Princíp výdržného napätia a rozpadu keramických PTC ohrievačov v automobilovej klimatizácii

PTC je typ polovodičovej termosenzitívnej keramiky, skrátene keramika s pozitívnym teplotným koeficientom, ktorá patrí k novému typu materiálu s mimoriadne širokým využitím. Použitím teploty nelineárneho odporu PTC keramiky je možné ju vyvinúť a použiť v rôznych oblastiach. Napríklad používanie keramických PTC vlnitých ohrievačov v klimatizáciách je čoraz rozšírenejšie. Jednou z jeho významných vlastností je bezpečnosť. Keď dôjde k poruche ventilátora a prestane bežať, výkon ohrievača PTC automaticky prudko klesne v dôsledku nedostatočného odvodu tepla. V tomto čase je povrchová teplota ohrievača udržiavaná na približne Curieovej teplote (zvyčajne okolo 250 stupňov), aby nedochádzalo k javu "začervenania" na povrchu elektrických vykurovacích rúrok.

2PTC efekt

Existujú rôzne teoretické modely na vysvetlenie PTC efektu polovodičovej keramiky BaTiO3, medzi ktoré patrí model povrchovej bariéry navrhnutý Heywangom a model voľného miesta bária navrhnutý Danielsom et al. sú zrelšie a uznávané väčšinou výskumníkov.

Príčinu PTC efektu možno pripísať prítomnosti potenciálnej bariérovej vrstvy spôsobenej stavom povrchu akceptora na hranici zŕn polykryštalických polovodičových materiálov BaTiO3. Odolnosť materiálu sa skladá z dvoch častí: odolnosti tela zrna a bariéry stavu povrchu zrna. So zvyšujúcou sa teplotou sa odpor materiálu zmení o niekoľko rádov.

Keramické PTC termistory sú vyrábané na báze titaničitanu bárnatého a dopované inými polykryštalickými keramickými materiálmi, s nižším odporom a polovodivými vlastnosťami. Účelným dopovaním materiálu s vyššou chemickou valenciou ako mriežkového prvku kryštálu je časť iónov bária alebo titaničitanových iónov v mriežke nahradená iónmi vyššej valencie, čo vedie k určitému počtu voľných elektrónov, ktoré vytvárajú vodivosť. Dôvodom PTC termistorového efektu, ktorým je skokové zvýšenie hodnoty odporu, je to, že štruktúra materiálu je zložená z mnohých malých mikrokryštálov, ktoré tvoria potenciálne bariéry na hranici zŕn (hranica zŕn), bránia elektrónom prechádzať cez hranicu a vstúpiť priľahlé oblasti, čo vedie k vysokej odolnosti. Tento efekt sa ruší pri nízkych teplotách: vysoká dielektrická konštanta a sila spontánnej polarizácie na hraniciach zŕn bránia tvorbe potenciálnych bariér a umožňujú voľný tok elektrónov pri nízkych teplotách. Pri vysokých teplotách tento efekt výrazne znižuje dielektrickú konštantu a intenzitu polarizácie, čo vedie k výraznému zvýšeniu potenciálnych bariér a odporu, čo vykazuje silný PTC efekt.

Odporová teplotná charakteristika (RT charakteristika) keramického PTC

Teplotná charakteristika odporu, bežne označovaná ako charakteristika teploty odporu, sa týka vzťahu medzi odporom nulového výkonu termistora PTC a teplotou telesa odporu pri špecifikovanom napätí. Kvôli rýchlym a drastickým zmenám povrchovej teploty a hodnoty odporu termistorov PTC po zapnutí je vo všeobecnosti ťažké zmerať charakteristiku teploty odporu v zapnutom stave. Teplotná charakteristika odporu sa zvyčajne získa umiestnením keramických PTC čipov, ktoré nie sú zapojené do pece, úpravou teploty na stabilizáciu a meraním zodpovedajúcej hodnoty odporu pri rôznych teplotách a nakoniec nakreslením charakteristiky teploty odporu.

