El principi de tensió de resistència i ruptura dels escalfadors de ceràmica PTC en l'aire condicionat d'automòbils

PTC és un tipus de ceràmica termosensible semiconductora, abreujada com a ceràmica termosensible de coeficient de temperatura positiu, que pertany a un nou tipus de material amb aplicacions extremadament àmplies. Aplicant la temperatura de resistència no lineal de la ceràmica PTC, es pot desenvolupar i aplicar en diversos camps. Per exemple, l'ús d'escalfadors ondulats de ceràmica PTC als aparells d'aire condicionat s'està generalitzant cada cop més. Una de les seves característiques destacades és el seu rendiment de seguretat. Quan un ventilador funciona malament i deixa de funcionar, la potència de l'escalfador PTC caurà automàticament bruscament a causa d'una dissipació insuficient de la calor. En aquest moment, la temperatura de la superfície de l'escalfador es manté al voltant de la temperatura de Curie (generalment al voltant dels 250 graus), per no produir el fenomen de "envermelliment" a la superfície dels escalfadors de tubs de calefacció elèctrics.

2 efecte PTC

Hi ha diversos models teòrics per explicar l'efecte PTC de la ceràmica semiconductora BaTiO3, entre els quals el model de barrera superficial proposat per Heywang i el model de vacant de bari proposat per Daniels et al. són més madurs i reconeguts per la majoria dels investigadors.

El motiu de l'efecte PTC es pot atribuir a la presència d'una capa de barrera potencial causada per l'estat de la superfície acceptor al límit del gra dels materials semiconductors BaTiO3 policristalins. La resistivitat del material es compon de dues parts: la resistència del cos del gra i la barrera de l'estat de la superfície del gra. A mesura que augmenta la temperatura, la resistivitat del material canviarà en diversos ordres de magnitud.

Els termistors de ceràmica PTC es fabriquen a base de titanat de bari i dopats amb altres materials ceràmics policristalins, amb menor resistència i propietats semiconductores. En dopar intencionadament un material amb una valència química més alta com a element de gelosia del cristall, una part dels ions de bari o ions de titanat de la xarxa es substitueixen per ions de valència més alta, donant lloc a un cert nombre d'electrons lliures que generen conductivitat. La raó de l'efecte del termistor PTC, que és l'augment gradual del valor de la resistència, és que l'estructura del material es compon de molts microcristalls petits, que formen barreres potencials al límit del gra (límit del gra), impedint que els electrons travessin el límit i entrin. regions adjacents, donant lloc a una gran resistència. Aquest efecte s'anul·la a baixes temperatures: l'alta constant dielèctrica i la força de polarització espontània als límits del gra dificulten la formació de barreres de potencial i permeten que els electrons flueixin lliurement a baixes temperatures. A altes temperatures, aquest efecte redueix significativament la constant dielèctrica i la intensitat de polarització, donant lloc a un augment significatiu de les barreres potencials i de la resistència, mostrant un fort efecte PTC.

Característiques de la temperatura de resistència (característiques RT) de la ceràmica PTC

La característica de temperatura de resistència, comunament anomenada característica de temperatura de resistència, es refereix a la relació entre la resistència de potència zero d'un termistor PTC i la temperatura del cos de la resistència a una tensió especificada. A causa dels canvis ràpids i dràstics en la temperatura de la superfície i el valor de resistència dels termistors PTC després de l'encesa, generalment és difícil mesurar la corba característica de la temperatura de resistència en estat d'alimentació. La corba característica de la temperatura de resistència s'obté normalment col·locant xips PTC ceràmics que no estan connectats en un forn, ajustant la temperatura per estabilitzar i mesurar el valor de resistència corresponent a diverses temperatures i, finalment, dibuixar la corba característica de la temperatura de la resistència.

