PTC thermistor

Wat zijn PTC thermistors?

PTC staat voor “Positive Temperature Coefficient”. PTC-thermistors zijn weerstanden met een positieve temperatuurcoëfficiënt, wat betekent dat de weerstand toeneemt naarmate de temperatuur stijgt.

PTC-thermistors worden in twee groepen verdeeld, op basis van de gebruikte materialen, hun structuur en het fabricageproces. De eerste groep PTC-thermistors bestaat uit silistors, die silicium als halfgeleidend materiaal gebruiken. Zij worden gebruikt als PTC-temperatuursensoren vanwege hun lineaire karakteristiek. De tweede groep is de schakelende type PTC-thermistor. Dit type PTC-thermistors wordt veel gebruikt in PTC-verwarmingen, sensoren enz. Polymeer PTC-thermistors, gemaakt van een speciale kunststof, behoren ook tot deze tweede groep en worden vaak gebruikt als herinstelbare zekeringen. Het schakelende type PTC-thermistor heeft een zeer niet-lineaire weerstand-temperatuurkromme. Wanneer de schakelende PTC-thermistor wordt verwarmd, begint de weerstand eerst af te nemen, totdat een bepaalde kritische temperatuur is bereikt. Naarmate de temperatuur verder boven die kritische waarde stijgt, neemt de weerstand dramatisch toe. Dit artikel zal zich richten op het schakelende type PTC-thermistors.

de definitie van een PTC-thermistor

Een PTC-thermistor is een thermisch gevoelige weerstand waarvan de weerstand aanzienlijk toeneemt met de temperatuur.

Karakteristieken van PTC-thermistors

Schakelende PTC-thermistors zijn meestal gemaakt van polykristallijne keramische materialen die in hun oorspronkelijke staat zeer resistief zijn en door toevoeging van doteermiddelen halfgeleidend worden gemaakt. Zij worden meestal gebruikt als PTC-zelfregelende verwarmers. De overgangstemperatuur van de meeste geschakelde PTC-thermistors ligt tussen 60°C en 120°C. Er zijn echter apparaten voor speciale toepassingen vervaardigd die zo laag als 0°C of zo hoog als 200°C kunnen schakelen.

Silistors hebben een lineaire weerstand-temperatuurkarakteristiek, met een helling die relatief klein is over het grootste deel van hun werkingsgebied. Zij kunnen een negatieve temperatuurcoëfficiënt vertonen bij temperaturen boven 150 °C. Silistors hebben een temperatuurcoëfficiënt van ongeveer 0,7 tot 0,8% °C.

De weerstand-temperatuur(R-T)-karakteristieken van een PTC-thermistor en een silistor

Overgangstemperatuur (Tc)

Zoals uit de figuur blijkt, hebben schakelende PTC-thermistors een licht negatieve temperatuurcoëfficiënt tot het punt van minimale weerstand. Daarboven heeft hij een licht positieve coëfficiënt tot het moment dat hij zijn overgangstemperatuur – TC – bereikt. Deze temperatuur wordt de schakel-, overgangs- of Curietemperatuur genoemd. De schakeltemperatuur is de temperatuur waarbij de weerstand van schakelende type PTC thermistors snel begint te stijgen. De Curietemperatuur wordt meestal gedefinieerd als de temperatuur waarbij de weerstand tweemaal de waarde van de minimumweerstand bedraagt.

Minimumweerstand (Rmin)

De minimumweerstand van een PTC-thermistor is de laagste weerstand die kan worden gemeten op een geschakelde type PTC-thermistor, zoals te zien op de R-T-curve. Het is het punt op de curve waarna de temperatuurcoëfficiënt positief wordt.

Rominale weerstand (R25)

De nominale PTC-weerstand wordt gewoonlijk gedefinieerd als de weerstand bij 25°C. Hij dient om de thermistors in te delen volgens hun weerstandswaarde. Hij wordt gemeten met een lage stroom die de thermistor niet genoeg opwarmt om de meting te beïnvloeden.

Dissipatieconstante

De dissipatieconstante geeft de verhouding weer tussen het toegepaste vermogen en de resulterende stijging van de lichaamstemperatuur als gevolg van zelfopwarming. Enkele factoren die de dissipatieconstante beïnvloeden zijn: materialen van de contactdraad, de manier waarop de thermistor is gemonteerd, de omgevingstemperatuur, geleidings- of convectiepaden tussen het toestel en zijn omgeving, de grootte en zelfs de vorm van het toestel zelf. De dissipatieconstante heeft een grote invloed op de zelfverhittingseigenschappen van de thermistor.

