Termistor PTC

Ce sunt termistoarele PTC?

PTC înseamnă „Coeficient pozitiv de temperatură”. Termistorii PTC sunt rezistențe cu un coeficient de temperatură pozitiv, ceea ce înseamnă că rezistența crește odată cu creșterea temperaturii.

Termistorii PTC sunt împărțiți în două grupe, în funcție de materialele utilizate, de structura lor și de procesul de fabricație. Primul grup de termistori PTC este alcătuit din silistoare, care utilizează siliciul ca material semiconductor. Acestea sunt utilizate ca senzori de temperatură PTC pentru caracteristica lor liniară. Al doilea grup este reprezentat de termistorul PTC de tip comutație. Acest tip de termistori PTC este utilizat pe scară largă în încălzitoarele PTC, senzori etc. În această a doua grupă se află și termistoarele PTC din polimer, fabricate dintr-un plastic special, care sunt adesea utilizate ca siguranțe resetabile. Termistorul PTC de tip comutație are o curbă rezistență-temperatură foarte neliniară. Atunci când termistorul PTC de tip comutație este încălzit, rezistența începe să scadă la început, până când este atinsă o anumită temperatură critică. Pe măsură ce temperatura crește în continuare peste acea valoare critică, rezistența crește în mod dramatic. Acest articol se va concentra asupra termistoarelor PTC de tip comutație.

Definiția termistorului PTC

Un termistor PTC este un rezistor termosensibil a cărui rezistență crește semnificativ cu temperatura.

Caracteristicile termistoarelor PTC

Termistoarele PTC de tip comutație sunt de obicei fabricate din materiale ceramice policristaline care sunt foarte rezistive în starea lor inițială și care sunt făcute semiconductoare prin adăugarea de dopanți. Ele sunt utilizate în principal ca încălzitoare cu autoreglare PTC. Temperatura de tranziție a majorității termistoarelor PTC comutate este cuprinsă între 60°C și 120°C. Cu toate acestea, se fabrică dispozitive pentru aplicații speciale care pot comuta până la 0°C sau până la 200°C.

Silistoarele au o caracteristică liniară rezistență-temperatură, cu o pantă care este relativ mică în cea mai mare parte a domeniului lor de funcționare. Ei pot prezenta un coeficient de temperatură negativ la temperaturi de peste 150 °C. Silistoarele au coeficienți de temperatură ai rezistenței de aproximativ 0,7 până la 0,8% °C.

Caracteristicile rezistență-temperatură(R-T) ale unui termistor PTC și ale unui silistor

Temperatura de tranziție (Tc)

După cum se poate observa din figură, termistoarele PTC de comutare au un coeficient de temperatură ușor negativ până la punctul de rezistență minimă. Peste acest punct, prezintă un coeficient ușor pozitiv până în momentul în care atinge temperatura de tranziție – TC. Această temperatură se numește temperatură de comutare, de tranziție sau Curie. Temperatura de comutare este temperatura la care rezistența termistoarelor PTC de tip comutație începe să crească rapid. Temperatura Curie este de cele mai multe ori definită ca fiind temperatura la care rezistența este de două ori mai mare decât valoarea rezistenței minime.

Rezistența minimă (Rmin)

Rezistența minimă a unui termistor PTC este cea mai mică rezistență care poate fi măsurată pe un termistor PTC de tip comutație, așa cum se vede pe curba R-T. Este punctul de pe curbă după care coeficientul de temperatură devine pozitiv.

Rezistența nominală (R25)

Rezistența PTC nominală este definită în mod normal ca fiind rezistența la 25°C. Ea servește la clasificarea termistoarelor în funcție de valoarea rezistenței lor. Se măsoară cu un curent redus care nu încălzește termistorul suficient de mult pentru a afecta măsurarea.

Constanta de disipare

Constanta de disipare reprezintă relația dintre puterea aplicată și creșterea rezultată a temperaturii corpului din cauza autoîncălzirii. Unii dintre factorii care afectează constanta de disipare sunt: materialele firelor de contact, modul în care este montat termistorul, temperatura mediului ambiant, căile de conducție sau convecție dintre dispozitiv și mediul înconjurător, dimensiunea și chiar forma dispozitivului în sine. Constanta de disipare are un impact major asupra proprietăților de autoîncălzire ale termistorului.

