ترمیستورهای PTC چیست؟

PTC مخفف “ضریب دمای مثبت” است. ترمیستورهای PTC، مقاومت هایی با ضریب دمایی مثبت هستند، به این معنی که با افزایش دما، مقاومت افزایش می یابد.

ترمیستورهای PTC بر اساس مواد مورد استفاده، ساختار و فرآیند ساخت به دو گروه تقسیم می شوند. اولین گروه از ترمیستورهای PTC از سیلیسورها silistors تشکیل شده است که از سیلیکون به عنوان ماده نیمه رسانا استفاده می کنند. آنها به عنوان سنسورهای دمای PTC برای مشخصه خطی خود استفاده می شوند.

گروه دوم ترمیستور PTC نوع سوئیچینگ است. ترمیستور PTC نوع سوئیچینگ دارای یک منحنی مقاومت-دما غیرخطی است. هنگامی که ترمیستور PTC نوع سوئیچینگ گرم می شود، ابتدا مقاومت شروع به کاهش می کند تا زمانی که به دمای بحرانی خاصی برسد. با افزایش بیشتر دما از آن مقدار بحرانی، مقاومت به طور چشمگیری افزایش می یابد. این نوع ترمیستورهای PTC به طور گسترده در PTC بخاری‌های PTC heaters ، سنسورها و غیره استفاده می‌شود. ترمیستورهای PTC پلیمری که از پلاستیک مخصوص ساخته شده‌اند، بخشی از این گروه دوم هستند و اغلب به عنوان فیوزهای قابل تنظیم مجدد استفاده می‌شوند.

تعریف ترمیستور PTC

ترمیستور PTC یک مقاومت حساس به حرارت است که با افزایش دما مقاومت آن به طور قابل توجهی افزایش می یابد.

ویژگی های ترمیستورهای PTC

سیلیستورها Silistors دارای یک مشخصه مقاومت-دمای خطی هستند، با شیب نسبتاً کوچک در اکثر محدوده عملیاتی آنها. آنها ممکن است ضریب دمایی منفی را در دمای بالای 150 درجه سانتیگراد نشان دهند. سیلیستورها دارای ضرایب مقاومت دمایی در حدود 0.7 تا 0.8٪ / درجه سانتیگراد هستند.

ترمیستورهای سوئیچینگ PTC معمولا از مواد سرامیکی پلی کریستالی ساخته می شوند که در حالت اولیه مقاومت بالایی دارند و با افزودن مواد ناخالص نیمه رسانا می شوند. آنها بیشتر به عنوان بخاری های خود تنظیم کننده PTC استفاده می شوند. دمای انتقال اکثر ترمیستورهای PTC سوئیچ شده بین 60 تا 120 درجه سانتیگراد است. با این حال، دستگاه‌های کاربردی خاصی ساخته شده‌اند که می‌توانند تا دمای 0 درجه سانتی‌گراد یا تا 200 درجه سانتی‌گراد تغییر کنند.

PTC thermistor resistance-temperature characteristic

ویژگی های مقاومت دمایی (R-T) یک ترمیستور PTC و یک سیلیستور

دمای انتقال (Tc)

همانطور که از شکل مشخص است، ترمیستورهای سوئیچینگ PTC تا حد حداقل مقاومت دارای ضریب دمایی کمی منفی هستند. بالاتر از این نقطه، تا لحظه ای که به دمای گذار خود (TC) می رسد، ضریب کمی مثبت را تجربه می کند. این دما گاهی اوقات به عنوان دمای سوئیچ یا کوری نیز شناخته می شود. دمای سوئیچ دمایی است که در آن مقاومت ترمیستورهای نوع سوئیچینگ PTC شروع به افزایش سریع می کند. دمای کوری بیشتر اوقات به عنوان دمایی تعریف می شود که در آن مقاومت دو برابر مقدار حداقل مقاومت است.

حداقل مقاومت (Rmin)

حداقل مقاومت یک ترمیستور PTC کمترین مقاومتی است که می توان روی یک ترمیستور PTC نوع سوئیچ شده اندازه گیری کرد، همانطور که در منحنی R-T مشاهده می شود. این نقطه روی منحنی است که پس از آن ضریب دما مثبت می شود.

مقاومت نامی (R25)

مقاومت نامی PTC معمولاً به عنوان مقاومت در 25 درجه سانتیگراد تعریف می شود. این به طبقه بندی ترمیستورها بر اساس مقدار مقاومت آنها کمک می کند. با جریان کم اندازه گیری می شود که ترمیستور را به اندازه کافی گرم نمی کند تا بر اندازه گیری تأثیر بگذارد.

