PTC-termistor

Vad är PTC-termistorer?

PTC står för ”Positiv temperaturkoefficient”. PTC-termistorer är motstånd med en positiv temperaturkoefficient, vilket innebär att motståndet ökar med stigande temperatur.

PTC-termistorer delas in i två grupper, baserat på de material som används, deras struktur och tillverkningsprocessen. Den första gruppen PTC-termistorer består av silistorer, som använder kisel som halvledarmaterial. De används som PTC-temperaturgivare på grund av sin linjära karakteristik. Den andra gruppen är PTC-termistorer av switching-typ. Denna typ av PTC-termistorer används ofta i PTC-värmare, sensorer osv. Polymer-PTC-termistorer, som är tillverkade av en speciell plast, ingår också i denna andra grupp och används ofta som återställbara säkringar. PTC-termistorer av switchande typ har en mycket olinjär motstånd-temperaturkurva. När PTC-termistorn av kopplingstyp värms upp börjar motståndet först minska tills en viss kritisk temperatur uppnås. När temperaturen ökar ytterligare över det kritiska värdet ökar motståndet dramatiskt. Den här artikeln kommer att fokusera på PTC-termistorer av den kopplande typen.

Definition av PTC-termistorer

En PTC-termistor är ett termiskt känsligt motstånd vars motstånd ökar avsevärt med temperaturen.

Kännetecken för PTC-termistorer

Kopplande PTC-termistorer tillverkas vanligen av polykristallina keramiska material som är högresistiva i ursprungligt tillstånd och som görs halvledande genom tillsats av dopningsmedel. De används oftast som självreglerande PTC-värmare. Övergångstemperaturen för de flesta kopplade PTC-termistorer ligger mellan 60 °C och 120 °C. Det tillverkas dock enheter för speciella tillämpningar som kan växla så lågt som 0°C eller så högt som 200°C.

Silistorer har en linjär motstånd-temperaturkarakteristik, med en lutning som är relativt liten genom större delen av deras driftsområde. De kan uppvisa en negativ temperaturkoefficient vid temperaturer över 150 °C. Silistorer har temperaturkoefficienter för motstånd på cirka 0,7 till 0,8 % °C.

Varumärkena för resistans-temperatur (R-T) hos en PTC-termistor och en silistor

Övergångstemperatur (Tc)

Som framgår av figuren har kopplingsbara PTC-termistorer en svagt negativ temperaturkoefficient fram till punkten för minsta motstånd. Ovanför denna punkt upplever den en något positiv koefficient fram till det ögonblick då den når sin övergångstemperatur – TC. Denna temperatur kallas för brytnings-, övergångs- eller Curietemperaturen. Omkopplingstemperaturen är den temperatur vid vilken motståndet för PTC-termistorer av omkopplingstyp börjar stiga snabbt. Curietemperaturen definieras för det mesta som den temperatur vid vilken motståndet är dubbelt så stort som värdet av det minsta motståndet.

Minimummotstånd (Rmin)

Minimummotståndet för en PTC-termistor är det lägsta motståndet som kan uppmätas på en PTC-termistor av switchad typ, vilket syns på R-T-kurvan. Det är den punkt på kurvan efter vilken temperaturkoefficienten blir positiv.

Rated resistance (R25)

Det nominella PTC-motståndet definieras normalt som motståndet vid 25 °C. Den tjänar till att klassificera termistorerna enligt deras motståndsvärde. Den mäts med en låg ström som inte värmer termistorn tillräckligt mycket för att påverka mätningen.

Dissipationskonstant

Dissipationskonstanten representerar förhållandet mellan den applicerade effekten och den resulterande kroppstemperaturhöjningen på grund av självuppvärmning. Några av de faktorer som påverkar dissipationskonstanten är: material för kontakttrådar, hur termistorn är monterad, omgivningstemperaturen, konduktions- eller konvektionsvägar mellan enheten och dess omgivning, storleken och till och med formen på själva enheten. Dissipationskonstanten har stor inverkan på termistorens självuppvärmningsegenskaper.

Maximala nominella strömmen

Den nominella strömmen representerar den maximala strömmen som konstant kan flöda genom en PTC-termistor vid specificerade omgivningsförhållanden. Dess värde beror på dissipationskonstanten och R-T-kurvan. Om termistorn överbelastas så mycket att temperaturkoefficienten börjar sjunka igen, kommer detta att resultera i en strömningssituation som leder till att strömmen går iväg och att termistorn förstörs.

Maximal nominell spänning

Samma som den maximala nominella strömmen representerar den maximala nominella spänningen den högsta spänning som kontinuerligt kan appliceras på termistorn vid specificerade omgivningsförhållanden. Även dess värde beror på dissipationskonstanten och R-T-kurvan.

Driftsätt

Avhängigt av applikationen kan PTC-termistorer användas i två driftsätt; självuppvärmning och avkänning (även kallad nolleffekt).

Självuppvärmningsläge

Självuppvärmningstillämpningar utnyttjar det faktum att när en spänning läggs på en termistor och tillräckligt med ström flyter genom den, så ökar dess temperatur. När Curietemperaturen närmar sig ökar motståndet dramatiskt, vilket gör att mycket mindre ström kan flöda. Detta beteende framgår av figuren till vänster. Motståndsförändringen nära Curietemperaturen kan vara flera storleksordningar inom ett temperaturspann på bara några få grader. Om spänningen förblir konstant kommer strömmen att stabiliseras vid ett visst värde när termistorn når termisk jämvikt. Jämviktstemperaturen beror på den spänning som läggs på samt på termistorens termiska dissipationsfaktor. Detta driftläge används ofta när man konstruerar temperaturberoende tidsfördröjningskretsar.

