Termistor PTC

Co to są termistory PTC?

PTC to skrót od „Positive Temperature Coefficient” (dodatni współczynnik temperaturowy). Termistory PTC są rezystorami o dodatnim współczynniku temperaturowym, co oznacza, że rezystancja wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.

Termistory PTC są podzielone na dwie grupy, w oparciu o użyte materiały, ich strukturę i proces produkcji. Pierwszą grupę termistorów PTC stanowią silistory, które wykorzystują krzem jako materiał półprzewodzący. Są one stosowane jako czujniki temperatury PTC ze względu na swoją liniową charakterystykę. Druga grupa to termistory PTC typu przełączającego. Ten typ termistorów PTC jest szeroko stosowany w grzałkach PTC, czujnikach itp. Polimerowe termistory PTC, wykonane ze specjalnego tworzywa sztucznego, są również w tej drugiej grupie, często używane jako bezpieczniki resetowalne. Termistor PTC typu przełączającego ma wysoce nieliniową krzywą rezystancja-temperatura. Gdy termistor PTC jest podgrzewany, jego rezystancja zaczyna się zmniejszać, aż do osiągnięcia pewnej temperatury krytycznej. W miarę dalszego zwiększania temperatury powyżej tej krytycznej wartości, rezystancja gwałtownie wzrasta. W tym artykule skupimy się na termistorach PTC typu przełączającego.

Definicja termistora PTC

Termistor PTC jest termoczułym rezystorem, którego rezystancja znacznie wzrasta wraz z temperaturą.

Charakterystyka termistorów PTC

Termistory PTC typu przełączającego są zwykle wykonane z polikrystalicznych materiałów ceramicznych, które są wysoce rezystywne w stanie pierwotnym i stają się półprzewodzące przez dodanie domieszek. Są one najczęściej stosowane jako grzałki samoregulujące PTC. Temperatura przejścia większości przełączanych termistorów PTC mieści się w zakresie od 60°C do 120°C. Istnieją jednak urządzenia do specjalnych zastosowań, które mogą przełączać tak niskie, jak 0°C lub tak wysokie, jak 200°C.

Cichostory mają liniową charakterystykę rezystancja-temperatura, z nachyleniem, które jest stosunkowo małe przez większość ich zakresu roboczego. Mogą one wykazywać ujemny współczynnik temperaturowy w temperaturach powyżej 150°C. Silistory mają temperaturowe współczynniki rezystancji około 0,7 do 0,8% °C.

Charakterystyki rezystancja-temperatura(R-T) termistora PTC i silistora

Temperatura przejścia (Tc)

Jak widać na rysunku, przełączające termistory PTC mają lekko ujemny współczynnik temperaturowy do punktu minimalnej rezystancji. Powyżej tego punktu współczynnik ten jest lekko dodatni, aż do momentu osiągnięcia temperatury przejścia – TC. Temperatura ta jest nazywana temperaturą przełączania, temperaturą przejścia lub temperaturą Curie. Temperatura przełączania jest temperaturą, w której rezystancja termistorów PTC typu przełączającego zaczyna gwałtownie rosnąć. Temperatura Curie jest najczęściej definiowana jako temperatura, w której rezystancja jest dwa razy większa od wartości rezystancji minimalnej.

Rezystancja minimalna (Rmin)

Rezystancja minimalna termistora PTC to najniższa rezystancja, jaką można zmierzyć na termistorze PTC typu przełączanego, widoczna na krzywej R-T. Jest to punkt na krzywej, po którym współczynnik temperaturowy staje się dodatni.

Oporność znamionowa (R25)

Oporność znamionowa PTC jest zwykle definiowana jako oporność przy 25°C. Służy ona do klasyfikacji termistorów według ich wartości rezystancji. Mierzy się ją małym prądem, który nie nagrzewa termistora na tyle, aby wpłynąć na pomiar.

Stała dyssypacji

Stała dyssypacji przedstawia zależność między przyłożoną mocą a wynikającym z niej wzrostem temperatury ciała na skutek samonagrzewania. Niektóre z czynników wpływających na stałą dyssypacji to: materiał przewodu kontaktowego, sposób montażu termistora, temperatura otoczenia, ścieżki przewodzenia lub konwekcji między urządzeniem a otoczeniem, rozmiar, a nawet kształt samego urządzenia. Stała rozpraszania ma duży wpływ na właściwości samonagrzewania się termistora.