Dissipation constant ثابت اتلاف

ثابت اتلاف نشان دهنده رابطه بین توان اعمال شده و افزایش دمای بدن ناشی از خود گرمایشی است. برخی از عواملی که بر ثابت اتلاف تأثیر می‌گذارند عبارتند از: مواد سیم تماس، نحوه نصب ترمیستور، دمای محیط، مسیرهای رسانش یا همرفت بین دستگاه و محیط اطراف، اندازه و حتی شکل خود دستگاه. ثابت اتلاف تأثیر عمده ای بر خواص خودگرمایی ترمیستور دارد

حداکثر جریان نامی

جریان نامی حداکثر جریانی را نشان می‌دهد که می‌تواند دائماً از یک ترمیستور PTC در شرایط محیطی مشخص عبور کند. مقدار آن به ثابت اتلاف و منحنی R-T بستگی دارد. اگر ترمیستور تا حدی بارگذاری شود که ضریب دما مجدداً شروع به کاهش کند، این امر منجر به خروج انرژی و از بین رفتن ترمیستور می شود.

حداکثر ولتاژ نامی

به طور مشابه با حداکثر جریان نامی، حداکثر ولتاژ نامی نشان دهنده بالاترین ولتاژی است که می تواند به طور مداوم در شرایط محیطی مشخص به ترمیستور اعمال شود. مقدار آن نیز به ثابت اتلاف و منحنی R-T بستگی دارد.

حالت های عملکرد

بسته به کاربرد، ترمیستورهای PTC را می توان در دو حالت کار استفاده کرد. خود گرم شده و حسگر (همچنین توان صفر نامیده می شود).

حالت خود گرم شوندهکاربردهای خود گرم شونده از این واقعیت استفاده می کنند که وقتی ولتاژی به ترمیستور اعمال می شود و جریان کافی از آن عبور می کند، دمای آن افزایش می یابد. با نزدیک شدن به دمای کوری، مقاومت به طور چشمگیری افزایش می یابد و جریان بسیار کمتری جریان می یابد. این رفتار را می توان از شکل سمت چپ مشاهده کرد. تغییر مقاومت در نزدیکی دمای کوری می تواند چندین مرتبه بزرگی در یک بازه دمایی تنها چند درجه باشد. اگر ولتاژ ثابت بماند، با رسیدن ترمیستور به تعادل حرارتی، جریان در مقدار معینی تثبیت می شود. دمای تعادل به ولتاژ اعمال شده و همچنین ضریب اتلاف حرارتی ترمیستور بستگی دارد. این حالت عملکرد اغلب هنگام طراحی مدارهای تاخیر زمانی وابسته به دما مورد استفاده قرار می گیرد.Sensing (zero-power) mode

در این حالت کارکرد، مصرف برق ترمیستور به قدری کم است که بر خلاف حالت خودگرمکن، تأثیر ناچیزی بر روی دمای ترمیستور و در نتیجه مقاومت دارد. حالت حسگر معمولاً هنگام اندازه گیری دما با استفاده از منحنی R-T به عنوان مرجع استفاده می شود.

نحوه ساخت قطعه

سیلیستورها بر خواص توده ای سیلیکون دوپ doped silicon شده تکیه می کنند و ویژگی های مقاومت-دمای نزدیک به خطی را نشان می دهند. آنها از ویفرهای سیلیکونی با کیفیت بالا و با اشکال مختلف تولید می شوند. منحنی مقاومت در برابر دما به میزان دوپینگ doping استفاده شده بستگی دارد.

ترمیستورهای PTC نوع سوئیچینگ از مواد پلی کریستالی ساخته شده اند. آنها اغلب با استفاده از مخلوط کربنات باریم، اکسید تیتانیوم و مواد افزودنی مانند تانتالیوم، سیلیس و منگنز ساخته می شوند. مواد آسیاب می شوند، مخلوط می شوند، به شکل دیسک یا مستطیل فشرده می شوند و زینتر Sintering می شوند. پس از آن، کنتاکت ها اضافه می شوند، و آنها روکش یا روکش می شوند. فرآیند تولید مستلزم کنترل بسیار دقیق مواد و ناخالصی ها است. آلودگی هایی در حدود چند قسمت در میلیون می توانند تغییرات عمده ای در خواص حرارتی و الکتریکی ایجاد کنند.

PTC های پلیمری از یک تکه پلاستیک ساخته شده اند که دانه های کربن در آن جاسازی شده است. هنگامی که دستگاه خنک است، دانه های کربن در تماس نزدیک با یکدیگر هستند و یک مسیر رسانا را از طریق دستگاه تشکیل می دهند. با گرم شدن دستگاه، پلاستیک منبسط می شود و دانه ها از هم دورتر می شوند و مقاومت کلی دستگاه را بالا می برند.

کاربردهای معمول برای ترمیستورهای PTC

self regulating PTC heaterPTC air heater

هدف اصلی: لوازم خانگی کوچک، صاف کننده مو، چوب مو، تخته سه لا، کفش های خشک، بخاری، رطوبت ساز. تفنگ چسب حرارتی .

