség alatt van, és az áramkörön átfolyó áram egyszerre melegíti fel az elektródákat és a PTC-t is. A Curie-hőmérséklet elérésekor a PTC kapcsol, a lámpán keresztüli feszültség meghaladja a gyújtási feszültséget, és a lámpa normál működésbe lép. Az elektródák előmelegítése jelentősen meghosszabbítja a lámpa élettartamát, ezért használnak ilyen áramkörökben PTC termisztorokat.

Motorindítás

Egyes villanymotoroknak van egy külön indító tekercsük, amelyet csak a motor indításakor kell táplálni. Ilyen esetekben kihasználhatjuk az ilyen tekercseléssel sorba kapcsolt PTC termisztor önmelegítő hatását. Az áramkör bekapcsolásakor a PTC termisztornak alacsony az ellenállása, így az áram átfolyik az indító tekercsen. Ahogy a motor elindul, a PTC termisztor felmelegszik, és egy ponton magas ellenállású állapotba kapcsol. Az ehhez szükséges időt a szükséges motorindítási idő alapján kell kiszámítani. A felmelegedés után a PTC termisztoron átfolyó áram elhanyagolhatóvá válik, és ez kikapcsolja az indító tekercs áramát.

Folyadékszint-érzékelés

Ezek az alkalmazások a disszipációs állandó változására támaszkodnak, amikor a vezetési és konvekciós hőátadás megnő. A disszipációs állandó növekedése, amely az eszköz és a folyadék közötti érintkezésből vagy az eszköz feletti megnövekedett légáramlásból ered, csökkenti a termisztor üzemi hőmérsékletét és növeli az adott testhőmérséklet fenntartásához szükséges teljesítmény mennyiségét. A teljesítménynövekedés mérhető, és jelzi a rendszer számára, hogy a termisztor például folyadékba van merítve.

PTC termisztor szimbólum

A következő szimbólumot az IEC szabvány szerint a pozitív hőmérsékleti együtthatójú termisztorokra használják.

PTC termisztor szimbólumIEC szabvány