Resistència del commutador R c

R p màxima resistència de treball

R màxima resistència

R mim resistència mínima

T c temperatura de Curie

T p temperatura màxima de funcionament

T max temperatura màxima

T min temperatura mínima

El paràmetre important que caracteritza les característiques de la temperatura de resistència és el coeficient de temperatura, que reflecteix la inclinació de la corba característica de la temperatura de la resistència. El termistor PTC de coeficient de temperatura és més sensible als canvis de temperatura, és a dir, com més significatiu sigui l'efecte PTC, millor serà el rendiment del seu termistor PTC corresponent i més llarga serà la seva vida útil. El coeficient de temperatura dels termistors PTC es defineix com el canvi relatiu de la resistència causat pels canvis de temperatura. =(lgR2-lgR1)/(T2-T1), en general, T1 necessita Tc+15 grau i T2 necessita Tc+25 grau per calcular el coeficient de temperatura.

Les característiques del Volt Ampere (Característiques VI) del PTC ceràmic

La característica de corrent de tensió, abreujada com a característica de volts amperes, mostra la interdependència entre la tensió i el corrent en els termistors PTC quan se sotmeten a càrregues elèctriques per aconseguir l'equilibri tèrmic. Quan el termistor de ceràmica PTC està encès, el corrent augmenta ràpidament amb l'augment de la tensió. Quan s'assoleix la temperatura de Curie, el corrent arriba al seu màxim i el termistor PTC entra a la regió PTC. Les característiques de volts amperes del termistor PTC es poden dividir aproximadament en tres regions:

La regió entre 0-Vk s'anomena regió lineal i la relació entre voltatge i corrent en aquesta regió s'ajusta bàsicament a la llei d'Ohm, sense canvis no lineals significatius, també coneguda com a regió sense acció.

L'àrea entre Vk i Vmax s'anomena zona de salt. En aquest moment, a causa de l'autoescalfament del termistor PTC, el valor de la resistència experimenta un salt i el corrent disminueix amb l'augment de la tensió. Per tant, aquesta zona també es coneix com a zona d'acció. El producte residual de corrent i tensió en aquesta zona es manté constant, mostrant una característica de potència constant. A causa de l'ampli rang de tensió a l'àrea característica de potència constant, fins i tot si la tensió canvia, el termistor PTC encara manté una certa temperatura.

La regió per sobre de VD s'anomena zona de ruptura. En aquest moment, el corrent augmenta amb l'augment de la tensió i la resistència del termistor PTC disminueix exponencialment. Per tant, com més alt sigui el voltatge i el corrent, més alta serà la temperatura del termistor PTC i menor serà la resistència. Això condueix ràpidament a la ruptura tèrmica del termistor PTC.

El mecanisme de descomposició dels components PTC

La ruptura dels components de PTC ceràmics es divideix principalment en ruptura del límit del gra i ruptura tèrmica.

5.1 Avaria del límit del gra: la ruptura causada per una tensió excessiva aplicada a alguns límits del gra a causa d'un creixement anormal o una distribució desigual dels grans s'anomena trencament del límit del gra.

1963 G Goodman va assenyalar que el dopatge d'un únic semiconductor BaTiO3 de cristall no mostra l'efecte PTC, mentre que el dopatge ceràmic BaTiO3 policristalí presenta l'efecte PTC. Des de llavors, el PTC s'ha classificat habitualment com un fenomen de límit de gra a nivell internacional. En els components PTC, els grans pertanyen als semiconductors i els límits de gra pertanyen a la capa aïllant, que és la barrera potencial. El camp elèctric extern s'aplica principalment a la capa límit del gra. Com més petita és la mida del gra, més límits de gra hi ha per unitat de gruix i menor és la tensió efectiva assignada a cada límit de gra, el que resulta en una disminució de l'efecte piezoresistiu i un augment de la resistència al voltatge. Si la mida del gra és més desigual, és possible tenir alguns grans més grans o anormals a la ceràmica, que formen canals amb menor resistivitat i redueixen la resistència al voltatge. Afegir correctament certs additius i millorar les condicions de calefacció del procés de sinterització en la producció real pot prevenir eficaçment la generació de grans anormals. En la producció real, les làmines de ceràmica PTC amb grans anormals es poden detectar mitjançant una prova de tensió de resistència entre pols de 600 V.