Sensing (zero-power) mode

I detta driftläge är termistorens strömförbrukning så liten att den har en försumbar effekt på termistorens temperatur och därmed motstånd, till skillnad från det självuppvärmda läget. Det avkännande läget används vanligtvis när man mäter temperaturen med R-T-kurvan som referens.

Konstruktion och egenskaper

PTC-termistorer av switching-typ är tillverkade av polykristallina material. De tillverkas ofta med hjälp av blandningar av bariumkarbonat, titanoxid och tillsatser som tantal, kiseldioxid och mangan. Materialen mals, blandas, komprimeras till skivor eller rektanglar och sintras. Därefter tillsätts kontakter och slutligen beläggs eller omsluts de. Tillverkningsprocessen kräver mycket noggrann kontroll av material och föroreningar. Föroreningar i storleksordningen några delar per miljon kan orsaka stora förändringar i de termiska och elektriska egenskaperna.

Polymer-PTC:er tillverkas av en plastskiva med kolkorn inbäddade i den. När enheten är kall är kolkornen i nära kontakt med varandra och bildar en ledande väg genom enheten. När enheten värms upp expanderar plasten och kornen rör sig längre ifrån varandra, vilket ökar enhetens totala motstånd.

Silistorer förlitar sig på bulkegenskaperna hos dopat kisel och uppvisar motstånd-temperatur-egenskaper som är nära linjära. De tillverkas av kiselskivor av hög ren kvalitet som tillverkas i olika former. Temperaturmotståndskurvan beror på mängden dopning som används.

Typiska tillämpningar för PTC-termistorer

Självreglerande värmare

Om det går en ström genom en kopplande PTC-termistor kommer den att självstabilisera sig vid en viss temperatur. Det innebär att om temperaturen sjunker kommer motståndet också att minska, vilket gör att mer ström kan flöda och därmed värma enheten. På samma sätt ökar motståndet också om temperaturen ökar, vilket begränsar strömmen som passerar genom enheten och därmed kyler den. PTC-termistorn har då nått en punkt där den förbrukade strömmen är praktiskt taget oberoende av spänningen över ett relativt brett spänningsområde. Dessa PTC-termistorer är ofta tillverkade av keramik i olika former och storlekar och på grund av deras konstruktionsflexibilitet är keramiska PTC-värmare ett utmärkt val för att tillhandahålla kontrollerad elektrisk värme. För ökad värmeöverföring kan de keramiska värmeelementen monteras på kylflänsar eller galler av aluminium.

Överströmsskydd

Switchade PTC-termistorer används som överströmsbegränsare eller återställbara säkringar i olika kretsar. Vid en överströmssituation stiger termistorns kroppstemperatur och når snabbt övergångstemperaturen. Detta resulterar i att PTC-termistorens motstånd ökar kraftigt och begränsar strömmen i kretsen. När överströms- eller kortslutningssituationen är löst och termistorn har kylts ner igen fungerar kretsen som vanligt igen. På detta sätt fungerar den som en automatiskt återställbar säkring. Normalt används polymer-PTC-termistorer för denna tillämpning. De är kända under olika handelsnamn som polyfuse, polyswitch och multifuse.

Tidsfördröjning

En tidsfördröjning i en krets kan åstadkommas med hjälp av den tid som en PTC-termistor behöver för att värmas upp tillräckligt mycket för att växla från sitt lågmotståndstillstånd till ett högmotståndstillstånd, och vice versa. Tidsfördröjningen är beroende av storleken, omgivningstemperaturen och den spänning som den är ansluten till samt kretsen som den används i. Ett exempel på tidsfördröjningsanvändning för PTC-termistorer är deras användning i lysrörslampor. När strömmen först sätts på är termistorn i kallt tillstånd (rumstemperatur). Lampspänningen ligger under tändspänningen och den ström som flyter genom kretsen värmer upp elektroderna och PTC:n samtidigt. När Curie-temperaturen uppnås kommer PTC:n att slå om, spänningen över lampan kommer att överstiga tändspänningen och lampan kommer att börja fungera normalt. Förvärmning av elektroderna förlänger lampans livslängd avsevärt, vilket är anledningen till att PTC-termistorer används i sådana kretsar.

Motorstart

Vissa elmotorer har en separat startlindning som behöver strömförsörjas endast vid start av motorn. I sådana fall kan man utnyttja självuppvärmningseffekten hos en PTC-termistor som är kopplad i serie med en sådan lindning. När kretsen är påslagen har PTC-termistorn ett lågt motstånd, vilket gör att strömmen kan passera genom startlindningen. När motorn startar värms PTC-termistorn upp och övergår vid ett tillfälle till ett tillstånd med högt motstånd. Den tid som behövs för att detta ska ske beräknas utifrån den erforderliga starttiden för motorn. När den har värmts upp blir strömmen genom PTC-termistorn försumbar och detta stänger av startlindningsströmmen.

Vätskenivåavkänning

Dessa tillämpningar är beroende av förändringen i dissipationskonstanten när konduktions- och konvektionsvärmeöverföringen ökar. En ökning av dissipationskonstanten, till följd av kontakten mellan anordningen och en vätska eller ett ökat luftflöde över anordningen, kommer att sänka termistorens arbetstemperatur och öka den effekt som behövs för att bibehålla en viss kroppstemperatur. Effektökningen kan mätas och indikerar för systemet att termistorn till exempel är nedsänkt i en vätska.

PTC-termistorsymbol

Följande symbol används för en termistor med positiv temperaturkoefficient enligt IEC-standarden.

PTC-termistorsymbolIEC-standard