Odpor spínača Rc

R p maximálny pracovný odpor

R max maximálny odpor

R mim minimálny odpor

T c Curieho teplota

T p maximálna prevádzková teplota

Maximálna teplota T max

T min minimálna teplota

Dôležitým parametrom, ktorý charakterizuje teplotnú charakteristiku odporu, je teplotný koeficient, ktorý odráža strmosť teplotnej charakteristiky odporu. Teplotný koeficient PTC termistora je citlivejší na zmeny teploty, to znamená, že čím výraznejší je PTC efekt, tým lepší je výkon jeho zodpovedajúceho PTC termistora a tým dlhšia je jeho životnosť. Teplotný koeficient PTC termistorov je definovaný ako relatívna zmena odporu spôsobená zmenami teploty. =(lgR2-lgR1)/(T2-T1), vo všeobecnosti platí, že T1 má na výpočet stupeň Tc+15 a T2 má stupeň Tc+25 teplotný koeficient.

Volt-ampérová charakteristika (VI charakteristika) keramického PTC

Napäťová prúdová charakteristika, skrátene voltampérová charakteristika, zobrazuje vzájomnú závislosť medzi napätím a prúdom v PTC termistoroch, keď sú vystavené elektrickému zaťaženiu na dosiahnutie tepelnej rovnováhy. Keď je keramický PTC termistor zapnutý, prúd rýchlo rastie so zvyšujúcim sa napätím. Keď sa dosiahne Curieova teplota, prúd dosiahne maximum a PTC termistor vstúpi do PTC oblasti. Voltampérové ​​charakteristiky termistora PTC možno zhruba rozdeliť do troch oblastí:

Oblasť medzi 0-Vk sa nazýva lineárna oblasť a vzťah medzi napätím a prúdom v tejto oblasti v zásade zodpovedá Ohmovmu zákonu, bez významných nelineárnych zmien, známy aj ako neakčná oblasť.

Oblasť medzi Vk a Vmax sa nazýva skoková zóna. V tomto čase, v dôsledku samozahrievania PTC termistora, hodnota odporu prechádza skokom a prúd klesá so zvyšujúcim sa napätím. Preto je táto oblasť známa aj ako akčná zóna. Zvyškový súčin prúdu a napätia v tejto oblasti zostáva konštantný a vykazuje konštantnú výkonovú charakteristiku. Vďaka širokému rozsahu napätia v oblasti konštantnej výkonovej charakteristiky, aj keď sa napätie mení, PTC termistor stále udržuje určitú teplotu.

Oblasť nad VD sa nazýva zlomová zóna. V tomto čase sa prúd zvyšuje so zvyšujúcim sa napätím a odpor PTC termistora exponenciálne klesá. Preto čím vyššie je napätie a prúd, tým vyššia je teplota termistora PTC a tým nižší je odpor. To rýchlo vedie k tepelnému rozpadu PTC termistora.

Mechanizmus rozpadu PTC komponentov

Rozklad keramických komponentov PTC sa delí hlavne na rozklad na hranici zŕn a tepelný rozklad.

5.1 Porušenie hraníc zŕn: Porušenie spôsobené nadmerným napätím aplikovaným na niektoré hranice zŕn v dôsledku abnormálneho rastu alebo nerovnomerného rozloženia zŕn sa nazýva rozpad na hranici zŕn.

1963 G Goodman poukázal na to, že monokryštálová dopingová látka BaTiO3 s jedným polovodičom nevykazuje PTC efekt, zatiaľ čo polykryštalická keramická dopingová látka BaTiO3 vykazuje PTC efekt. Odvtedy je PTC medzinárodne bežne klasifikovaný ako jav na hranici zŕn. V komponentoch PTC patria zrná k polovodičom a hranice zŕn patria k izolačnej vrstve, ktorá je potenciálnou bariérou. Vonkajšie elektrické pole sa aplikuje hlavne na hraničnú vrstvu zŕn. Čím menšia je veľkosť zrna, tým viac hraníc zŕn existuje na jednotku hrúbky a tým menšie je efektívne napätie pridelené každej hranici zŕn, čo vedie k zníženiu piezorezistívneho efektu a zvýšeniu napäťového odporu. Ak je veľkosť zŕn nerovnomernejšia, je možné, že v keramike budú nejaké väčšie alebo abnormálne zrná, ktoré tvoria kanály s nižším odporom a znižujú napäťový odpor. Správne pridanie určitých prísad a zlepšenie podmienok ohrevu procesu spekania v skutočnej výrobe môže účinne zabrániť tvorbe abnormálnych zŕn. V skutočnej výrobe môžu byť PTC keramické dosky s abnormálnymi zrnami detekované pomocou 600V medzipólového testu odolnosti voči napätiu.

