Принцип витримки напруги та пробою керамічних нагрівачів PTC в автомобільних кондиціонерах

PTC — це тип напівпровідникової термочутливої ​​кераміки, скорочено відомий як термочутлива кераміка з позитивним температурним коефіцієнтом, яка належить до нового типу матеріалу з надзвичайно широким застосуванням. Застосовуючи температуру нелінійного опору кераміки PTC, її можна розробляти та застосовувати в різних областях. Наприклад, використання керамічних PTC гофрованих нагрівачів в кондиціонерах стає все більш поширеним. Однією з його головних особливостей є безпека. Коли вентилятор працює несправно і припиняє працювати, потужність нагрівача PTC автоматично різко впаде через недостатнє розсіювання тепла. У цей час температура поверхні нагрівача підтримується приблизно на рівні температури Кюрі (зазвичай близько 250 градусів), щоб не викликати явища «почервоніння» на поверхні електричних нагрівальних трубчастих нагрівачів.

Ефект 2PTC

Існують різні теоретичні моделі для пояснення ефекту PTC напівпровідникової кераміки BaTiO3, серед яких модель поверхневого бар’єру, запропонована Heywang, і модель вакансії барію, запропонована Daniels et al. є більш зрілими і визнаними більшістю дослідників.

Причину ефекту PTC можна пояснити наявністю потенційного бар’єрного шару, викликаного станом поверхні акцептора на межі зерен полікристалічних напівпровідникових матеріалів BaTiO3. Питомий опір матеріалу складається з двох частин: опору тіла зерна та бар'єру стану поверхні зерна. З підвищенням температури питомий опір матеріалу зміниться на кілька порядків.

Керамічні PTC термістори виготовляються на основі титанату барію та додаються іншими полікристалічними керамічними матеріалами з меншим опором і напівпровідниковими властивостями. При цілеспрямованому легуванні матеріалу з вищою хімічною валентністю як елемента решітки кристала частина іонів барію або титанатних іонів у решітці замінюється іонами вищої валентності, що призводить до певної кількості вільних електронів, які генерують провідність. Причина ефекту терморезистора PTC, який є ступінчастим збільшенням значення опору, полягає в тому, що структура матеріалу складається з багатьох дрібних мікрокристалів, які утворюють потенційні бар’єри на межі зерен (межі зерен), перешкоджаючи електронам перетинати межу та входити всередину суміжні області, що призводить до високого опору. Цей ефект нівелюється при низьких температурах: висока діелектрична проникність і сила спонтанної поляризації на границях зерен перешкоджають утворенню потенційних бар’єрів і дозволяють електронам вільно текти при низьких температурах. При високих температурах цей ефект значно знижує діелектричну проникність та інтенсивність поляризації, що призводить до значного збільшення потенційних бар’єрів і опору, демонструючи сильний ефект PTC.

Температурні характеристики опору (RT характеристики) керамічного ПТК

Температурна характеристика опору, яку зазвичай називають температурною характеристикою опору, відноситься до співвідношення між опором нульової потужності термістора PTC і температурою корпусу резистора при заданій напрузі. Через швидкі та різкі зміни температури поверхні та значення опору терморезисторів PTC після ввімкнення живлення, як правило, важко виміряти характеристичну криву температури опору в увімкненому стані. Характеристичну криву опору температури зазвичай отримують шляхом розміщення не підключених керамічних чіпів PTC у піч, регулювання температури для стабілізації та вимірювання відповідного значення опору при різних температурах і, нарешті, малювання кривої температури опору.

R c опір перемикача

R p максимальний робочий опір

R max максимальний опір

R mim мінімальний опір

T c Температура Кюрі

T p максимальна робоча температура

T max максимальна температура

T min мінімальна температура

Важливим параметром, що характеризує температурні характеристики опору, є температурний коефіцієнт, який відображає крутизну кривої температурних характеристик опору. Термістор з температурним коефіцієнтом PTC більш чутливий до змін температури, тобто чим суттєвіший ефект PTC, тим краща продуктивність відповідного термістора PTC і тим довший термін його служби. Температурний коефіцієнт PTC термісторів визначається як відносна зміна опору, спричинена змінами температури. =(lgR2-lgR1)/(T2-T1), загалом, T1 приймає Tc+15 ступеня, а T2 приймає Tc+25 ступеня для обчислення температурний коефіцієнт.

