Princip podnosivog napona i proboj keramičkih PTC grijača u automobilskim klima uređajima

PTC je vrsta poluvodičke termoosjetljive keramike, skraćeno termoosjetljiva keramika s pozitivnim temperaturnim koeficijentom, koja pripada novoj vrsti materijala s iznimno širokom primjenom. Primjenom nelinearne otporne temperature PTC keramike, ona se može razviti i primijeniti u raznim područjima. Na primjer, uporaba keramičkih PTC valovitih grijača u klima uređajima postaje sve raširenija. Jedna od njegovih istaknutih značajki je sigurnosna izvedba. Kada ventilator ne radi i prestane raditi, snaga PTC grijača će automatski naglo pasti zbog nedovoljnog odvođenja topline. U to vrijeme površinska temperatura grijača održava se oko Curiejeve temperature (obično oko 250 stupnjeva), kako se ne bi proizveo fenomen "crvenila" na površini električnih grijaćih cijevnih grijača.

2PTC učinak

Postoje različiti teorijski modeli koji objašnjavaju PTC učinak BaTiO3 poluvodičke keramike, među kojima su model površinske barijere koji je predložio Heywang i model praznog mjesta barija koji su predložili Daniels et al. su zreliji i priznati od strane većine istraživača.

Razlog za PTC efekt može se pripisati prisutnosti sloja potencijalne barijere uzrokovanog akceptorskim površinskim stanjem na granici zrna polikristalnih BaTiO3 poluvodičkih materijala. Otpornost materijala sastoji se od dva dijela: otpora tijela zrna i barijere stanja površine zrna. Kako temperatura raste, otpornost materijala će se promijeniti za nekoliko redova veličine.

Keramički PTC termistori proizvedeni su na bazi barijevog titanata i dopirani drugim polikristalnim keramičkim materijalima, s manjim otporom i poluvodljivim svojstvima. Namjernim dopiranjem materijala s višom kemijskom valencijom kao elementa rešetke kristala, dio barijevih iona ili titanatnih iona u rešetki se zamjenjuje ionima više valencije, što rezultira određenim brojem slobodnih elektrona koji stvaraju vodljivost. Razlog za učinak PTC termistora, koji je postupno povećanje vrijednosti otpora, je taj što je struktura materijala sastavljena od mnogo malih mikrokristala, koji tvore potencijalne barijere na granici zrna (granici zrna), sprječavajući elektrone da prijeđu granicu i uđu susjedna područja, što rezultira visokim otporom. Ovaj se učinak poništava pri niskim temperaturama: visoka dielektrična konstanta i spontana polarizacijska čvrstoća na granicama zrna sprječavaju stvaranje potencijalnih barijera i dopuštaju elektronima da slobodno teku pri niskim temperaturama. Na visokim temperaturama ovaj učinak značajno smanjuje dielektričnu konstantu i intenzitet polarizacije, što dovodi do značajnog povećanja potencijalnih barijera i otpora, pokazujući snažan PTC učinak.

Otporne temperaturne karakteristike (RT karakteristike) keramičkih PTC

Temperaturna karakteristika otpora, koja se obično naziva temperaturna karakteristika otpora, odnosi se na odnos između otpora nulte snage PTC termistora i temperature tijela otpornika pri određenom naponu. Zbog brzih i drastičnih promjena temperature površine i vrijednosti otpora PTC termistora nakon uključivanja napajanja, općenito je teško izmjeriti karakterističnu krivulju temperature otpora u napajanom stanju. Karakteristična krivulja temperature otpora obično se dobiva stavljanjem keramičkih PTC čipova koji nisu spojeni u pećnicu, podešavanjem temperature za stabilizaciju i mjerenjem odgovarajuće vrijednosti otpora na različitim temperaturama, te na kraju crtanjem karakteristične krivulje temperature otpora.

