Keramisko PTC sildītāju sprieguma izturības un sadalījuma princips automobiļu gaisa kondicionēšanā

PTC ir pusvadītāju termojutīgās keramikas veids, saīsināti kā pozitīvā temperatūras koeficienta termojutīgā keramika, kas pieder jaunam materiāla veidam ar ārkārtīgi plašu pielietojumu. Izmantojot PTC keramikas nelineāro pretestības temperatūru, to var izstrādāt un pielietot dažādās jomās. Piemēram, keramisko PTC gofrēto sildītāju izmantošana gaisa kondicionieros kļūst arvien izplatītāka. Viena no tās ievērojamākajām iezīmēm ir tā drošības veiktspēja. Kad ventilators nedarbojas pareizi un pārstāj darboties, PTC sildītāja jauda automātiski strauji samazināsies nepietiekamas siltuma izkliedes dēļ. Šajā laikā sildītāja virsmas temperatūra tiek uzturēta aptuveni Kirī temperatūrā (parasti ap 250 grādiem), lai neradītu "apsārtuma" parādību uz elektrisko apkures cauruļu sildītāju virsmas.

2PTC efekts

Ir dažādi teorētiski modeļi, lai izskaidrotu BaTiO3 pusvadītāja keramikas PTC efektu, tostarp Heywang piedāvātais virsmas barjeras modelis un Daniels et al piedāvātais bārija vakances modelis. ir nobriedušāki un vairums pētnieku atzinuši.

PTC efekta cēlonis var būt potenciāla barjeras slāņa klātbūtne, ko izraisa akceptora virsmas stāvoklis polikristālisko BaTiO3 pusvadītāju materiālu graudu robežās. Materiāla pretestība sastāv no divām daļām: graudu korpusa pretestības un graudu virsmas stāvokļa barjeras. Paaugstinoties temperatūrai, materiāla pretestība mainīsies par vairākām kārtām.

Keramikas PTC termistori tiek ražoti uz bārija titanāta bāzes un leģēti ar citiem polikristāliskiem keramikas materiāliem ar zemāku pretestību un pusvadītspējas īpašībām. Mērķtiecīgi leģējot materiālu ar augstāku ķīmisko valenci kā kristāla režģa elementu, daļa bārija jonu vai titanāta jonu režģī tiek aizstāti ar augstākas valences joniem, kā rezultātā rodas noteikts brīvo elektronu skaits, kas rada vadītspēju. PTC termistora efekta, kas ir pakāpenisks pretestības vērtības pieaugums, iemesls ir tas, ka materiāla struktūra sastāv no daudziem maziem mikrokristāliem, kas veido potenciālās barjeras pie graudu robežas (graudu robežas), neļaujot elektroniem šķērsot robežu un iekļūt tajā. blakus esošie reģioni, kā rezultātā rodas augsta pretestība. Šis efekts tiek atcelts zemās temperatūrās: augstā dielektriskā konstante un spontānā polarizācijas stiprums pie graudu robežām kavē potenciālo barjeru veidošanos un ļauj elektroniem brīvi plūst zemā temperatūrā. Augstās temperatūrās šis efekts ievērojami samazina dielektrisko konstanti un polarizācijas intensitāti, izraisot ievērojamu iespējamo barjeru un pretestības pieaugumu, parādot spēcīgu PTC efektu.

Keramikas PTC pretestības temperatūras raksturlielumi (RT raksturlielumi).

Pretestības temperatūras raksturlielums, ko parasti dēvē par pretestības temperatūras raksturlielumu, attiecas uz attiecību starp PTC termistora nulles jaudas pretestību un rezistora korpusa temperatūru pie noteikta sprieguma. Sakarā ar straujām un krasām PTC termistoru virsmas temperatūras un pretestības vērtības izmaiņām pēc strāvas ieslēgšanas, parasti ir grūti izmērīt pretestības temperatūras raksturlīkni darbināmā stāvoklī. Pretestības temperatūras raksturlīkni parasti iegūst, ievietojot keramikas PTC mikroshēmas, kas nav savienotas krāsnī, regulējot temperatūru, lai stabilizētu un izmērītu atbilstošo pretestības vērtību dažādās temperatūrās, un visbeidzot uzzīmējot pretestības temperatūras raksturlīkni.

