Princip výdržného napětí a průrazu keramických PTC ohřívačů v automobilových klimatizacích

PTC je druh polovodičové termosenzitivní keramiky, zkráceně keramika s kladným teplotním koeficientem termosenzitivní keramiky, která patří k novému typu materiálu s extrémně širokým uplatněním. Použitím nelineární odporové teploty PTC keramiky ji lze vyvinout a použít v různých oblastech. Například používání keramických PTC vlnitých ohřívačů v klimatizacích se stále více rozšiřuje. Jednou z jeho hlavních vlastností je bezpečnost. Když dojde k poruše ventilátoru a přestane běžet, výkon ohřívače PTC automaticky prudce klesne z důvodu nedostatečného odvodu tepla. V této době je povrchová teplota ohřívače udržována na přibližně Curieově teplotě (obvykle kolem 250 stupňů), aby nedocházelo k jevu "zarudnutí" na povrchu elektrických topných trubicových ohřívačů.

2PTC efekt

Existují různé teoretické modely pro vysvětlení PTC efektu BaTiO3 polovodičové keramiky, mezi které patří model povrchové bariéry navržený Heywangem a model vakance barya navržený Danielsem et al. jsou vyspělejší a uznávané většinou výzkumníků.

Důvod PTC efektu lze přičíst přítomnosti potenciální bariérové ​​vrstvy způsobené stavem povrchu akceptoru na hranici zrn polykrystalických polovodičových materiálů BaTiO3. Rezistivita materiálu se skládá ze dvou částí: odolnosti těla zrna a bariéry stavu povrchu zrna. S rostoucí teplotou se odpor materiálu změní o několik řádů.

Keramické termistory PTC jsou vyráběny na bázi titaničitanu barnatého a dopovány dalšími polykrystalickými keramickými materiály s nižším odporem a polovodivými vlastnostmi. Účelným dopováním materiálu s vyšší chemickou mocností jako mřížkového prvku krystalu je část barnatých iontů nebo titaničitanových iontů v mřížce nahrazena vyššími valenčními ionty, což má za následek určitý počet volných elektronů, které generují vodivost. Důvodem PTC termistorového efektu, kterým je skokové zvýšení hodnoty odporu, je to, že struktura materiálu je složena z mnoha malých mikrokrystalů, které tvoří potenciální bariéry na hranici zrn (hranice zrn) a brání elektronům v překročení hranice a vstupu. sousední oblasti, což má za následek vysoký odpor. Tento efekt se ruší při nízkých teplotách: vysoká dielektrická konstanta a síla spontánní polarizace na hranicích zrn brání tvorbě potenciálních bariér a umožňují volný tok elektronů při nízkých teplotách. Při vysokých teplotách tento efekt výrazně snižuje dielektrickou konstantu a intenzitu polarizace, což vede k výraznému zvýšení potenciálních bariér a odporu, vykazujících silný PTC efekt.

Odporové teplotní charakteristiky (RT charakteristiky) keramického PTC

Teplotní odporová charakteristika, běžně označovaná jako odporová teplotní charakteristika, se týká vztahu mezi odporem nulového výkonu termistoru PTC a teplotou tělesa odporu při specifikovaném napětí. Kvůli rychlým a drastickým změnám povrchové teploty a hodnoty odporu termistorů PTC po zapnutí je obecně obtížné měřit charakteristiku teploty odporu v zapnutém stavu. Teplotní charakteristika odporu se obvykle získá umístěním keramických PTC čipů, které nejsou připojeny do pece, úpravou teploty pro stabilizaci a měřením odpovídající hodnoty odporu při různých teplotách a nakonec nakreslením charakteristiky teploty odporu.

Odpor spínače Rc

R p maximální pracovní odpor

R max maximální odpor

R mim minimální odpor

T c Curieova teplota

T p maximální provozní teplota

T max maximální teplota

T min minimální teplota

Důležitým parametrem charakterizujícím teplotní odporovou charakteristiku je teplotní koeficient, který odráží strmost teplotní odporové charakteristiky. Teplotní koeficient PTC termistoru je citlivější na změny teploty, to znamená, že čím výraznější je PTC efekt, tím lepší je výkon jeho odpovídajícího PTC termistoru a tím delší je jeho životnost. Teplotní koeficient termistorů PTC je definován jako relativní změna odporu způsobená změnami teploty. =(lgR2-lgR1)/(T2-T1), obecně platí, že T1 má pro výpočet stupeň Tc+15 a T2 bere stupeň Tc+25 teplotní koeficient.

Volt ampérové ​​charakteristiky (VI charakteristiky) keramického PTC

Napěťová proudová charakteristika, zkráceně voltampérová charakteristika, zobrazuje vzájemnou závislost mezi napětím a proudem v termistorech PTC, když jsou vystaveny elektrickému zatížení pro dosažení tepelné rovnováhy. Když je keramický PTC termistor zapnutý, proud rychle roste s rostoucím napětím. Když je dosaženo Curieovy teploty, proud dosáhne svého maxima a PTC termistor vstoupí do PTC oblasti. Voltampérové ​​charakteristiky termistoru PTC lze zhruba rozdělit do tří oblastí:

Oblast mezi 0-Vk se nazývá lineární oblast a vztah mezi napětím a proudem v této oblasti v zásadě odpovídá Ohmovu zákonu, bez významných nelineárních změn, také známý jako neakční oblast.

