Điện trở nhiệt PTC

Các loại điện trở

Nhiệt điện trở PTC là gì?

PTC là viết tắt của “Positive Temperature Coefficient”. Điện trở nhiệt PTC là điện trở có hệ số nhiệt độ dương, có nghĩa là điện trở tăng khi nhiệt độ tăng.

Nhiệt điện trở PTC được chia thành hai nhóm, dựa trên vật liệu được sử dụng, cấu trúc của chúng và quy trình sản xuất. Nhóm đầu tiên của nhiệt điện trở PTC bao gồm các điện trở bạc, sử dụng silicon làm vật liệu bán dẫn. Chúng được sử dụng làm cảm biến nhiệt độ PTC cho đặc tính tuyến tính của chúng.

Nhóm thứ hai là nhiệt điện trở PTC kiểu chuyển mạch.

Loại nhiệt điện trở PTC này được sử dụng rộng rãi trong lò sưởi PTC, cảm biến, v.v. Nhiệt điện trở PTC polyme, được làm bằng một loại nhựa đặc biệt, cũng nằm trong nhóm thứ hai này, thường được sử dụng làm cầu chì có thể đặt lại. Điện trở nhiệt PTC loại chuyển mạch có đường cong nhiệt độ điện trở phi tuyến tính cao.

Khi nhiệt điện trở PTC loại chuyển mạch được làm nóng, lúc đầu điện trở bắt đầu giảm, cho đến khi đạt đến nhiệt độ tới hạn nhất định. Khi nhiệt độ tăng thêm trên giá trị tới hạn đó, sức đề kháng tăng lên đáng kể. Bài viết này sẽ tập trung vào các nhiệt điện trở PTC loại chuyển mạch.

Định nghĩa nhiệt điện trở PTC

Một điện trở nhiệt PTC là một điện trở nhạy nhiệt có điện trở tăng đáng kể theo nhiệt độ.

Đặc điểm của nhiệt điện trở PTC

Điện trở nhiệt PTC chuyển mạch thường được làm bằng vật liệu gốm đa tinh thể có điện trở suất cao ở trạng thái ban đầu và được làm bán dẫn bằng cách thêm chất pha tạp.

Chúng chủ yếu được sử dụng làm lò sưởi tự điều chỉnh PTC. Nhiệt độ chuyển tiếp của hầu hết các nhiệt điện trở PTC được chuyển mạch là từ 60 ° C đến 120 ° C. Tuy nhiên, có những thiết bị ứng dụng đặc biệt được sản xuất có thể chuyển đổi ở mức thấp nhất là 0 ° C hoặc cao đến 200 ° C.

Silistors có đặc tính nhiệt độ điện trở tuyến tính, với độ dốc tương đối nhỏ trong hầu hết phạm vi hoạt động của chúng. Chúng có thể thể hiện hệ số nhiệt độ âm ở nhiệt độ trên 150 ° C. Silistors có hệ số nhiệt độ chịu khoảng 0,7 đến 0,8% ° C.

Các đặc tính nhiệt độ điện trở (RT) của nhiệt điện trở PTC và điện trở silistor

Nhiệt độ chuyển tiếp (T _c )

Như có thể thấy trong hình, các nhiệt điện trở PTC chuyển mạch có hệ số nhiệt độ hơi âm tính đến mức điện trở tối thiểu. Trên điểm này, nó trải qua một hệ số hơi tích cực đến thời điểm nó đạt đến nó nhiệt độ chuyển tiếp – T _C.

Nhiệt độ này được gọi là nhiệt độ chuyển đổi, chuyển tiếp hoặc nhiệt độ Curie. Nhiệt độ chuyển mạch là nhiệt độ tại đó điện trở của nhiệt điện trở PTC loại chuyển mạch bắt đầu tăng nhanh. Nhiệt độ Curie phần lớn thời gian được định nghĩa là nhiệt độ tại đó điện trở gấp đôi giá trị của điện trở nhỏ nhất.

Điện trở tối thiểu (R _min )

Điện trở tối thiểu của điện trở nhiệt PTC là điện trở thấp nhất có thể đo được trên điện trở nhiệt PTC loại chuyển mạch, như được thấy trên đường cong RT. Nó là điểm trên đường cong mà sau đó hệ số nhiệt độ chuyển thành dương.

Điện trở định mức (R ₂₅ )

Điện trở PTC danh định thường được định nghĩa là điện trở ở 25 ° C. Nó dùng để phân loại các nhiệt điện trở theo giá trị điện trở của chúng. Nó được đo với dòng điện thấp không làm nóng nhiệt điện trở đủ để ảnh hưởng đến phép đo.