Avaria tèrmica: el punt de treball dels components PTC creua el punt més alt de les característiques de temperatura de resistència i entra a l'etapa NTC, provocant un fort augment de la temperatura i donant lloc a una ruptura tèrmica. Els factors que afecten la ruptura tèrmica estan relacionats principalment amb l'efecte de tensió, la temperatura de treball, l'atmosfera ambiental i el mètode de prova de tensió de resistència entre pols.

La corba característica de la temperatura de resistència del PTC es mostra a la corba A de la figura, que mostra que a mesura que augmenta la temperatura, el valor de la resistència augmenta pas a pas. El PTC amb un punt de Curie de 250 graus assoleix el seu valor màxim al voltant dels 320 graus (conegut com a temperatura del punt d'inflexió), que és d'uns centenars de quiloohms o més. Si la temperatura torna a pujar després d'arribar al punt d'inflexió, les característiques RT del component presenten característiques NTC, és a dir, a mesura que augmenta la temperatura, la resistència disminueix.

La corba anterior es va mesurar per PTC en condicions de potència zero, és a dir, el corrent de prova és inferior a 2 mA (aquest corrent no farà que el PTC s'escalfi), que és una característica RT estàtica. De fet, quan el PTC es carrega amb tensió, l'amplitud del canvi de resistència amb la temperatura (la relació d'augment a la resistència) disminuirà significativament i la corba característica de la temperatura de la resistència tendirà a ser plana, tal com es mostra a la corba B de la figura. Aquest és l'anomenat efecte voltatge. Com més gran sigui la tensió, més pronunciat serà l'efecte de tensió del PTC. Així, durant el procés de prova de tensió de resistència de 500 V, les làmines de ceràmica PTC amb un rendiment baix són propenses a trencar-se i, com més alta sigui la tensió de prova, més gran serà la probabilitat d'avaria. D'acord amb els estàndards actuals de la indústria PTC, la prova de tensió de resistència per a inspeccions generals de fàbrica es realitza a una tensió de 500 V.

Després d'aplicar una determinada tensió al PTC, la calor generada per si mateixa arriba a un estat d'equilibri amb l'intercanvi de calor extern, i la temperatura en aquest estat d'equilibri s'anomena temperatura de treball. Els factors que afecten la temperatura de treball estan relacionats amb la tensió aplicada i les condicions de dissipació de calor. Prenent com a exemple el PTC ceràmic amb un punt Curie de 250 graus quan es prova en determinades condicions de ventilació, quan s'aplica una tensió de 220 V, la temperatura de treball del PTC ceràmic és de 258 graus. A mesura que augmenta la tensió, també augmenta la seva temperatura de treball. Quan s'aplica una tensió de 500 V, la temperatura de treball del PTC ceràmic és de 281 graus, que és propera a la temperatura del punt d'inflexió de 320 graus. El PTC ceràmic és propens a trencar-se. En condicions de no ventilació, les condicions de dissipació de calor de l'escalfador de ceràmica PTC empitjoren. En aquest moment, és més probable que una prova de tensió de resistència més alta s'apropi al punt d'inflexió, provocant un augment de la proporció de la taxa de fallada. Per tant, per als escalfadors PTC de ceràmica amb una tensió nominal de 220 V i un punt Curie de 250 graus, la tensió nominal es prova amb una tensió de resistència de 500 V sense ventilació, de manera que la tensió nominal és de 500 V. Selecció de làmines ceràmiques PTC amb 220V i punt Curie de 250 graus i el rang de selecció típic per a resistències R25 a temperatura ambient