Вольт-амперні характеристики (VI-характеристики) керамічного PTC

Характеристика струму напруги, скорочена як вольт-амперна характеристика, відображає взаємозалежність між напругою та струмом у термісторах PTC під час дії електричних навантажень для досягнення теплового балансу. Коли керамічний терморезистор увімкнено, струм швидко зростає зі збільшенням напруги. При досягненні температури Кюрі сила струму досягає свого максимуму, і терморезистор PTC потрапляє в область PTC. Вольт-амперні характеристики термістора PTC можна грубо розділити на три області:

Область між 0-Vk називається лінійною областю, і співвідношення між напругою та струмом у цій області в основному відповідає закону Ома без значних нелінійних змін, також відомому як область неактивності.

Область між Vk і Vmax називається зоною стрибка. У цей час через самонагрівання термістора PTC величина опору зазнає стрибок, а сила струму зменшується зі збільшенням напруги. Тому ця зона також відома як зона дії. Залишковий добуток струму і напруги в цій області залишається постійним, демонструючи постійну характеристику потужності. Завдяки широкому діапазону напруги в області характеристики постійної потужності, навіть якщо напруга змінюється, термістор PTC все ще підтримує певну температуру.

Область над VD називається зоною пробою. У цей час сила струму зростає зі збільшенням напруги, а опір терморезистора експоненціально зменшується. Таким чином, чим вище напруга і сила струму, тим вище температура термістора PTC і тим нижче опір. Це швидко призводить до теплового пробою термістора PTC.

Механізм поломки компонента ПТК

Розпад керамічних компонентів PTC в основному поділяється на руйнування меж зерен і термічний руйнування.

5.1 Порушення меж зерен: Порушення, спричинене надмірною напругою, прикладеною до деяких меж зерен через аномальний ріст або нерівномірний розподіл зерен, називається пробою меж зерен.

1963 Г. Гудмен зазначив, що однокристалічний напівпровідник BaTiO3 не виявляє ефекту PTC, тоді як полікристалічний легуючий керамічний BaTiO3 виявляє ефект PTC. Відтоді на міжнародному рівні PTC зазвичай класифікують як феномен меж зерен. У компонентах PTC зерна належать до напівпровідників, а межі зерен належать до ізоляційного шару, який є потенційним бар’єром. Зовнішнє електричне поле в основному прикладено до зернограничного шару. Чим менший розмір зерна, тим більше меж зерен на одиницю товщини, і тим менша ефективна напруга, розподілена на кожну межу зерна, що призводить до зменшення п’єзорезистивного ефекту та збільшення опору напрузі. Якщо розмір зерна є більш нерівномірним, можливо, у кераміці є більші або ненормальні зерна, які утворюють канали з меншим питомим опором і зменшують опір напрузі. Правильне додавання певних добавок і покращення умов нагрівання процесу спікання на фактичному виробництві може ефективно запобігти утворенню аномальних зерен. У реальному виробництві керамічні листи PTC з ненормальними зернами можна виявити за допомогою випробування міжполюсної витримкової напруги 600 В.

Термічний пробій: Робоча точка компонентів PTC перетинає найвищу точку температурних характеристик опору та переходить у стадію NTC, викликаючи різке підвищення температури та, як наслідок, тепловий пробій. Фактори, які впливають на термічний пробій, в основному пов’язані з впливом напруги, робочою температурою, атмосферою навколишнього середовища та методом випробування міжполюсної напруги.

Характеристика температури опору PTC показана на кривій A на малюнку, яка показує, що зі збільшенням температури значення опору збільшується крок за кроком. PTC з точкою Кюрі 250 градусів досягає свого максимального значення приблизно при 320 градусах (відома як температура точки перегину), що становить приблизно кілька сотень кілоом або більше. Якщо температура знову підвищується після досягнення точки перегину, характеристики RT компонента демонструють характеристики NTC, тобто зі збільшенням температури опір зменшується.

Наведену вище криву було виміряно за допомогою PTC за умов нульового живлення, тобто випробувальний струм становить менше 2 мА (цей струм не призведе до нагрівання PTC), що є статичною характеристикою RT. Насправді, коли PTC завантажується напругою, амплітуда зміни опору з температурою (співвідношення підвищення до опору) значно зменшиться, а характерна крива опору температури матиме тенденцію бути плоскою, як показано на кривій B на малюнку. Це так званий ефект напруги. Чим вище напруга, тим більше виражений вольтажний вплив ПТК. Таким чином, під час процесу випробування витримкою напруги 500 В керамічні листи PTC із поганими характеристиками схильні до поломки, і чим вища випробувальна напруга, тим більша ймовірність поломки. Відповідно до чинних галузевих стандартів PTC, випробування на витримку напруги для загальних заводських інспекцій проводяться при напрузі 500 В.