Hằng số giải tán

Hằng số tiêu tán biểu thị mối quan hệ giữa công suất sử dụng và sự gia tăng nhiệt độ cơ thể do tự sinh nhiệt. Một số yếu tố ảnh hưởng đến hằng số tản nhiệt là: vật liệu làm dây tiếp xúc, cách gắn nhiệt điện trở, nhiệt độ môi trường, đường dẫn hoặc đường đối lưu giữa thiết bị và môi trường xung quanh, kích thước và thậm chí cả hình dạng của chính thiết bị. Hằng số tiêu tán có ảnh hưởng lớn đến đặc tính tự phát nhiệt của nhiệt điện trở.

Dòng điện định mức tối đa

Dòng điện danh định đại diện cho dòng điện tối đa có thể liên tục chạy qua một điện trở nhiệt PTC ở các điều kiện môi trường cụ thể. Giá trị của nó phụ thuộc vào hằng số tiêu tán và đường cong RT. Nếu nhiệt điện trở bị quá tải đến mức hệ số nhiệt độ bắt đầu giảm trở lại, điều này sẽ dẫn đến tình trạng chạy điện và phá hủy nhiệt điện trở.

Điện áp định mức tối đa

Tương tự với dòng điện danh định lớn nhất, điện áp danh định lớn nhất biểu thị điện áp cao nhất có thể liên tục đặt vào điện trở nhiệt ở các điều kiện môi trường xác định. Giá trị của nó cũng phụ thuộc vào hằng số tiêu tán và đường cong RT.

Phương thức hoạt đông

Tùy thuộc vào ứng dụng, nhiệt điện trở PTC có thể được sử dụng ở hai chế độ hoạt động; tự làm nóng và cảm ứng (còn gọi là công suất bằng không).

Chế độ tự làm nóng

Các ứng dụng tự làm nóng khai thác thực tế là khi một điện áp được đặt vào một điện trở nhiệt và có đủ dòng điện chạy qua nó, nhiệt độ của nó sẽ tăng lên. Khi nhiệt độ Curie gần đến, điện trở tăng đột ngột, cho phép dòng điện chạy qua ít hơn nhiều.

Hành vi này có thể được nhìn thấy từ hình bên trái. Sự thay đổi điện trở gần nhiệt độ Curie có thể là một số cấp độ lớn trong khoảng nhiệt độ chỉ vài độ.

Nếu điện áp không đổi, dòng điện sẽ ổn định ở một giá trị nhất định khi điện trở nhiệt đạt trạng thái cân bằng nhiệt. Nhiệt độ cân bằng phụ thuộc vào điện áp đặt vào, cũng như hệ số tản nhiệt của nhiệt điện trở. Chế độ hoạt động này thường được sử dụng khi thiết kế mạch trễ thời gian phụ thuộc nhiệt độ.

Chế độ cảm biến (không công suất)

Trong chế độ hoạt động này, công suất tiêu thụ của nhiệt điện trở rất nhỏ nên nó có ảnh hưởng không đáng kể đến nhiệt độ và do đó điện trở của nhiệt điện trở, ngược lại với chế độ tự đốt nóng. Chế độ cảm biến thường được sử dụng khi đo nhiệt độ bằng cách sử dụng đường cong RT làm tham chiếu.

Thiết kế và cấu tạo

Nhiệt điện trở PTC loại chuyển mạch được làm bằng vật liệu đa tinh thể. Chúng thường được chế tạo bằng cách sử dụng hỗn hợp bari cacbonat, oxit titan và các chất phụ gia như tantali, silica và mangan. 

Các vật liệu được nghiền, trộn, nén thành đĩa hoặc hình chữ nhật và thiêu kết. Sau đó, các địa chỉ liên lạc được thêm vào và cuối cùng chúng được phủ hoặc bọc lại. Quá trình sản xuất đòi hỏi phải kiểm soát rất kỹ nguyên liệu và tạp chất. 

Sự ô nhiễm theo thứ tự vài phần triệu có thể gây ra những thay đổi lớn trong các đặc tính nhiệt và điện.

PTC polyme được làm từ một lát nhựa với các hạt carbon được nhúng trong đó. Khi thiết bị nguội, các hạt cacbon tiếp xúc chặt chẽ với nhau tạo thành đường dẫn điện qua thiết bị. Khi thiết bị nóng lên, nhựa nở ra và các hạt di chuyển xa hơn, làm tăng tổng lực cản của thiết bị.

Silistors dựa trên các đặc tính khối lượng lớn của silicon pha tạp và thể hiện các đặc tính nhiệt độ-điện trở gần với tuyến tính. Chúng được sản xuất từ ​​các tấm silicon tinh khiết chất lượng cao, được làm với các hình dạng khác nhau. Đường cong nhiệt độ kháng phụ thuộc vào lượng pha tạp được sử dụng.

Các ứng dụng điển hình cho nhiệt điện trở PTC

Máy sưởi tự điều chỉnh

Nếu có dòng điện chạy qua điện trở nhiệt PTC chuyển mạch, nó sẽ tự động ổn định ở một nhiệt độ nhất định. Có nghĩa là nếu giảm nhiệt độ, điện trở cũng sẽ giảm, cho phép dòng điện chạy qua nhiều hơn và do đó làm nóng thiết bị.