Maksymalny prąd znamionowy

Prąd znamionowy reprezentuje maksymalny prąd, który może stale przepływać przez termistor PTC w określonych warunkach otoczenia. Jego wartość zależy od stałej dyssypacji i krzywej R-T. Jeśli termistor zostanie przeciążony do punktu, w którym współczynnik temperatury zacznie się ponownie zmniejszać, spowoduje to sytuację runaway power i zniszczenie termistora.

Maksymalne napięcie znamionowe

Podobnie do maksymalnego prądu znamionowego, maksymalne napięcie znamionowe reprezentuje najwyższe napięcie, które może być stale stosowane do termistora w określonych warunkach otoczenia. Jego wartość również zależy od stałej rozpraszania i krzywej R-T.

Tryby pracy

Zależnie od zastosowania, termistory PTC mogą być używane w dwóch trybach pracy: samonagrzewającym się i wyczuwającym (zwanym również trybem zerowego zasilania).

Tryb samonagrzewający się

Tryb samonagrzewający się wykorzystuje fakt, że gdy do termistora przyłożone jest napięcie i przepływa przez niego wystarczający prąd, jego temperatura wzrasta. W miarę zbliżania się do temperatury Curie, rezystancja gwałtownie wzrasta, pozwalając na przepływ znacznie mniejszego prądu. Zachowanie to można zaobserwować na rysunku po lewej stronie. Zmiana oporu w pobliżu temperatury Curie może wynosić kilka rzędów wielkości w zakresie temperatury zaledwie kilku stopni. Jeśli napięcie pozostanie stałe, prąd ustabilizuje się na pewnej wartości, gdy termistor osiągnie równowagę termiczną. Temperatura równowagi zależy od przyłożonego napięcia, jak również od współczynnika rozpraszania termicznego termistora. Ten tryb pracy jest często wykorzystywany przy projektowaniu obwodów z opóźnieniem czasowym zależnym od temperatury.

Tryb wyczuwania (zero mocy)

W tym trybie pracy pobór mocy termistora jest tak mały, że ma pomijalny wpływ na temperaturę termistora, a tym samym na jego rezystancję, w przeciwieństwie do trybu samonagrzewania. Tryb wyczuwania jest zwykle używany podczas pomiaru temperatury przy użyciu krzywej R-T jako odniesienia.

Konstrukcja i właściwości

Termistory PTC typu przełączającego są wykonane z materiałów polikrystalicznych. Są one często wytwarzane przy użyciu mieszanin węglanu baru, tlenku tytanu i dodatków takich jak tantal, krzemionka i mangan. Materiały te są mielone, mieszane, prasowane w krążki lub prostokąty i spiekane. Następnie dodaje się do nich kontakty, a na końcu powleka się je lub obudowuje. Proces produkcji wymaga bardzo dokładnej kontroli materiałów i zanieczyszczeń. Zanieczyszczenia rzędu kilku części na milion mogą powodować poważne zmiany właściwości termicznych i elektrycznych.

Polimerowe PTC są wykonane z plastra plastiku z osadzonymi w nim ziarnami węgla. Gdy urządzenie jest chłodne, ziarna węgla są w bliskim kontakcie ze sobą, tworząc ścieżkę przewodzącą przez urządzenie. Gdy urządzenie się nagrzewa, plastik rozszerza się, a ziarna oddalają się od siebie, podnosząc całkowitą rezystancję urządzenia.

Cilistory opierają się na właściwościach objętościowych domieszkowanego krzemu i wykazują charakterystykę opornościowo-temperaturową zbliżoną do liniowej. Są one produkowane z wysokiej jakości wafli krzemowych, wykonanych w różnych kształtach. Krzywa rezystancji temperaturowej zależy od ilości użytego domieszkowania.