بخاری های خود تنظیم

اگر جریانی از ترمیستور سوئیچینگ PTC عبور کند، در دمای معینی به طور خودکار تثبیت می شود. به این معنی که اگر دما کاهش یابد، مقاومت نیز کاهش می یابد و باعث می شود جریان بیشتری جریان یابد و در نتیجه دستگاه گرم شود. به طور مشابه، اگر دما افزایش یابد، مقاومت نیز افزایش می یابد و جریان عبوری از دستگاه را محدود می کند و در نتیجه آن را خنک می کند. سپس ترمیستور PTC به نقطه ای رسیده است که توان مصرفی عملاً مستقل از ولتاژ در یک محدوده ولتاژ نسبتاً گسترده است. این ترمیستورهای PTC اغلب از سرامیک در اشکال و اندازه‌های مختلف ساخته می‌شوند و به دلیل انعطاف‌پذیری طراحی، هیترهای سرامیکی PTC یک انتخاب عالی برای تامین گرمای الکتریکی کنترل‌شده هستند. برای افزایش انتقال حرارت، عناصر گرمایش سرامیکی را می توان بر روی سینک های حرارتی یا شبکه های آلومینیومی نصب کرد. همچنین جوهرهای گرمکن PTC چاپ شده ای وجود دارد که می توان آنها را روی بسترهای پلیمری چاپ کرد تا بخاری های PTC ایجاد شود.

Resettable fusePolymer PTC fuse

حفاظت بیش از حد جریان

ترمیستورهای PTC سوئیچ شده به عنوان محدود کننده جریان بیش از حد یا فیوزهای قابل تنظیم مجدد در مدارهای مختلف استفاده می شوند. در حالت جریان بیش از حد، دمای بدنه ترمیستور افزایش می یابد و به سرعت به دمای انتقال می رسد. این منجر به افزایش شدید مقاومت ترمیستور PTC می شود که جریان را در مدار محدود می کند. هنگامی که وضعیت بیش از حد جریان یا اتصال کوتاه حل شد و ترمیستور دوباره خنک شد، مدار دوباره به حالت عادی عمل می کند. به این ترتیب به عنوان یک فیوز تنظیم مجدد خودکار عمل می کند. معمولاً برای این کاربرد از ترمیستورهای PTC پلیمری استفاده می شود. آنها با نام های تجاری مختلفی مانند polyfuse، polyswitch و multifuse شناخته می شوند.

ایجاد تاخیر زمانی

تأخیر زمانی در مدار را می توان با استفاده از زمان مورد نیاز برای گرم شدن ترمیستور PTC به اندازه کافی برای تغییر از حالت مقاومت پایین به حالت مقاومت بالا و بالعکس فراهم کرد. تأخیر زمانی به اندازه، دمای محیط و ولتاژی که به آن متصل است و همچنین مداری که در آن استفاده می شود بستگی دارد. نمونه ای از استفاده از تأخیر زمانی برای ترمیستورهای PTC استفاده از آنها در لامپ های فلورسنت است. هنگامی که برق برای اولین بار اعمال می شود، ترمیستور در حالت سرد (دمای اتاق) است. ولتاژ لامپ کمتر از ولتاژ احتراق است و جریانی که از مدار می گذرد، همزمان الکترودها و PTC را گرم می کند. هنگامی که دمای کوری رسید، PTC تغییر می کند، ولتاژ در سراسر لامپ از ولتاژ احتراق بیشتر می شود و لامپ کار عادی خود را آغاز می کند. پیش گرم شدن الکترودها عمر لامپ را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد، به همین دلیل است که ترمیستورهای PTC در چنین مدارهایی استفاده می شوند.

استارت موتور

برخی از موتورهای الکتریکی دارای یک سیم پیچ راه اندازی جداگانه هستند که فقط در هنگام راه اندازی موتور نیاز به تغذیه دارد. در چنین مواردی می توان از اثر خودگرمایی یک ترمیستور PTC در یک اتصال سری با چنین سیم پیچی استفاده کرد. هنگامی که مدار روشن می شود، ترمیستور PTC مقاومت کمی دارد و اجازه می دهد جریان از سیم پیچ راه اندازی عبور کند. با روشن شدن موتور، ترمیستور PTC گرم می شود و در یک نقطه به حالت مقاومت بالا تغییر می کند. زمان لازم برای وقوع این امر بر اساس زمان لازم برای راه اندازی موتور محاسبه می شود. پس از گرم شدن، جریان عبوری از ترمیستور PTC ناچیز می شود و این جریان سیم پیچ راه اندازی را قطع می کند.

سنجش سطح مایعات

این کاربردها به تغییر در ثابت اتلاف زمانی که انتقال حرارت رسانش و همرفت افزایش می‌یابد متکی هستند. افزایش ثابت اتلاف، ناشی از تماس بین دستگاه و مایع یا افزایش جریان هوا بر روی دستگاه، دمای عملیاتی ترمیستور را کاهش می‌دهد و مقدار توان لازم برای حفظ دمای بدن معین را افزایش می‌دهد. افزایش توان را می توان اندازه گیری کرد و به سیستم نشان می دهد که ترمیستور به عنوان مثال در یک مایع غوطه ور است.

PTC Thermistor Symbol

نماد زیر برای ترمیستور ضریب دمایی مثبت طبق استاندارد IEC استفاده می شود.