R c slēdža pretestība

R p maksimālā darba pretestība

R max maksimālā pretestība

R mim minimālā pretestība

T c Kirī temperatūra

T p maksimālā darba temperatūra

T max maksimālā temperatūra

T min minimālā temperatūra

Svarīgs parametrs, kas raksturo pretestības temperatūras raksturlielumus, ir temperatūras koeficients, kas atspoguļo pretestības temperatūras raksturlīknes stāvumu. Temperatūras koeficienta PTC termistors ir jutīgāks pret temperatūras izmaiņām, tas ir, jo nozīmīgāks ir PTC efekts, jo labāka ir tā atbilstošā PTC termistora veiktspēja un ilgāks tā kalpošanas laiks. PTC termistoru temperatūras koeficients ir definēts kā relatīvās pretestības izmaiņas, ko izraisa temperatūras izmaiņas. =(lgR2-lgR1)/(T2-T1), parasti T1 ņem Tc+15 grādu, bet T2 izmanto Tc+25 grādu, lai aprēķinātu temperatūras koeficients.

Keramikas PTC voltu ampēru raksturlielumi (VI raksturlielumi).

Sprieguma strāvas raksturlielums, saīsināts kā voltu ampēru raksturlielums, parāda savstarpējo atkarību starp spriegumu un strāvu PTC termistoros, kad tie tiek pakļauti elektriskām slodzēm, lai panāktu termisko līdzsvaru. Kad tiek ieslēgts keramikas PTC termistors, strāva strauji palielinās, palielinoties spriegumam. Kad tiek sasniegta Kirī temperatūra, strāva sasniedz maksimumu, un PTC termistors nonāk PTC reģionā. PTC termistora voltu ampēru raksturlielumus var aptuveni iedalīt trīs reģionos:

Reģionu starp 0-Vk sauc par lineāro apgabalu, un attiecība starp spriegumu un strāvu šajā reģionā būtībā atbilst Oma likumam, bez būtiskām nelineārām izmaiņām, ko sauc arī par bezdarbības reģionu.

Apgabalu starp Vk un Vmax sauc par lēciena zonu. Šajā laikā PTC termistora pašsildīšanas dēļ pretestības vērtība lec, un strāva samazinās, palielinoties spriegumam. Tāpēc šī teritorija ir pazīstama arī kā darbības zona. Strāvas un sprieguma atlikušais produkts šajā zonā paliek nemainīgs, uzrādot nemainīgu jaudas raksturlielumu. Sakarā ar plašo sprieguma diapazonu pastāvīgās jaudas raksturlieluma zonā, pat ja spriegums mainās, PTC termistors joprojām uztur noteiktu temperatūru.

Reģionu virs VD sauc par sadalījuma zonu. Šajā laikā strāva palielinās, palielinoties spriegumam, un PTC termistora pretestība samazinās eksponenciāli. Tāpēc, jo augstāks ir spriegums un strāva, jo augstāka ir PTC termistora temperatūra un mazāka pretestība. Tas ātri noved pie PTC termistora termiskā sadalījuma.

PTC komponentu sadalīšanās mehānisms

Keramikas PTC komponentu sadalījums galvenokārt tiek sadalīts graudu robežu sadalījumā un termiskā sadalījumā.

5.1. Graudu robežu sadalījums: Sadalījumu, ko izraisa pārmērīgs spriegums, kas pielikts dažām graudu robežām neparastas augšanas vai nevienmērīga graudu sadalījuma dēļ, sauc par graudu robežu sadalījumu.

1963 G Goodman norādīja, ka viena kristāla BaTiO3 viena pusvadītāja dopings neuzrāda PTC efektu, savukārt polikristāliskā BaTiO3 keramikas dopings uzrāda PTC efektu. Kopš tā laika PTC starptautiski ir klasificēts kā graudu robežas parādība. PTC komponentos graudi pieder pie pusvadītājiem, un graudu robežas pieder izolācijas slānim, kas ir potenciālā barjera. Ārējais elektriskais lauks galvenokārt tiek pielietots graudu robežslānim. Jo mazāks ir graudu izmērs, jo vairāk graudu robežu ir uz vienu biezuma vienību, un jo mazāks ir katrai graudu robežai piešķirtais efektīvais spriegums, kā rezultātā samazinās pjezorezistīvā iedarbība un palielinās sprieguma pretestība. Ja graudu izmērs ir nevienmērīgāks, keramikā var būt kādi lielāki vai neparasti graudi, kas veido kanālus ar mazāku pretestību un samazina sprieguma pretestību. Pareizi pievienojot noteiktas piedevas un uzlabojot saķepināšanas procesa karsēšanas apstākļus faktiskajā ražošanā, var efektīvi novērst neparastu graudu veidošanos. Faktiskajā ražošanā PTC keramikas loksnes ar neparastiem graudiem var noteikt, izmantojot 600 V starppolu izturības sprieguma testu.