Oblast mezi Vk a Vmax se nazývá skoková zóna. V tomto okamžiku vlivem samozahřívání termistoru PTC hodnota odporu skokově přeskočí a proud klesá s rostoucím napětím. Proto je tato oblast také známá jako akční zóna. Zbytkový součin proudu a napětí v této oblasti zůstává konstantní a vykazuje konstantní výkonovou charakteristiku. Díky širokému rozsahu napětí v oblasti konstantní výkonové charakteristiky, i když se napětí mění, PTC termistor stále udržuje určitou teplotu.

Oblast nad VD se nazývá průrazná zóna. V tomto okamžiku se proud zvyšuje s nárůstem napětí a odpor PTC termistoru exponenciálně klesá. Proto čím vyšší je napětí a proud, tím vyšší je teplota termistoru PTC a tím nižší je odpor. To rychle vede k tepelnému průrazu PTC termistoru.

Mechanismus rozpadu PTC komponent

Rozpad keramických komponent PTC se dělí hlavně na rozpad na hranicích zrn a tepelný rozpad.

5.1 Porušení hranic zrn: Porušení způsobené nadměrným napětím aplikovaným na některé hranice zrn v důsledku abnormálního růstu nebo nerovnoměrného rozložení zrn se nazývá rozpad na hranicích zrn.

1963 G Goodman poukázal na to, že monokrystalické dopování BaTiO3 s jedním polovodičem nevykazuje PTC efekt, zatímco polykrystalické keramické dopování BaTiO3 vykazuje PTC efekt. Od té doby je PTC mezinárodně běžně klasifikován jako fenomén na hranici zrn. V komponentách PTC patří zrna k polovodičům a hranice zrn patří k izolační vrstvě, která je potenciální bariérou. Vnější elektrické pole se aplikuje hlavně na mezní vrstvu zrna. Čím menší je velikost zrna, tím více hranic zrn existuje na jednotku tloušťky a tím menší je efektivní napětí přidělené každé hranici zrna, což má za následek snížení piezorezistivního efektu a zvýšení napěťového odporu. Pokud je velikost zrna nerovnoměrná, je možné mít v keramice některá větší nebo abnormální zrna, která tvoří kanály s nižším měrným odporem a snižují napěťový odpor. Správné přidání určitých přísad a zlepšení podmínek ohřevu slinovacího procesu ve skutečné výrobě může účinně zabránit tvorbě abnormálních zrn. Ve skutečné výrobě mohou být PTC keramické desky s abnormálními zrny detekovány pomocí 600V mezipólového testu odolnosti proti napětí.

Tepelný průraz: Pracovní bod komponent PTC překračuje nejvyšší bod teplotních charakteristik odporu a vstupuje do stupně NTC, což způsobuje prudký nárůst teploty a vede k tepelnému průrazu. Faktory, které ovlivňují tepelný průraz, souvisejí především s napěťovým účinkem, pracovní teplotou, atmosférou prostředí a metodou zkoušení odolnosti proti mezipólovému napětí.

Teplotní charakteristika odporu PTC je znázorněna na křivce A na obrázku, která ukazuje, že s rostoucí teplotou se hodnota odporu postupně zvyšuje. PTC s Curieovým bodem 250 stupňů dosahuje své maximální hodnoty kolem 320 stupňů (známé jako teplota inflexního bodu), což je asi několik stovek kiloohmů nebo více. Pokud teplota po dosažení inflexního bodu opět stoupne, RT charakteristiky součástky vykazují NTC charakteristiky, to znamená, že s rostoucí teplotou odpor klesá.

Výše uvedená křivka byla naměřena PTC za podmínek nulového výkonu, to znamená, že zkušební proud je menší než 2 mA (tento proud nezpůsobí zahřívání PTC), což je statická charakteristika RT. Ve skutečnosti, když je PTC zatížen napětím, amplituda změny odporu s teplotou (poměr nárůstu k odporu) se výrazně sníží a charakteristická křivka teploty odporu bude mít tendenci být plochá, jak je znázorněno na křivce B na obrázku. To je takzvaný napěťový efekt. Čím vyšší napětí, tím výraznější je napěťový efekt PTC. Takže během procesu testování odolnosti proti napětí 500 V jsou keramické desky PTC se špatným výkonem náchylné k poruchám a čím vyšší je testovací napětí, tím větší je pravděpodobnost poruchy. Podle současných průmyslových standardů PTC se test odolnosti proti napětí pro obecné tovární kontroly provádí při napětí 500 V.