Maximale nominale stroom

De nominale stroom is de maximale stroom die constant door een PTC-thermistor kan lopen bij gespecificeerde omgevingscondities. De waarde is afhankelijk van de dissipatieconstante en de R-T-kromme. Als de thermistor overbelast wordt tot het punt dat de temperatuurcoëfficiënt weer begint te dalen, zal dit resulteren in een runaway-stroomsituatie en vernietiging van de thermistor.

Maximale nominale spanning

Gelijk aan de maximale nominale stroom, vertegenwoordigt de maximale nominale spanning de hoogste spanning die continu op de thermistor kan worden toegepast bij gespecificeerde omgevingscondities. De waarde is eveneens afhankelijk van de dissipatieconstante en de R-T-kromme.

Gebruiksmodi

Afhankelijk van de toepassing kunnen PTC-thermistors in twee werkingsmodi worden gebruikt; zelfverwarmend en voelend (ook wel nulvermogen genoemd).

Zelfverwarmde modus

Zelfverwarmde toepassingen maken gebruik van het feit dat wanneer een spanning op een thermistor wordt gezet en er voldoende stroom doorheen stroomt, de temperatuur van de thermistor stijgt. Naarmate de Curietemperatuur nadert, neemt de weerstand dramatisch toe, waardoor er veel minder stroom kan vloeien. Dit gedrag is te zien in de figuur links. De weerstandsverandering in de buurt van de Curietemperatuur kan verscheidene orden van grootte bedragen binnen een temperatuursspanne van slechts enkele graden. Als de spanning constant blijft, zal de stroom zich stabiliseren op een bepaalde waarde als de thermistor een thermisch evenwicht bereikt. De evenwichtstemperatuur hangt af van de toegepaste spanning en van de thermische dissipatiefactor van de thermistor. Deze werkingsmodus wordt vaak gebruikt bij het ontwerpen van temperatuurafhankelijke tijdvertragingsschakelingen.

Sensing (zero-power) mode

In deze werkingsmodus is het stroomverbruik van de thermistor zo klein dat het een verwaarloosbaar effect heeft op de temperatuur en dus de weerstand van de thermistor, in tegenstelling tot de zelfverwarmingsmodus. De voelermodus wordt gewoonlijk gebruikt bij het meten van de temperatuur met behulp van de R-T-curve als referentie.

Opbouw en eigenschappen

Schakeltype PTC-thermistors zijn gemaakt van polykristallijne materialen. Zij worden vaak vervaardigd met mengsels van bariumcarbonaat, titaanoxide en additieven zoals tantaal, silica en mangaan. De materialen worden gemalen, gemengd, samengeperst tot schijven of rechthoeken en gesinterd. Daarna worden contacten toegevoegd en worden zij tenslotte bekleed of omhuld. Het fabricageproces vereist een zeer zorgvuldige controle van materialen en onzuiverheden. Verontreinigingen in de orde van enkele delen per miljoen kunnen belangrijke veranderingen in de thermische en elektrische eigenschappen veroorzaken.

Polymeer-PTC’s worden gemaakt van een plak plastic met daarin ingebedde koolstofkorrels. Wanneer het apparaat koel is, zijn de koolstofkorrels in nauw contact met elkaar, vormend een geleidende weg door het apparaat. Aangezien het apparaat opwarmt, zet het plastiek uit en de korrels bewegen zich verder apart, opheffend de totale weerstand van het apparaat.

Silistors baseren zich op de bulkeigenschappen van gedoopt silicium en stellen weerstand-temperatuur kenmerken tentoon die dicht aan lineair zijn. Zij worden vervaardigd van siliciumwafers van hoge zuivere kwaliteit, die in verschillende vormen worden gemaakt. De temperatuur-weerstandskromme hangt af van de gebruikte hoeveelheid dopering.