Termiskais sadalījums: PTC komponentu darba punkts šķērso augstāko pretestības temperatūras raksturlielumu punktu un nonāk NTC stadijā, izraisot strauju temperatūras paaugstināšanos un izraisot termisku sabrukumu. Faktori, kas ietekmē termisko sadalījumu, galvenokārt ir saistīti ar sprieguma efektu, darba temperatūru, vides atmosfēru un starppolu izturības sprieguma pārbaudes metodi.

PTC pretestības temperatūras raksturlīkne ir parādīta attēlā A līknē, kas parāda, ka, temperatūrai paaugstinoties, pretestības vērtība soli pa solim palielinās. PTC ar Kirī punktu 250 grādi sasniedz maksimālo vērtību aptuveni 320 grādos (pazīstama kā lēciena punkta temperatūra), kas ir aptuveni vairāki simti kiloomu vai vairāk. Ja temperatūra atkal paaugstinās pēc lēciena punkta sasniegšanas, komponenta RT raksturlielumi uzrāda NTC raksturlielumus, tas ir, temperatūrai paaugstinoties, pretestība samazinās.

Iepriekš minētā līkne tika mērīta ar PTC nulles jaudas apstākļos, tas ir, testa strāva ir mazāka par 2mA (šī strāva neizraisīs PTC uzsilšanu), kas ir statisks RT raksturlielums. Faktiski, kad PTC ir noslogots ar spriegumu, pretestības izmaiņu amplitūda ar temperatūru (paaugstināšanās un pretestības attiecība) ievērojami samazināsies, un pretestības temperatūras raksturlīknei būs tendence būt plakanai, kā parādīts attēlā B līknē. Tas ir tā sauktais sprieguma efekts. Jo augstāks spriegums, jo izteiktāks ir PTC sprieguma efekts. Tātad 500 V izturības sprieguma pārbaudes procesā PTC keramikas loksnes ar sliktu veiktspēju ir pakļautas bojājumiem, un, jo augstāks testa spriegums, jo lielāka ir bojājumu iespējamība. Saskaņā ar pašreizējiem PTC nozares standartiem sprieguma izturības pārbaude vispārējām rūpnīcas pārbaudēm tiek veikta pie 500 V sprieguma.

Pēc noteikta sprieguma pieslēgšanas PTC paša radītais siltums ar ārējo siltuma apmaiņu sasniedz līdzsvara stāvokli, un temperatūru šajā līdzsvara stāvoklī sauc par darba temperatūru. Faktori, kas ietekmē darba temperatūru, ir saistīti ar pielietoto spriegumu un siltuma izkliedes apstākļiem. Ņemot par piemēru keramikas PTC ar Kirī punktu 250 grādiem, testējot noteiktos ventilācijas apstākļos, kad tiek pielietots 220 V spriegums, keramikas PTC darba temperatūra ir 258 grādi. Palielinoties spriegumam, palielinās arī tā darba temperatūra. Kad tiek pielikts 500 V spriegums, keramikas PTC darba temperatūra ir 281 grāds, kas ir tuvu pagrieziena punkta temperatūrai 320 grādi. Keramikas PTC ir pakļauts bojājumiem. Nevēdināšanas apstākļos keramikas PTC sildītāja siltuma izkliedes apstākļi pasliktinās. Šajā laikā lielāka noturības sprieguma pārbaude, visticamāk, tuvosies pagrieziena punktam, izraisot sadalījuma atteices īpatsvara palielināšanos. Tāpēc keramikas PTC sildītājiem ar nominālo spriegumu 220 V un Curie punktu 250 grādi, nominālais spriegums tiek pārbaudīts zem 500 V iztur sprieguma bez ventilācijas, tāpēc nominālais spriegums ir 500 V. PTC keramikas lokšņu izvēle ar 220 V un Kirī punktu 250 grādi un tipiskais izvēles diapazons istabas temperatūras R25 rezistoriem