Po přivedení určitého napětí na PTC se samo generované teplo dostane do rovnovážného stavu s vnější výměnou tepla a teplota v tomto rovnovážném stavu se nazývá pracovní teplota. Faktory, které ovlivňují pracovní teplotu, souvisí s použitým napětím a podmínkami rozptylu tepla. Vezmeme-li keramický PTC s Curieovým bodem 250 stupňů jako příklad při testování za určitých podmínek ventilace, když je aplikováno napětí 220 V, pracovní teplota keramického PTC je 258 stupňů. S rostoucím napětím se zvyšuje i jeho pracovní teplota. Při přivedení napětí 500 V je pracovní teplota keramického PTC 281 stupňů, což je blízko bodu obratu 320 stupňů. Keramický PTC je náchylný k rozpadu. V podmínkách bez ventilace se podmínky rozptylu tepla keramického PTC ohřívače zhorší. V tomto okamžiku je pravděpodobnější, že se zkouška vyšším výdržným napětím přiblíží k bodu obratu, což způsobí zvýšení podílu poruchovosti při průrazu. Proto u keramických PTC ohřívačů se jmenovitým napětím 220 V a Curieovým bodem 250 stupňů je jmenovité napětí testováno pod 500 V výdržným napětím bez ventilace, takže jmenovité napětí je 500 V. Výběr keramických desek PTC s 220 V a Curieovým bodem 250 stupňů a typickým rozsahem výběru pro rezistory R25 při pokojové teplotě

Podmínky rozptylu tepla zahrnují faktory, jako je velikost hliníkových trubek a pásů, vzdálenost mezi vlnitými deskami, poloha instalace elektrického ohřívače PTC uvnitř klimatizace a zda je vzduchové potrubí přiměřené. Čím větší je rozměr hliníkové trubky a hliníkového pásku, tím lepší jsou podmínky pro odvod tepla. Vhodné zmenšení rozestupu mezi vlnitými deskami může zvětšit plochu vlnitých desek, což zlepšuje podmínky pro odvod tepla. Instalační úhel elektrického ohřívače PTC uvnitř klimatizačního zařízení je příznivější pro proudění vzduchu procházející vlnitými deskami, což zlepšuje podmínky pro odvod tepla. Čím příznivější je konstrukce vzduchového kanálu klimatizačního zařízení pro cirkulaci proudu vzduchu, tím lepší jsou podmínky pro odvod tepla PTC.

Kromě toho je výběr výkonu také klíčovým faktorem ovlivňujícím podmínky rozptylu tepla. Pro zlepšení topného výkonu ohřívače se používá zvýšení počtu PTC komponent, což má za následek, že každý komponent nemůže plně využít svůj topný výkon a zvýšení vnitřní pracovní teploty. Hlavním důvodem je to, že po určení velikosti konstrukce elektrického ohřívače PTC se určí i jeho plocha pro odvod tepla. S rostoucím počtem PTC komponent se průměrná plocha rozptylu tepla na jednotku PTC komponent zmenšuje, což vede ke zvýšení tepelné hustoty keramických desek PTC. Například elektrický ohřívač PTC o velikosti XX * 580 používá keramické desky 32 * 12 * 2,4 mm. Výkon 14 ploten může dosáhnout 900W, ale výkon 20 ploten může dosáhnout pouze 1000W. Z údajů vyplývá, že výkon 14 ploten je 64W, zatímco výkon 20 ploten je 50W. To znamená, že plocha rozptylu tepla jednotky se zmenšuje se zvětšováním keramických desek, což má za následek vysokou hustotu tepla a drsné pracovní prostředí, což může snadno zvýšit pravděpodobnost poruchy.

Vnitřní struktura PTC se skládá ze zrn a hranic zrn. Odolnost PTC je také složena z odporu zrna a hranice zrna. Odpor PTC při pokojové teplotě je určen zrny a odpor je velmi malý. Hranice zrn jsou vodivé. Když teplota překročí Curieho teplotu, odpor na hranicích zrn prudce vzroste a dosahuje až několika set kiloohmů nebo dokonce megaohmů. Je tomu tak proto, že během procesu slinování a chlazení PTC hranice zrn absorbují dostatečné množství atomů kyslíku v kyslíkové atmosféře, čímž se zvyšuje výška bariérové ​​vrstvy na hranicích zrn a výsledkem jsou vynikající charakteristiky PTC. Pokud je parciální tlak kyslíku v prostředí, kde se PTC nachází, během používání nízký, vysoká koncentrace atomů kyslíku na hranicích zrn postupně difunduje a přeteče na nízkou koncentraci ven, což způsobí snížení odporu na hranicích zrn PTC, poměr zdvihu k odporu se sníží a charakteristiky PTC se vážně zhorší, což nakonec povede ke špatnému napěťovému odporu a poruchám PTC.

Kvalita keramických desek PTC je klíčovým faktorem při určování napěťové odolnosti a průrazu. Měli by být vybráni spolehliví dodavatelé a měl by být proveden přísný vstupní screening keramických desek PTC, aby byly vybrány desky PTC s odolností proti vysokému napětí a vysokým teplotním koeficientem.

Pro snížení kontaktu mezi PTC ohřívači a redukčními atmosférami během procesu ohřevu existuje v průmyslu způsob, jak snížit difúzi atomů kyslíku a zlepšit pevnost v tlaku potažením okrajů keramických desek PTC lepidlem.

⑶ Navrhněte elektrický topný výkon PTC