PTCサーミスタとは？
PTCは「Positive Temperature Coefficient」の略で、「正の温度係数」のことです。 PTCサーミスタは、温度が上がると抵抗値が増加する正の温度係数を持つ抵抗器です。
PTCサーミスタは、使用する材料や構造、製造プロセスによって2つのグループに分けられます。 PTCサーミスタの第一のグループは、半導体の材料としてシリコンを使用したシリスタである。 リニアな特性を持つため、PTC温度センサーとして使用される。 第二のグループは、スイッチングタイプのPTCサーミスタである。 このタイプのPTCサーミスタは、PTCヒーターやセンサーなどに広く使われている。 また、特殊なプラスチックで作られたポリマーPTCサーミスタもこの第2グループに属し、リセット可能なヒューズとしてよく使用されます。 スイッチング型PTCサーミスタは、抵抗値-温度曲線が非常に非線形であることが特徴である。 スイッチング型PTCサーミスタが加熱されると、最初は抵抗値が減少し始め、ある臨界温度に到達します。 さらにその臨界値よりも温度が上がると、抵抗値は急激に上昇します。
PTC サーミスタの定義
PTCサーミスタは、温度によって抵抗値が大きく増加する熱に敏感な抵抗器です。
PTCサーミスタの特性
スイッチングPTCサーミスタは、通常多結晶セラミックでできており、そのままでは高抵抗ですが、ドーパントを加えて半導体にしたものです。 主にPTC自己温度制御型ヒーターとして使用されます。 スイッチング型PTCサーミスタの転移温度は、60℃～120℃が主流です。
シリスタの抵抗-温度特性は直線的で、動作範囲のほとんどで傾斜が比較的小さくなっています。 150℃を超える温度では負の温度係数を示すことがあります。
PTCサーミスタとシリスタの抵抗温度特性
転移温度（Tc）
図からわかるように、スイッチングPTCサーミスタは最小抵抗点までわずかに負の温度係数を持ちます。 この点を超えると、転移温度（TC）に達するまではわずかに正の係数が発生します。 この温度はスイッチ温度、転移温度、キュリー温度と呼ばれています。 スイッチング型PTCサーミスタの抵抗値が急激に上昇し始める温度をスイッチ温度といいます。
最小抵抗値（Rmin）
PTCサーミスタの最小抵抗値は、R-T曲線で見て、スイッチング型PTCサーミスタで測定できる最も低い抵抗値のことです。
定格抵抗値 (R25)
定格PTC抵抗値は、通常25℃における抵抗値として定義されます。 サーミスタをその抵抗値によって分類する役割を果たします。 2515>
散逸定数
散逸定数とは、印加電力と自己発熱による体温上昇との関係を表すもので、定格電流は、測定に影響を与えるほどにはサーミスタを加熱しない低電流で測定します。 散逸定数に影響を与える要因としては、接触線の材質、サーミスタの取り付け方法、周囲温度、デバイスとその周囲との間の伝導または対流経路、デバイス自体のサイズや形状などが挙げられます。
最大定格電流
定格電流とは、特定の環境条件下でPTCサーミスタに絶えず流すことのできる最大の電流を表します。 この値は、損失定数とR-T曲線に依存します。
最大定格電圧
最大定格電流と同様に、所定の周囲条件でサーミスタに連続して印加できる最高電圧を表します。
動作モード
用途に応じて、PTCサーミスタは、自己発熱モードと検出モード（ゼロパワーとも呼ばれる）の2つの動作モードで使用することができます。 キュリー温度に近づくと抵抗値が急激に増加し、流れる電流が大幅に少なくなります。 この挙動は、左の図からわかる。 キュリー温度付近では、わずか数度の温度変化で、抵抗値が数桁も変化することがある。 電圧が一定であれば、サーミスタが熱平衡に達すると、電流はある値で安定化する。 平衡温度は、印加する電圧とサーミスタの熱放散係数に依存する。 この動作モードは、温度依存の時間遅延回路を設計する際によく利用されます。
センシング（ゼロパワー）モード
この動作モードでは、自己発熱モードとは対照的に、サーミスタの電力消費が非常に小さく、サーミスタ温度、したがって抵抗への影響が無視できるほど小さくなります。
構造と特性