R c otpor prekidača

R p najveći radni otpor

R max maksimalni otpor

R mim minimalni otpor

T c Curiejeva temperatura

T p maksimalna radna temperatura

T max maksimalna temperatura

T min minimalna temperatura

Važan parametar koji karakterizira karakteristike temperature otpora je temperaturni koeficijent, koji odražava strminu krivulje karakteristike temperature otpora. PTC termistor s temperaturnim koeficijentom osjetljiviji je na promjene temperature, odnosno što je značajniji PTC učinak, to je bolji učinak njegovog odgovarajućeg PTC termistora i duži mu je vijek trajanja. Temperaturni koeficijent PTC termistora definiran je kao relativna promjena otpora uzrokovana temperaturnim promjenama. =(lgR2-lgR1)/(T2-T1), općenito, T1 uzima Tc+15 stupanj, a T2 uzima Tc+25 stupanj za izračunavanje temperaturni koeficijent.

Volt amperske karakteristike (VI karakteristike) keramičkih PTC

Naponska strujna karakteristika, skraćeno volt amperska karakteristika, prikazuje međuovisnost između napona i struje u PTC termistorima kada su podvrgnuti električnom opterećenju radi postizanja toplinske ravnoteže. Kada je keramički PTC termistor uključen, struja brzo raste s porastom napona. Kada se postigne Curiejeva temperatura, struja doseže svoj maksimum, a PTC termistor ulazi u PTC područje. Volt amperske karakteristike PTC termistora mogu se grubo podijeliti u tri regije:

Područje između 0-Vk naziva se linearno područje, a odnos između napona i struje u ovom području u osnovi je u skladu s Ohmovim zakonom, bez značajnih nelinearnih promjena, također poznato kao područje bez djelovanja.

Područje između Vk i Vmax naziva se zona skoka. U ovom trenutku, zbog samozagrijavanja PTC termistora, vrijednost otpora prolazi kroz skok, a struja se smanjuje s porastom napona. Stoga je ovo područje poznato i kao zona akcije. Preostali produkt struje i napona u ovom području ostaje konstantan, pokazujući konstantnu karakteristiku snage. Zbog širokog raspona napona u području karakteristike konstantne snage, čak i ako se napon promijeni, PTC termistor i dalje održava određenu temperaturu.

Područje iznad VD naziva se zona sloma. U to vrijeme struja raste s porastom napona, a otpor PTC termistora eksponencijalno opada. Stoga, što su veći napon i struja, to je viša temperatura PTC termistora i niži otpor. To brzo dovodi do toplinskog kvara PTC termistora.

Mehanizam kvara PTC komponente

Slom keramičkih PTC komponenti uglavnom se dijeli na slom granica zrna i toplinski slom.

5.1 Proboj granica zrna: Proboj uzrokovan prekomjernim naponom primijenjenim na neke granice zrna zbog abnormalnog rasta ili neravnomjerne raspodjele zrna naziva se proboj granica zrna.

1963. G Goodman istaknuo je da monokristalno BaTiO3 jednopoluvodičko dopiranje ne pokazuje PTC učinak, dok polikristalno BaTiO3 keramičko dopiranje pokazuje PTC učinak. Od tada se PTC općenito klasificira kao fenomen granice zrna na međunarodnoj razini. U PTC komponentama zrna pripadaju poluvodičima, a granice zrna pripadaju izolacijskom sloju koji je potencijalna barijera. Vanjsko električno polje se uglavnom primjenjuje na granični sloj zrna. Što je manja veličina zrna, to je više granica zrna po jedinici debljine i manji je efektivni napon dodijeljen svakoj granici zrna, što rezultira smanjenjem piezorezistivnog učinka i povećanjem naponske otpornosti. Ako je veličina zrna neujednačenija, moguće je da u keramici postoje neka veća ili abnormalna zrna, koja tvore kanale s nižim otporom i smanjuju otpor napona. Ispravno dodavanje određenih aditiva i poboljšanje uvjeta zagrijavanja procesa sinteriranja u stvarnoj proizvodnji može učinkovito spriječiti stvaranje abnormalnih zrnaca. U stvarnoj proizvodnji, PTC keramičke ploče s abnormalnim zrncima mogu se otkriti ispitivanjem međupolnog otpornog napona od 600 V.