Typische toepassingen voor PTC-thermistors

Zelfregulerende kachels

Als er een stroom door een schakelende PTC-thermistor loopt, zal deze zich automatisch stabiliseren bij een bepaalde temperatuur. Dit betekent dat als de temperatuur wordt verlaagd, de weerstand ook zal afnemen, waardoor er meer stroom kan lopen en het apparaat dus wordt verwarmd. Als de temperatuur stijgt, neemt ook de weerstand toe, waardoor de stroom door het apparaat wordt beperkt en het dus afkoelt. De PTC-thermistor heeft dan een punt bereikt waarop het opgenomen vermogen vrijwel onafhankelijk is van de spanning over een relatief breed spanningsbereik. Deze PTC-thermistors zijn vaak gemaakt van keramiek in diverse vormen en afmetingen en wegens hun ontwerpflexibiliteit zijn PTC-keramische verwarmingselementen een uitstekende keuze voor het leveren van gecontroleerde elektrische warmte. Voor een verhoogde warmteoverdracht kunnen de keramische verwarmingselementen op aluminium koellichamen of roosters worden gemonteerd.

Overstroombeveiliging

Geschakelde PTC thermistors worden gebruikt als overstroombegrenzers of herinstelbare zekeringen in diverse circuits. In het geval van een overstroomsituatie stijgt de temperatuur van het thermistorlichaam en bereikt snel de overgangstemperatuur. Dit heeft tot gevolg dat de weerstand van de PTC-thermistor sterk toeneemt, waardoor de stroom in het circuit wordt begrensd. Wanneer de overstroom- of kortsluitingssituatie is opgelost en de thermistor weer is afgekoeld, functioneert het circuit weer als normaal. Op deze manier werkt de thermistor als een automatisch terugstelbare zekering. Normaal gesproken worden voor deze toepassing polymeer PTC thermistors gebruikt. Ze zijn bekend onder verschillende handelsnamen zoals polyfuse, polyswitch en multifuse.

Tijdvertraging

Een tijdvertraging in een schakeling kan worden verkregen door gebruik te maken van de tijd die een PTC-thermistor nodig heeft om voldoende op te warmen om van zijn lage weerstandstoestand over te schakelen naar een hoge weerstandstoestand, en vice versa. De tijdvertraging is afhankelijk van de grootte, de omgevingstemperatuur en het voltage waarmee hij verbonden is, evenals van de schakeling waarin hij wordt gebruikt. Een voorbeeld van het gebruik van PTC-thermistors voor tijdvertraging is het gebruik ervan in fluorescentielampen. Wanneer de lamp voor het eerst wordt ingeschakeld, is de thermistor in een koude toestand (kamertemperatuur). De lampspanning is lager dan de ontstekingsspanning en de stroom die door het circuit loopt, verhit tegelijkertijd de elektroden en de PTC. Wanneer de Curietemperatuur is bereikt, schakelt de PTC, overschrijdt de spanning over de lamp de ontstekingsspanning en begint de lamp normaal te werken. Het voorverwarmen van de elektroden verlengt de levensduur van de lamp aanzienlijk, reden waarom PTC thermistors in dergelijke schakelingen worden gebruikt.

Starten van de motor

Sommige elektromotoren hebben een aparte startwikkeling die alleen tijdens het starten van de motor van stroom moet worden voorzien. In dergelijke gevallen kan gebruik worden gemaakt van het zelfverhittingseffect van een PTC-thermistor die in serie met een dergelijke wikkeling is geschakeld. Wanneer het circuit wordt ingeschakeld, heeft de PTC-thermistor een lage weerstand, waardoor stroom door de opstartwikkeling kan lopen. Naarmate de motor start, warmt de PTC-thermistor op en schakelt op een gegeven moment over naar een toestand met hoge weerstand. De tijd die hiervoor nodig is, wordt berekend op basis van de vereiste opstarttijd van de motor. Eenmaal opgewarmd wordt de stroom door de PTC-thermistor verwaarloosbaar en dit schakelt de opstartwikkelingstroom uit.

Liquid level sensing

Deze toepassingen berusten op de verandering in de dissipatieconstante wanneer de warmteoverdracht door geleiding en convectie wordt verhoogd. Een verhoging van de dissipatieconstante, die het gevolg is van het contact tussen het toestel en een vloeistof of een verhoogde luchtstroom over het toestel, zal de bedrijfstemperatuur van de thermistor verlagen en de hoeveelheid vermogen verhogen die nodig is om een bepaalde lichaamstemperatuur te handhaven. De vermogenstoename kan worden gemeten en geeft aan het systeem aan dat de thermistor bijvoorbeeld in een vloeistof is ondergedompeld.

PTC thermistor symbool

Het volgende symbool wordt gebruikt voor een positieve temperatuurcoëfficiënt thermistor, volgens de IEC-norm.

PTC thermistor symboolIEC-norm