Siltuma izkliedes nosacījumi ietver tādus faktorus kā alumīnija cauruļu un sloksņu izmērs, atstatums starp gofrētajām plāksnēm, PTC elektriskā sildītāja uzstādīšanas pozīcija gaisa kondicionētāja iekšpusē un gaisa vads ir saprātīgs. Jo lielāks ir alumīnija caurules un alumīnija sloksnes izmērs, jo labāki siltuma izkliedes apstākļi. Atbilstoši samazinot attālumu starp gofrētajām plāksnēm, var palielināt gofrēto plākšņu laukumu, kas uzlabo siltuma izkliedes apstākļus. PTC elektriskā sildītāja uzstādīšanas leņķis gaisa kondicionētāja iekšpusē ir labvēlīgāks gaisa plūsmai, kas iet caur gofrētajām plāksnēm, kas uzlabo siltuma izkliedes apstākļus. Jo labvēlīgāks gaisa kondicionētāja gaisa vadu dizains ir gaisa plūsmas cirkulācijai, jo labāki ir PTC siltuma izkliedes apstākļi.

Turklāt jaudas izvēle ir arī galvenais faktors, kas ietekmē siltuma izkliedes apstākļus. Lai uzlabotu sildītāja sildīšanas jaudu, tiek izmantots PTC komponentu skaita palielinājums, kā rezultātā katra sastāvdaļa nevar pilnībā izmantot savu sildīšanas jaudu un palielinās iekšējā darba temperatūra. Galvenais iemesls ir tas, ka pēc PTC elektriskā sildītāja konstrukcijas izmēra noteikšanas tiek noteikts arī tā siltuma izkliedes laukums. Palielinoties PTC komponentu skaitam, samazinās vidējais siltuma izkliedes laukums uz PTC komponentu vienību, kā rezultātā palielinās PTC keramikas lokšņu termiskais blīvums. Piemēram, PTC elektriskais sildītājs ar izmēru XX * 580 izmanto 32 * 12 * 2,4 mm keramikas plāksnes. 14 plākšņu jauda var sasniegt 900W, bet 20 plākšņu jauda var sasniegt tikai 1000W. Dati liecina, ka 14 plākšņu jauda ir 64W, savukārt 20 plākšņu jauda ir 50W. Tas norāda, ka vienības siltuma izkliedes laukums samazinās, palielinoties keramikas plāksnēm, kā rezultātā rodas augsts siltuma blīvums un skarba darba vide, kas var viegli palielināt bojājumu iespējamību.

PTC iekšējo struktūru veido graudi un graudu robežas. PTC pretestību veido arī graudu un graudu robežas pretestība. PTC pretestību istabas temperatūrā nosaka graudi, un pretestība ir ļoti maza. Graudu robežas ir vadošas. Temperatūrai pārsniedzot Kirī temperatūru, graudu robežpretestība strauji palielinās, sasniedzot pat vairākus simtus kiloomu vai pat megaomu. Tas ir tāpēc, ka PTC saķepināšanas un dzesēšanas procesā graudu robežas absorbē pietiekami daudz skābekļa atomu skābekļa atmosfērā, palielinot barjeras slāņa augstumu graudu robežās un radot izcilas PTC īpašības. Lietošanas laikā, ja skābekļa parciālais spiediens vidē, kurā atrodas PTC, ir zems, augstā skābekļa atomu koncentrācija uz graudu robežām pakāpeniski izkliedēsies un pārplūdīs uz zemo koncentrāciju ārpusē, izraisot PTC graudu robežas pretestības samazināšanos, pacelšanas un pretestības attiecība samazināsies, un PTC raksturlielumi nopietni pasliktināsies, galu galā novedot pie sliktas sprieguma pretestības un PTC sadalījuma.

Keramikas PTC lokšņu kvalitāte ir galvenais faktors, kas nosaka sprieguma pretestību un bojājumus. Jāizvēlas uzticami piegādātāji un jāveic stingra keramikas PTC lokšņu ienākošā pārbaude, lai izvēlētos PTC loksnes ar augstu sprieguma pretestību un augstu temperatūras koeficientu.

Lai samazinātu kontaktu starp PTC sildītājiem un reducējošām atmosfērām sildīšanas procesā, nozarē pastāv metode, kā samazināt skābekļa atomu difūziju un uzlabot spiedes stiprību, pārklājot PTC keramikas loksnes malas ar līmi.

⑶ Projektējiet PTC elektriskās sildīšanas jaudu