Tương tự, nếu tăng nhiệt độ, điện trở cũng tăng lên, hạn chế dòng điện đi qua thiết bị, do đó làm nguội thiết bị. Nhiệt điện trở PTC sau đó đã đạt đến điểm mà điện năng tiêu thụ thực tế không phụ thuộc vào điện áp trên một dải điện áp tương đối rộng.

Các loại nhiệt điện trở PTC này thường được làm bằng gốm sứ với nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau và vì tính linh hoạt trong thiết kế của chúng, bộ sưởi gốm PTC là một lựa chọn tuyệt vời để cung cấp nhiệt điện có kiểm soát. Để tăng cường truyền nhiệt,

Bảo vệ quá tải

Các điện trở nhiệt PTC được chuyển mạch được sử dụng làm bộ hạn chế quá tải hoặc cầu chì có thể đặt lại trong các mạch khác nhau. Trong trường hợp quá tải, nhiệt độ cơ thể nhiệt điện trở tăng và nhanh chóng đạt đến nhiệt độ chuyển tiếp.

Điều này dẫn đến điện trở của nhiệt điện trở PTC tăng mạnh, hạn chế dòng điện trong mạch. Khi tình trạng quá tải hoặc ngắn mạch được giải quyết và nhiệt điện trở được làm mát trở lại, mạch sẽ hoạt động bình thường trở lại.

Bằng cách này, nó hoạt động như một cầu chì có thể đặt lại tự động. Thông thường các nhiệt điện trở PTC polyme được sử dụng cho ứng dụng này. Chúng được biết đến dưới các tên thương mại khác nhau như polyfuse, polyswitch và multifuse.

Thời gian trễ

Thời gian trễ trong mạch có thể được cung cấp bằng cách sử dụng thời gian cần thiết để điện trở nhiệt PTC đủ nóng để chuyển từ trạng thái có điện trở thấp sang trạng thái có điện trở cao và ngược lại. Độ trễ thời gian phụ thuộc vào kích thước, nhiệt độ môi trường và điện áp mà nó được kết nối, cũng như mạch mà nó được sử dụng.

Một ví dụ về việc sử dụng độ trễ thời gian cho các nhiệt điện trở PTC là việc sử dụng chúng trong đèn huỳnh quang. Khi nguồn điện lần đầu tiên được đưa vào, nhiệt điện trở ở trạng thái lạnh (nhiệt độ phòng).

Điện áp đèn thấp hơn điện áp đánh lửa và dòng điện chạy qua mạch làm nóng các điện cực và PTC đồng thời. Khi đạt đến nhiệt độ Curie, PTC sẽ chuyển mạch, điện áp trên đèn sẽ vượt quá điện áp đánh lửa và đèn bắt đầu hoạt động bình thường.

Động cơ khởi động

Một số động cơ điện có cuộn dây khởi động riêng chỉ cần được cấp nguồn trong quá trình khởi động động cơ. Trong những trường hợp như vậy, chúng ta có thể sử dụng hiệu ứng tự đốt nóng của một điện trở nhiệt PTC mắc nối tiếp với một cuộn dây như vậy. Khi bật mạch, điện trở nhiệt PTC có điện trở thấp, cho phép dòng điện đi qua cuộn dây khởi động. Khi động cơ khởi động, điện trở nhiệt PTC nóng lên và tại một thời điểm chuyển sang trạng thái điện trở cao. Thời gian cần thiết để điều này xảy ra được tính dựa trên thời gian khởi động động cơ cần thiết. Sau khi nóng lên, dòng điện qua nhiệt điện trở PTC trở nên không đáng kể và điều này làm tắt dòng điện cuộn khởi động.

Cảm biến mức chất lỏng

Các ứng dụng này dựa vào sự thay đổi của hằng số tản nhiệt khi tăng dẫn truyền và truyền nhiệt đối lưu. Sự gia tăng hằng số tiêu tán, do sự tiếp xúc giữa thiết bị và chất lỏng hoặc lưu lượng không khí tăng lên trên thiết bị sẽ làm giảm nhiệt độ hoạt động của điện trở nhiệt và tăng lượng điện năng cần thiết để duy trì nhiệt độ cơ thể nhất định. Sự gia tăng công suất có thể được đo và chỉ ra cho hệ thống biết rằng điện trở nhiệt, chẳng hạn, được ngâm trong chất lỏng.

Ký hiệu điện trở nhiệt PTC

Ký hiệu sau được sử dụng cho nhiệt điện trở có hệ số nhiệt độ dương, theo tiêu chuẩn IEC.

Ký hiệu điện trở nhiệt PTC Tiêu chuẩn IEC