Після прикладання певної напруги до PTC тепло, що виділяється само по собі, досягає стану рівноваги із зовнішнім теплообміном, і температура в цьому стані рівноваги називається робочою температурою. Фактори, що впливають на робочу температуру, пов’язані з прикладеною напругою та умовами тепловіддачі. Взявши, наприклад, керамічний PTC з точкою Кюрі 250 градусів під час випробування в певних умовах вентиляції, коли подається напруга 220 В, робоча температура керамічного PTC становить 258 градусів. Зі збільшенням напруги підвищується і його робоча температура. Коли подається напруга 500 В, робоча температура керамічного PTC становить 281 градус, що близько до температури точки повороту 320 градусів. Керамічний PTC схильний до руйнування. В умовах відсутності вентиляції умови розсіювання тепла керамічного PTC нагрівача погіршуються. У цей час більша ймовірність наближення випробувальної точки повороту при більш високій витримуваній напрузі, спричиняючи збільшення частки відмов при пробої. Таким чином, для керамічних обігрівачів PTC з номінальною напругою 220 В і точкою Кюрі 250 градусів номінальна напруга випробовується під витримкою напруги 500 В без вентиляції, тому номінальна напруга становить 500 В. Вибір керамічних листів PTC з напругою 220 В і точкою Кюрі 250 градусів, а також типовий діапазон вибору для резисторів R25 кімнатної температури

Умови розсіювання тепла включають такі фактори, як розмір алюмінієвих труб і смуг, відстань між гофрованими пластинами, місце встановлення електричного нагрівача PTC всередині кондиціонера та доцільність повітропроводу. Чим більший розмір алюмінієвої трубки та алюмінієвої стрічки, тим кращі умови тепловіддачі. Відповідне зменшення відстані між гофрованими пластинами може збільшити площу гофрованих пластин, що покращує умови розсіювання тепла. Кут установки електронагрівача PTC всередині кондиціонера більш сприятливий для потоку повітря, що проходить через гофровані пластини, що покращує умови тепловіддачі. Чим більше конструкція повітропроводу кондиціонера сприяє циркуляції повітряного потоку, тим кращі умови розсіювання тепла PTC.

Крім того, вибір потужності також є ключовим фактором, що впливає на умови тепловіддачі. Щоб підвищити теплову потужність обігрівача, використовується збільшення кількості компонентів PTC, в результаті чого кожен компонент не може повністю використовувати свою теплову потужність і підвищується внутрішня робоча температура. Основна причина полягає в тому, що після визначення розміру конструкції електричного нагрівача PTC також визначається його площа розсіювання тепла. Зі збільшенням кількості компонентів PTC середня площа розсіювання тепла на одиницю компонентів PTC зменшується, що призводить до збільшення теплової щільності керамічних листів PTC. Наприклад, електронагрівач PTC розміром XX * 580 використовує керамічні пластини 32 * 12 * 2,4 мм. Потужність 14 пластин може досягати 900 Вт, але потужність 20 пластин може досягати лише 1000 Вт. Дані показують, що потужність 14 пластин становить 64 Вт, тоді як потужність 20 пластин становить 50 Вт. Це вказує на те, що площа розсіювання тепла блоку зменшується зі збільшенням керамічних пластин, що призводить до високої щільності тепла та жорсткого робочого середовища, що може легко збільшити ймовірність поломки.

Внутрішня структура PTC складається із зерен і меж зерен. Опір PTC також складається з опору зерна та межі зерна. Опір PTC при кімнатній температурі визначається зернами, і опір дуже малий. Межі зерен провідні. Коли температура перевищує температуру Кюрі, опір меж зерен різко зростає, досягаючи кількох сотень кОм або навіть мегаом. Це пов’язано з тим, що під час процесу спікання та охолодження PTC межі зерен поглинають достатню кількість атомів кисню в атмосфері кисню, збільшуючи висоту бар’єрного шару на границях зерен і створюючи чудові характеристики PTC. Під час використання, якщо парціальний тиск кисню в середовищі, де знаходиться PTC, низький, висока концентрація атомів кисню на межах зерен буде поступово розсіюватися та перетікати до низької концентрації назовні, спричиняючи зниження опору меж зерен PTC, співвідношення підйомної сили та лобового опору зменшиться, і характеристики PTC серйозно погіршаться, що зрештою призведе до низького опору напрузі та поломки PTC.

Якість керамічних листів PTC є ключовим фактором у визначенні стійкості до напруги та пробою. Необхідно вибрати надійних постачальників і проводити суворий вхідний скринінг керамічних листів PTC, щоб вибрати листи PTC з високою стійкістю до напруги та високим температурним коефіцієнтом

Щоб зменшити контакт між нагрівачами PTC і відновною атмосферою під час процесу нагрівання, у промисловості існує метод зменшення дифузії атомів кисню та підвищення міцності на стиск шляхом покриття країв керамічних листів PTC адгезивом.

⑶ Проектна потужність електричного нагріву PTC