Curentul nominal maxim

Curentul nominal reprezintă curentul maxim care poate trece în mod constant printr-un termistor PTC în condițiile ambientale specificate. Valoarea sa depinde de constanta de disipare și de curba R-T. Dacă termistorul este suprasolicitat până la punctul în care coeficientul de temperatură începe să scadă din nou, acest lucru va duce la o situație de energie de fugă și la distrugerea termistorului.

Tensiune nominală maximă

În mod similar cu curentul nominal maxim, tensiunea nominală maximă reprezintă cea mai mare tensiune care poate fi aplicată în mod continuu termistorului în condiții ambiante specificate. Valoarea sa depinde, de asemenea, de constanta de disipare și de curba R-T.

Moduri de funcționare

În funcție de aplicație, termistoarele PTC pot fi utilizate în două moduri de funcționare; autoîncălzire și detecție (numită și putere zero).

Modul de autoîncălzire

Aplicațiile cu autoîncălzire exploatează faptul că, atunci când se aplică o tensiune unui termistor și trece un curent suficient prin el, temperatura acestuia crește. Pe măsură ce se apropie de temperatura Curie, rezistența crește dramatic, permițând să circule mult mai puțin curent. Acest comportament poate fi observat în figura din stânga. Modificarea rezistenței în apropierea temperaturii Curie poate fi de mai multe ordine de mărime într-un interval de temperatură de numai câteva grade. Dacă tensiunea rămâne constantă, curentul se va stabiliza la o anumită valoare pe măsură ce termistorul atinge echilibrul termic. Temperatura de echilibru depinde de tensiunea aplicată, precum și de factorul de disipare termică al termistorului. Acest mod de funcționare este adesea utilizat la proiectarea circuitelor de temporizare în funcție de temperatură.

Modul de detecție (putere zero)

În acest mod de funcționare, consumul de energie al termistorului este atât de mic încât are un efect neglijabil asupra temperaturii termistorului și, prin urmare, asupra rezistenței acestuia, spre deosebire de modul de autoîncălzire. Modul de detecție este utilizat de obicei atunci când se măsoară temperatura folosind curba R-T ca referință.

Construcție și proprietăți

Termistoarele PTC de tip comutator sunt realizate din materiale policristaline. Ei sunt adesea fabricați folosind amestecuri de carbonat de bariu, oxid de titan și aditivi precum tantal, siliciu și mangan. Materialele sunt măcinate, amestecate, comprimate în formă de discuri sau dreptunghiuri și sinterizate. Ulterior, se adaugă contacte și, în cele din urmă, sunt acoperite sau învelite. Procesul de fabricație necesită un control foarte atent al materialelor și al impurităților. Contaminările de ordinul câtorva părți pe milion pot provoca modificări majore ale proprietăților termice și electrice.

CTP-urile din polimeri sunt realizate dintr-o felie de plastic cu granule de carbon încorporate în ea. Când dispozitivul este rece, granulele de carbon sunt în contact strâns între ele, formând o cale conductoare prin dispozitiv. Pe măsură ce dispozitivul se încălzește, plasticul se dilată și granulele se depărtează, crescând rezistența totală a dispozitivului.

Silistoarele se bazează pe proprietățile masive ale siliciului dopat și prezintă caracteristici rezistență-temperatură care sunt aproape liniare. Ei sunt produși din plachete de siliciu de înaltă calitate pură, realizate în diferite forme. Curba temperatură-rezistență depinde de cantitatea de dopaj utilizată.