Toplinski slom: Radna točka PTC komponenti prelazi najvišu točku temperaturnih karakteristika otpora i ulazi u NTC fazu, uzrokujući nagli porast temperature i rezultirajući toplinskim slomom. Čimbenici koji utječu na toplinski slom uglavnom se odnose na učinak napona, radnu temperaturu, atmosferu okoliša i metodu ispitivanja međupolnog otpornog napona.

Karakteristična krivulja temperature otpora PTC-a prikazana je u krivulji A na slici, koja pokazuje da kako se temperatura povećava, vrijednost otpora raste korak po korak. PTC s Curiejevom točkom od 250 stupnjeva doseže najveću vrijednost na oko 320 stupnjeva (poznato kao temperatura točke infleksije), što je oko nekoliko stotina kiloohma ili više. Ako temperatura ponovno poraste nakon što je dosegla točku infleksije, RT karakteristike komponente pokazuju NTC karakteristike, to jest, kako temperatura raste, otpor se smanjuje.

Gornju krivulju izmjerio je PTC u uvjetima nulte snage, to jest, ispitna struja manja je od 2 mA (ova struja neće uzrokovati zagrijavanje PTC-a), što je statička RT karakteristika. Zapravo, kada je PTC opterećen naponom, amplituda promjene otpora s temperaturom (omjer porasta i otpora) značajno će se smanjiti, a karakteristična krivulja temperature otpora će biti ravna, kao što je prikazano na krivulji B na slici. To je takozvani efekt napona. Što je napon veći, to je naponski učinak PTC-a izraženiji. Dakle, tijekom procesa ispitivanja otpornog napona od 500 V, PTC keramičke ploče s lošim performansama su sklone kvaru, a što je viši ispitni napon, to je veća vjerojatnost kvara. Prema važećim PTC industrijskim standardima, ispitivanje otpornog napona za opće tvorničke preglede provodi se na naponu od 500 V.

Nakon primjene određenog napona na PTC, toplina koja se sama stvara dolazi u stanje ravnoteže s vanjskom izmjenom topline, a temperatura u tom stanju ravnoteže naziva se radna temperatura. Čimbenici koji utječu na radnu temperaturu povezani su s primijenjenim naponom i uvjetima odvođenja topline. Uzimajući keramički PTC s Curiejevom točkom od 250 stupnjeva kao primjer kada se testira pod određenim uvjetima ventilacije, kada se primijeni napon od 220 V, radna temperatura keramičkog PTC-a je 258 stupnjeva. S porastom napona raste i njegova radna temperatura. Kada se primijeni napon od 500 V, radna temperatura keramičkog PTC-a je 281 stupanj, što je blizu temperature prekretnice od 320 stupnjeva. Keramički PTC je sklon kvaru. U uvjetima bez ventilacije, uvjeti rasipanja topline keramičkog PTC grijača postaju lošiji. U ovom trenutku, veća je vjerojatnost da će se ispitivanje većeg otpornog napona približiti točki prekretnice, uzrokujući povećanje udjela stope kvarova. Stoga je za keramičke PTC grijače s nazivnim naponom od 220 V i Curiejevom točkom od 250 stupnjeva, nazivni napon ispitan pod otpornim naponom od 500 V bez ventilacije, tako da je nazivni napon 500 V. Odabir PTC keramičkih ploča s 220 V i Curiejevom točkom od 250 stupnjeva, te tipični raspon odabira za otpornike R25 sobne temperature