Tepelný rozpad: Pracovný bod komponentov PTC prekračuje najvyšší bod odporových teplotných charakteristík a vstupuje do štádia NTC, čo spôsobuje prudký nárast teploty a vedie k tepelnému rozpadu. Faktory, ktoré ovplyvňujú tepelný prieraz, súvisia najmä s účinkom napätia, pracovnou teplotou, atmosférou prostredia a metódou testovania medzipólového napätia.

Charakteristická krivka teploty odporu PTC je znázornená na krivke A na obrázku, ktorá ukazuje, že pri zvyšovaní teploty sa hodnota odporu postupne zvyšuje. PTC s Curieovým bodom 250 stupňov dosahuje svoju maximálnu hodnotu okolo 320 stupňov (známa ako teplota inflexného bodu), čo je asi niekoľko stoviek kiloohmov alebo viac. Ak teplota po dosiahnutí inflexného bodu opäť stúpne, RT charakteristika súčiastky vykazuje NTC charakteristiky, to znamená, že pri zvyšovaní teploty sa odpor znižuje.

Vyššie uvedená krivka bola nameraná PTC za podmienok nulového výkonu, to znamená, že testovací prúd je menší ako 2 mA (tento prúd nespôsobí zahrievanie PTC), čo je statická charakteristika RT. V skutočnosti, keď je PTC zaťažený napätím, amplitúda zmeny odporu s teplotou (pomer nárastu k odporu) sa výrazne zníži a charakteristická krivka teploty odporu bude mať tendenciu byť plochá, ako je znázornené na krivke B na obrázku. Ide o takzvaný napäťový efekt. Čím vyššie je napätie, tým výraznejší je napäťový efekt PTC. Takže počas procesu testovania odolnosti voči napätiu 500 V sú keramické dosky PTC so slabým výkonom náchylné na poruchu a čím vyššie je testovacie napätie, tým väčšia je pravdepodobnosť poruchy. Podľa súčasných priemyselných noriem PTC sa test odolnosti proti napätiu pre všeobecné kontroly v továrni vykonáva pri napätí 500 V.

Po privedení určitého napätia na PTC sa samo generované teplo dostane do rovnovážneho stavu s vonkajšou výmenou tepla a teplota v tomto rovnovážnom stave sa nazýva pracovná teplota. Faktory, ktoré ovplyvňujú pracovnú teplotu, súvisia s aplikovaným napätím a podmienkami rozptylu tepla. Ak vezmeme keramický PTC s bodom Curie 250 stupňov ako príklad pri testovaní za určitých podmienok ventilácie, keď je aplikované napätie 220 V, pracovná teplota keramického PTC je 258 stupňov. So zvyšovaním napätia sa zvyšuje aj jeho pracovná teplota. Keď je aplikované napätie 500 V, pracovná teplota keramického PTC je 281 stupňov, čo je blízko k bodu obratu 320 stupňov. Keramický PTC je náchylný na rozpad. V podmienkach bez ventilácie sa podmienky rozptylu tepla keramického ohrievača PTC zhoršia. V tomto čase je pravdepodobnejšie, že skúška s vyšším výdržným napätím sa priblíži k bodu obratu, čo spôsobí zvýšenie podielu poruchovosti pri poruche. Preto pre keramické PTC ohrievače s menovitým napätím 220 V a Curieovým bodom 250 stupňov sa menovité napätie testuje pri 500 V výdržnom napätí bez ventilácie, takže menovité napätie je 500 V. Výber keramických dosiek PTC s napätím 220 V a Curieovým bodom 250 stupňov a typickým rozsahom výberu pre rezistory R25 pri izbovej teplote