Typowe zastosowania termistorów PTC

Grzejniki samoregulujące

Jeśli przez przełączający się termistor PTC płynie prąd, będzie on automatycznie stabilizował się w określonej temperaturze. Oznacza to, że jeśli temperatura się obniży, opór również się zmniejszy, pozwalając na przepływ większego prądu, a tym samym ogrzewanie urządzenia. Analogicznie, jeśli temperatura wzrośnie, opór również wzrośnie, ograniczając prąd przepływający przez urządzenie, co spowoduje jego ochłodzenie. Termistor PTC osiągnął wtedy punkt, w którym pobierana moc jest praktycznie niezależna od napięcia w stosunkowo szerokim zakresie napięcia. Te termistory PTC są często wykonane z ceramiki w różnych kształtach i rozmiarach, a ze względu na ich elastyczność projektowania, grzejniki ceramiczne PTC są doskonałym wyborem do dostarczania kontrolowanego ciepła elektrycznego. W celu zwiększenia transferu ciepła, ceramiczne elementy grzejne mogą być montowane na aluminiowych radiatorach lub siatkach.

Zabezpieczenie nadprądowe

Przełączane termistory PTC są używane jako ograniczniki nadprądowe lub bezpieczniki resetowalne w różnych obwodach. W przypadku wystąpienia sytuacji nadprądowej temperatura korpusu termistora wzrasta i szybko osiąga temperaturę przejścia. Powoduje to gwałtowny wzrost rezystancji termistora PTC, ograniczając prąd w obwodzie. Gdy sytuacja nadprądowa lub zwarciowa zostanie rozwiązana i termistor zostanie ponownie schłodzony, obwód będzie znów działał normalnie. W ten sposób działa on jak automatyczny bezpiecznik resetowalny. Zazwyczaj termistory polimerowe PTC są używane do tego zastosowania. Są one znane pod różnymi nazwami handlowymi, takimi jak polyfuse, polyswitch i multifuse.

Opóźnienie czasowe

Opóźnienie czasowe w obwodzie może być zapewnione przy użyciu czasu potrzebnego dla termistora PTC do ogrzania się wystarczająco, aby przełączyć się ze stanu niskiej rezystancji do stanu wysokiej rezystancji i odwrotnie. Opóźnienie czasowe zależy od rozmiaru, temperatury otoczenia i napięcia, do którego jest podłączony, jak również od obwodu, w którym jest wykorzystywany. Przykładem zastosowania termistorów PTC z opóźnieniem czasowym jest ich użycie w lampach fluorescencyjnych. Przy pierwszym włączeniu zasilania termistor jest w stanie zimnym (temperatura pokojowa). Napięcie lampy jest niższe od napięcia zapłonu, a prąd płynący przez obwód podgrzewa elektrody i PTC w tym samym czasie. Gdy temperatura Curie zostanie osiągnięta, PTC przełączy się, napięcie na lampie przekroczy napięcie zapłonu i lampa rozpocznie normalną pracę. Wstępne podgrzanie elektrod znacznie wydłuża żywotność lampy, dlatego termistory PTC są stosowane w takich układach.

Rozruch silnika

Niektóre silniki elektryczne mają oddzielne uzwojenie rozruchowe, które musi być zasilane tylko podczas rozruchu silnika. W takich przypadkach możemy wykorzystać efekt samonagrzewania się termistora PTC połączonego szeregowo z takim uzwojeniem. Gdy obwód jest włączony, termistor PTC ma niską rezystancję, pozwalając na przepływ prądu przez uzwojenie rozruchowe. W miarę rozruchu silnika, termistor PTC nagrzewa się i w pewnym momencie przechodzi w stan wysokiej rezystancji. Czas potrzebny do tego jest obliczany na podstawie wymaganego czasu rozruchu silnika. Po nagrzaniu, prąd przez termistor PTC staje się pomijalny i to wyłącza prąd uzwojenia rozruchowego.

Wyczuwanie poziomu cieczy

Te zastosowania polegają na zmianie stałej rozpraszania, gdy przewodzenie i konwekcyjne przenoszenie ciepła są zwiększone. Wzrost stałej dyssypacji, wynikający z kontaktu urządzenia z cieczą lub zwiększonego przepływu powietrza nad urządzeniem, obniży temperaturę pracy termistora i zwiększy ilość mocy potrzebnej do utrzymania danej temperatury ciała. Wzrost mocy może być zmierzony i wskazuje układowi, że termistor jest np. zanurzony w cieczy.

Symbol termistora PTC

Następujący symbol jest stosowany dla termistora o dodatnim współczynniku temperaturowym, zgodnie z normą IEC.

Symbol termistora PTC NormaIEC

.