スイッチング型PTCサーミスタは、多結晶体材料で作られています。 炭酸バリウム、酸化チタン、およびタンタル、シリカ、マンガンなどの添加物の混合物を使用して製造されることが多いです。 材料を粉砕、混合し、円盤状や長方形に圧縮して焼結する。 その後、接点が加えられ、最終的にコーティングや封入が行われる。 この製造工程では、材料と不純物の管理に細心の注意を払う必要がある。 2515>
ポリマーPTCは、炭素粒子を埋め込んだプラスチックのスライスでできています。 デバイスが冷えた状態では、炭素粒は互いに密着しており、デバイス内に導電経路を形成している。
シリコンは、ドープされたシリコンのバルク特性に依存し、線形に近い抵抗-温度特性を示す。 これらは高純度品質のシリコンウェハーから製造され、さまざまな形状で作られている。
PTC サーミスタの代表的なアプリケーション
PTC エアヒーター自己調整ヒーター
スイッチング PTC サーミスタに流れる電流がある場合、ある温度で自動安定化されます。 つまり、温度が下がれば抵抗値も下がり、より多くの電流が流れるため、デバイスが加熱されます。 同様に、温度が上がると抵抗値が上がり、デバイスに流れる電流が制限されるため、デバイスは冷却される。 そして、PTCサーミスタは、比較的広い電圧範囲において、消費電力が電圧にほとんど依存しないところまで到達した。 このPTCサーミスタは、さまざまな形やサイズのセラミックスで作られていることが多く、その設計の柔軟性から、PTCセラミックヒータは制御された電気熱を供給するのに最適な選択肢となっています。 熱伝達を高めるために、セラミック発熱体はアルミニウムのヒートシンクまたはグリッドに取り付けることができます。
ポリマーPTCヒューズ 過電流保護
スイッチトPTCサーミスタは、各種回路の過電流リミッタまたは復帰可能ヒューズとして使用されています。 過電流が流れた場合、サーミスタ本体の温度が上昇し、すぐに転移温度に到達します。 その結果、PTCサーミスタの抵抗値が急激に上昇し、回路に流れる電流を制限する。 過電流や短絡の状態が解消され、サーミスタが再び冷却されると、回路は再び正常に機能するようになる。 このように、自動復帰型ヒューズとして機能する。 この用途には、通常、ポリマーPTCサーミスタが使用される。
タイムラグ
PTCサーミスタが低抵抗状態から高抵抗状態へ、またはその逆へと切り替わるのに十分な熱を持つのに必要な時間を利用して、回路にタイムラグを持たせることができます。 この遅延時間は、サイズ、周囲温度、接続される電圧、および使用される回路に依存します。 PTCサーミスタの遅延時間用途の例としては、蛍光灯が挙げられる。 電源投入時、サーミスタは低温状態（室温）である。 ランプ電圧は点火電圧以下であり、回路を流れる電流によって電極とPTCが同時に加熱される。 キュリー温度に達するとPTCがスイッチングし、ランプの電圧は点火電圧を超え、ランプは通常動作を開始します。 電極の予熱によりランプの寿命が大幅に延びるため、このような回路にPTCサーミスタが使用されます。
モータ起動
電気モータの中には、モータ起動時のみ電力が必要な別巻きの起動用巻線があるものもあります。 このような場合、その巻線に直列に接続されたPTCサーミスタの自己発熱効果を利用することがあります。 回路をオンにすると、PTCサーミスタは低抵抗となり、起動用巻線に電流を流すことができるようになる。 モーターが始動すると、PTCサーミスタは発熱し、ある時点で高抵抗の状態に切り替わる。 この時の時間は、必要なモーター起動時間に基づいて計算される。
液面検知
これらのアプリケーションは、伝導および対流熱伝達が増加したときの散逸定数の変化を利用しています。 デバイスと液体の接触やデバイス上の空気の流れの増加によって生じる散逸定数の増加は、サーミスタの動作温度を下げ、所定の体温を維持するのに必要な電力量を増加させます。 電力増加は測定可能で、サーミスタがたとえば液体に浸かっていることをシステムに示します。
PTC サーミスタシンボル
IEC規格では、正の温度係数サーミスタに次のシンボルが使用されています。