Podmienky rozptylu tepla zahŕňajú faktory, ako je veľkosť hliníkových rúr a pásov, vzdialenosť medzi vlnitými doskami, poloha inštalácie elektrického ohrievača PTC vo vnútri klimatizácie a či je vzduchové potrubie primerané. Čím väčšia je veľkosť hliníkovej rúrky a hliníkového pásu, tým lepšie sú podmienky pre odvod tepla. Vhodné zmenšenie vzdialenosti medzi vlnitými doskami môže zväčšiť plochu vlnitých dosiek, čo zlepšuje podmienky pre odvod tepla. Uhol inštalácie elektrického ohrievača PTC vo vnútri klimatizácie je vhodnejší pre prúdenie vzduchu prechádzajúceho cez vlnité dosky, čo zlepšuje podmienky rozptylu tepla. Čím je konštrukcia vzduchového kanála klimatizácie priaznivejšia pre cirkuláciu prúdu vzduchu, tým lepšie sú podmienky odvádzania tepla PTC.

Okrem toho je kľúčovým faktorom ovplyvňujúcim podmienky rozptylu tepla aj výber výkonu. Na zlepšenie vykurovacieho výkonu ohrievača sa používa zvýšenie počtu PTC komponentov, čo má za následok, že každý komponent nedokáže plne využiť svoj vykurovací výkon a zvýši sa vnútorná pracovná teplota. Hlavným dôvodom je, že po určení veľkosti konštrukcie elektrického ohrievača PTC sa určí aj jeho plocha rozptylu tepla. So zvyšujúcim sa počtom PTC komponentov sa priemerná plocha rozptylu tepla na jednotku PTC komponentov znižuje, čo vedie k zvýšeniu tepelnej hustoty keramických dosiek PTC. Napríklad elektrický ohrievač PTC s veľkosťou XX * 580 používa keramické dosky 32 * 12 * 2,4 mm. Výkon 14 platní môže dosiahnuť 900W, ale výkon 20 platní len 1000W. Z údajov vyplýva, že výkon 14 platní je 64W, zatiaľ čo výkon 20 platní je 50W. To naznačuje, že plocha rozptylu tepla jednotky sa zmenšuje so zväčšovaním keramických dosiek, čo vedie k vysokej hustote tepla a drsnému pracovnému prostrediu, čo môže ľahko zvýšiť pravdepodobnosť poruchy.

Vnútorná štruktúra PTC sa skladá zo zŕn a hraníc zŕn. Odolnosť PTC sa skladá aj z odolnosti zŕn a hraníc zŕn. Odolnosť PTC pri izbovej teplote je určená zrnami a odpor je veľmi malý. Hranice zŕn sú vodivé. Keď teplota prekročí Curieho teplotu, odpor na hranici zŕn prudko vzrastie a dosahuje až niekoľko stoviek kiloohmov alebo dokonca megaohmov. Je to preto, že počas procesu spekania a chladenia PTC hranice zŕn absorbujú dostatočné množstvo atómov kyslíka v kyslíkovej atmosfére, čím sa zvyšuje výška bariérovej vrstvy na hraniciach zŕn a výsledkom sú vynikajúce charakteristiky PTC. Počas používania, ak je parciálny tlak kyslíka v prostredí, kde sa PTC nachádza, nízky, vysoká koncentrácia atómov kyslíka na hraniciach zŕn sa postupne rozptýli a pretečie na nízku koncentráciu von, čo spôsobí, že odpor na hranici zŕn PTC klesne, pomer zdvihu k odporu sa zníži a charakteristiky PTC sa vážne zhoršia, čo v konečnom dôsledku povedie k slabému napäťovému odporu a poruche PTC.

Kvalita keramických PTC dosiek je kľúčovým faktorom pri určovaní napäťovej odolnosti a prierazu. Mali by sa vybrať spoľahliví dodávatelia a malo by sa vykonať prísne prichádzajúce skríningy keramických dosiek PTC, aby sa vybrali dosky PTC s vysokou odolnosťou voči napätiu a vysokým teplotným koeficientom.

Na zníženie kontaktu medzi ohrievačmi PTC a redukčnými atmosférami počas procesu ohrevu existuje v priemysle metóda na zníženie difúzie atómov kyslíka a zlepšenie pevnosti v tlaku potiahnutím okrajov keramických dosiek PTC lepidlom.

⑶ Navrhnite elektrický vykurovací výkon PTC