Les condicions de dissipació de calor inclouen factors com la mida de les canonades i tires d'alumini, l'espai entre plaques corrugades, la posició d'instal·lació de l'escalfador elèctric PTC dins de l'aire condicionat i si el conducte d'aire és raonable. Com més gran sigui la mida del tub d'alumini i la tira d'alumini, millors són les condicions de dissipació de la calor. La reducció adequada de l'espai entre les plaques corrugades pot augmentar l'àrea de les plaques corrugades, la qual cosa millora les condicions de dissipació de calor. L'angle d'instal·lació de l'escalfador elèctric PTC dins de l'aire condicionat és més propici per al flux d'aire que passa per les plaques corrugades, la qual cosa millora les condicions de dissipació de la calor. Com més favorable sigui el disseny del conducte d'aire de l'aire condicionat per a la circulació del flux d'aire, millors seran les condicions de dissipació de calor del PTC.

A més, la selecció de potència també és un factor clau que afecta les condicions de dissipació de calor. Per tal de millorar la potència de calefacció de l'escalfador, s'utilitza un augment del nombre de components PTC, el que fa que cada component no pugui aprofitar completament la seva potència de calefacció i un augment de la temperatura interna de treball. El motiu principal és que després de determinar la mida del disseny de l'escalfador elèctric PTC, també es determina la seva àrea de dissipació de calor. A mesura que augmenta el nombre de components PTC, l'àrea mitjana de dissipació de calor per unitat de components PTC disminueix, donant lloc a un augment de la densitat tèrmica de les làmines ceràmiques PTC. Per exemple, un escalfador elèctric PTC amb una mida de XX * 580 utilitza plaques de ceràmica de 32 * 12 * 2,4 mm. La potència de 14 plaques pot arribar als 900 W, però la potència de 20 plaques només pot arribar als 1000 W. Les dades mostren que la potència de 14 plaques és de 64 W, mentre que la potència de 20 plaques és de 50 W. Això indica que l'àrea de dissipació de calor de la unitat disminueix amb l'augment de les plaques ceràmiques, donant lloc a una alta densitat de calor i un entorn de treball dur, que pot augmentar fàcilment la probabilitat d'avaria.

L'estructura interna del PTC es compon de grans i límits de gra. La resistència del PTC també es compon de la resistència al límit del gra i del gra. La resistència del PTC a temperatura ambient està determinada pels grans i la resistència és molt petita. Els límits de gra són conductors. Quan la temperatura supera la temperatura de Curie, la resistència del límit del gra augmenta bruscament, arribant fins a diversos centenars de kiloohms o fins i tot megaohms. Això es deu al fet que durant el procés de sinterització i refredament del PTC, els límits del gra absorbeixen suficients àtoms d'oxigen en una atmosfera d'oxigen, augmentant l'alçada de la capa de barrera als límits del gra i donant lloc a excel·lents característiques de PTC. Durant l'ús, si la pressió parcial d'oxigen a l'entorn on es troba el PTC és baixa, l'alta concentració d'àtoms d'oxigen als límits del gra es difondrà gradualment i es desbordarà a la baixa concentració exterior, fent que la resistència del límit del gra del PTC disminueixi, el La relació d'elevació a arrossegament disminueix i les característiques del PTC es deterioraran seriosament, provocant, en última instància, una baixa resistència al voltatge i una ruptura del PTC.

La qualitat de les làmines de ceràmica PTC és un factor clau per determinar la resistència al voltatge i la ruptura. S'haurien de seleccionar proveïdors fiables i s'hauria de dur a terme un estricte cribratge entrant de làmines PTC ceràmiques per seleccionar làmines PTC amb resistència a alta tensió i coeficient de temperatura elevat.

Per reduir el contacte entre els escalfadors de PTC i les atmosferes reductores durant el procés d'escalfament, hi ha un mètode a la indústria per reduir la difusió dels àtoms d'oxigen i millorar la resistència a la compressió recobrint les vores de les làmines ceràmiques PTC amb adhesiu.

⑶ Disseny de potència de calefacció elèctrica PTC