Aplicații tipice pentru termistori PTC

Corectoare autoreglabile

Dacă există un curent care trece printr-un termistor PTC de comutare, acesta se va auto-stabiliza la o anumită temperatură. Aceasta înseamnă că, dacă temperatura scade, rezistența va scădea și ea, permițând trecerea unui curent mai mare și, astfel, încălzirea dispozitivului. În mod similar, dacă temperatura crește, rezistența crește și ea, limitând curentul care trece prin dispozitiv și, astfel, îl răcește. Termistorul PTC a ajuns astfel la un punct în care puterea consumată este practic independentă de tensiune pe o gamă relativ largă de tensiuni. Aceste termistoare PTC sunt adesea fabricate din ceramică în diferite forme și dimensiuni și, datorită flexibilității lor de proiectare, încălzitoarele ceramice PTC sunt o alegere excelentă pentru furnizarea de căldură electrică controlată. Pentru un transfer de căldură sporit, elementele de încălzire ceramice pot fi montate pe radiatoare sau grile din aluminiu.

Protecție la supracurent

Termistoarele PTC comutate sunt utilizate ca limitatoare de supracurent sau siguranțe resetabile în diverse circuite. În cazul unei situații de supracurent, temperatura corpului termistorului crește și atinge rapid temperatura de tranziție. Acest lucru duce la creșterea bruscă a rezistenței termistorului PTC, limitând curentul din circuit. Când situația de supracurent sau scurtcircuit este rezolvată și termistorul se răcește din nou, circuitul va funcționa din nou normal. În acest fel, acesta acționează ca o siguranță resetabilă automată. În mod normal, pentru această aplicație se utilizează termistori PTC din polimer. Ele sunt cunoscute sub diferite denumiri comerciale, cum ar fi polifuse, polyswitch și multifuse.

Timp de întârziere

O întârziere într-un circuit poate fi asigurată folosind timpul necesar pentru ca un termistor PTC să se încălzească suficient pentru a trece de la starea de rezistență scăzută la o stare de rezistență ridicată și viceversa. Întârzierea de timp depinde de dimensiunea, de temperatura ambiantă și de tensiunea la care este conectat, precum și de circuitul în care este utilizat. Un exemplu de utilizare a termistoarelor PTC cu temporizare este utilizarea lor în lămpile fluorescente. La prima alimentare, termistorul se află în stare rece (temperatura camerei). Tensiunea lămpii este sub tensiunea de aprindere, iar curentul care circulă prin circuit încălzește electrozii și PTC-ul în același timp. Când este atinsă temperatura Curie, PTC-ul se comută, tensiunea din lampă depășește tensiunea de aprindere și lampa începe să funcționeze normal. Preîncălzirea electrozilor prelungește semnificativ durata de viață a lămpii, motiv pentru care termistoarele PTC sunt utilizate în astfel de circuite.

Începutul motorului

Câteva motoare electrice au o înfășurare de pornire separată care trebuie alimentată numai în timpul pornirii motorului. În astfel de cazuri, putem folosi efectul de autoîncălzire al unui termistor PTC conectat în serie cu o astfel de înfășurare. Atunci când circuitul este pornit, termistorul PTC are o rezistență scăzută, permițând trecerea curentului prin înfășurarea de pornire. Pe măsură ce motorul pornește, termistorul PTC se încălzește și, la un moment dat, trece la o stare de rezistență ridicată. Timpul necesar pentru ca acest lucru să se întâmple este calculat pe baza timpului necesar pentru pornirea motorului. Odată încălzit, curentul prin termistorul PTC devine neglijabil și acest lucru oprește curentul din înfășurarea de pornire.

Sesizare nivel lichid

Aceste aplicații se bazează pe modificarea constantei de disipare atunci când transferul de căldură prin conducție și convecție este crescut. O creștere a constantei de disipare, rezultată din contactul dintre dispozitiv și un lichid sau un flux de aer crescut peste dispozitiv, va scădea temperatura de funcționare a termistorului și va crește cantitatea de energie necesară pentru a menține o anumită temperatură a corpului. Creșterea puterii poate fi măsurată și indică sistemului că termistorul este, de exemplu, scufundat într-un lichid.

Simbolul termistorului PTC

Simbolul următor este utilizat pentru un termistor cu coeficient de temperatură pozitiv, conform standardului IEC.

Simbolul termistorului PTCSimbolul termistorului IEC

.