Uvjeti rasipanja topline uključuju faktore kao što su veličina aluminijskih cijevi i traka, razmak između valovitih ploča, položaj ugradnje PTC električnog grijača unutar klima uređaja i je li zračni kanal razuman. Što je veća veličina aluminijske cijevi i aluminijske trake, to su bolji uvjeti odvođenja topline. Odgovarajuće smanjenje razmaka između valovitih ploča može povećati površinu valovitih ploča, što poboljšava uvjete odvođenja topline. Kut ugradnje PTC električnog grijača unutar klima uređaja pogodniji je za protok zraka koji prolazi kroz valovite ploče, što poboljšava uvjete odvođenja topline. Što je dizajn zračnog kanala klima uređaja pogodniji za cirkulaciju protoka zraka, to su bolji uvjeti rasipanja topline PTC-a.

Osim toga, odabir snage također je ključni faktor koji utječe na uvjete rasipanja topline. Kako bi se poboljšala snaga grijanja grijača, koristi se povećanje broja PTC komponenti, što rezultira time da svaka komponenta ne može u potpunosti iskoristiti svoju snagu grijanja i povećava se unutarnja radna temperatura. Glavni razlog je taj što se nakon određivanja veličine dizajna PTC električnog grijača određuje i njegovo područje rasipanja topline. Kako se broj PTC komponenti povećava, prosječna površina rasipanja topline po jedinici PTC komponenti se smanjuje, što dovodi do povećanja toplinske gustoće PTC keramičkih ploča. Na primjer, PTC električni grijač veličine XX * 580 koristi keramičke ploče 32 * 12 * 2,4 mm. Snaga 14 ploča može doseći 900 W, ali snaga 20 ploča može doseći samo 1000 W. Podaci pokazuju da je snaga 14 ploča 64W, dok je snaga 20 ploča 50W. To ukazuje da se područje disipacije topline jedinice smanjuje s povećanjem keramičkih ploča, što rezultira visokom gustoćom topline i teškim radnim okruženjem, što može lako povećati vjerojatnost kvara.

Unutarnja struktura PTC-a sastoji se od zrna i granica zrna. Otpor PTC-a također se sastoji od otpora zrna i granica zrna. Otpor PTC-a na sobnoj temperaturi određen je zrncima, a otpor je vrlo mali. Granice zrna su vodljive. Kada temperatura prijeđe Curiejevu temperaturu, otpor granica zrna se naglo povećava, dosežući do nekoliko stotina kiloohma ili čak megaohma. To je zato što tijekom procesa sinteriranja i hlađenja PTC-a, granice zrna apsorbiraju dovoljno atoma kisika u atmosferi kisika, povećavajući visinu sloja barijere na granicama zrna i rezultirajući izvrsnim karakteristikama PTC-a. Tijekom upotrebe, ako je parcijalni tlak kisika u okolini u kojoj se nalazi PTC nizak, visoka koncentracija atoma kisika na granicama zrna postupno će se raspršiti i preliti u nisku koncentraciju izvana, uzrokujući smanjenje otpora granica zrna PTC-a, omjer uzgona i otpora smanjiti, a karakteristike PTC-a će se ozbiljno pogoršati, što će u konačnici dovesti do slabog naponskog otpora i kvara PTC-a.

Kvaliteta keramičkih PTC ploča ključni je faktor u određivanju naponske otpornosti i proboja. Treba odabrati pouzdane dobavljače i treba provesti strogu ulaznu provjeru keramičkih PTC ploča kako bi se odabrale PTC ploče s visokom otpornošću na napon i visokim temperaturnim koeficijentom

Kako bi se smanjio kontakt između PTC grijača i redukcijskih atmosfera tijekom procesa zagrijavanja, u industriji postoji metoda za smanjenje difuzije atoma kisika i poboljšanje tlačne čvrstoće premazivanjem rubova PTC keramičkih ploča ljepilom.

⑶ Projektirana PTC električna snaga grijanja