اصل مقاومت در برابر ولتاژ و خرابی بخاری های سرامیکی PTC در تهویه مطبوع خودرو

PTC نوعی سرامیک نیمه هادی حساس به حرارت است که به اختصار سرامیک حساس به حرارت با ضریب دمایی مثبت نامیده می شود که متعلق به نوع جدیدی از مواد با کاربردهای بسیار گسترده است. با اعمال دمای مقاومت غیر خطی سرامیک PTC می توان آن را توسعه داد و در زمینه های مختلف به کار برد. به عنوان مثال استفاده از بخاری های موجدار سرامیکی PTC در کولر گازی روز به روز فراگیرتر می شود. یکی از ویژگی های بارز آن عملکرد ایمنی آن است. هنگامی که یک فن خراب می شود و کار نمی کند، قدرت بخاری PTC به طور خودکار به دلیل اتلاف حرارت ناکافی به شدت کاهش می یابد. در این زمان، دمای سطح بخاری در حدود دمای کوری (معمولاً حدود 250 درجه) حفظ می شود تا پدیده "قرمزی" در سطح بخاری های لوله گرمایش الکتریکی ایجاد نشود.

اثر 2PTC

مدل‌های نظری مختلفی برای توضیح اثر PTC سرامیک‌های نیمه‌رسانا BaTiO3 وجود دارد که در میان آنها مدل سد سطحی پیشنهاد شده توسط Heywang و مدل خالی باریم پیشنهاد شده توسط Daniels و همکارانش وجود دارد. بالغ تر هستند و توسط اکثر محققان شناخته شده اند.

دلیل اثر PTC را می توان به وجود یک لایه مانع بالقوه ناشی از حالت سطح پذیرنده در مرز دانه مواد نیمه هادی BaTiO3 پلی کریستالی نسبت داد. مقاومت این ماده از دو بخش تشکیل شده است: مقاومت بدنه دانه و مانع حالت سطح دانه. با افزایش دما، مقاومت ماده چندین مرتبه تغییر می کند.

ترمیستورهای سرامیکی PTC بر پایه تیتانات باریم ساخته می شوند و با سایر مواد سرامیکی پلی کریستالی با مقاومت کمتر و خواص نیمه رسانا دوپ شده اند. با دوپینگ هدفمند ماده ای با ظرفیت شیمیایی بالاتر به عنوان عنصر شبکه کریستال، بخشی از یون های باریم یا یون های تیتانات در شبکه با یون های ظرفیت بالاتر جایگزین می شود و در نتیجه تعداد مشخصی الکترون آزاد ایجاد می شود که رسانایی ایجاد می کنند. دلیل اثر ترمیستور PTC، که افزایش پله‌ای مقدار مقاومت است، این است که ساختار مواد از میکروکریستال‌های کوچک زیادی تشکیل شده است که موانع پتانسیلی را در مرز دانه (مرز دانه) تشکیل می‌دهند و مانع از عبور الکترون‌ها از مرز و ورود به آن می‌شوند. مناطق مجاور، در نتیجه مقاومت بالایی دارند. این اثر در دماهای پایین لغو می شود: ثابت دی الکتریک بالا و قدرت پلاریزاسیون خود به خود در مرزهای دانه مانع تشکیل موانع پتانسیل می شود و به الکترون ها اجازه می دهد آزادانه در دماهای پایین جریان داشته باشند. در دماهای بالا، این اثر به طور قابل توجهی ثابت دی الکتریک و شدت قطبش را کاهش می دهد، که منجر به افزایش قابل توجهی در موانع و مقاومت بالقوه می شود و یک اثر PTC قوی را نشان می دهد.

ویژگی های دمای مقاومت (ویژگی های RT) PTC سرامیکی

مشخصه دمای مقاومت که معمولاً به عنوان مشخصه دمای مقاومت نامیده می شود، به رابطه بین مقاومت توان صفر ترمیستور PTC و دمای بدنه مقاومت در یک ولتاژ مشخص اشاره دارد. با توجه به تغییرات سریع و شدید در دمای سطح و مقدار مقاومت ترمیستورهای PTC پس از روشن شدن، به طور کلی اندازه گیری منحنی مشخصه دمای مقاومت در حالت برق کاری دشوار است. منحنی مشخصه دمای مقاومت معمولاً با قرار دادن تراشه های PTC سرامیکی که در کوره متصل نیستند، تنظیم دما برای تثبیت و اندازه گیری مقدار مقاومت مربوطه در دماهای مختلف و در نهایت رسم منحنی مشخصه دمای مقاومت به دست می آید.

مقاومت سوئیچ Rc

حداکثر مقاومت کاری R p

حداکثر مقاومت حداکثر R

حداقل مقاومت R mim

دمای تی سی کوری

T p حداکثر دمای عملیاتی

حداکثر دمای حداکثر

T min حداقل دما

پارامتر مهمی که ویژگی های دمای مقاومت را مشخص می کند، ضریب دما است که شیب منحنی مشخصه دمای مقاومت را منعکس می کند. ترمیستور PTC ضریب دما نسبت به تغییرات دما حساس تر است، یعنی هر چه اثر PTC مهم تر باشد، عملکرد ترمیستور PTC مربوطه آن بهتر است و عمر مفید آن بیشتر می شود. ضریب دمایی ترمیستورهای PTC به عنوان تغییر نسبی مقاومت ناشی از تغییرات دما تعریف می شود. =(lgR2-lgR1)/(T2-T1)، به طور کلی، T1 به Tc+15 درجه و T2 برای محاسبه Tc+25 درجه نیاز دارد. ضریب دما

ویژگی های ولت آمپر (ویژگی های VI) سرامیک PTC

مشخصه جریان ولتاژ، که به اختصار مشخصه ولت آمپر نامیده می شود، وابستگی متقابل بین ولتاژ و جریان را در ترمیستورهای PTC هنگامی که تحت بارهای الکتریکی برای رسیدن به تعادل حرارتی قرار می گیرند، نشان می دهد. هنگامی که ترمیستور سرامیکی PTC روشن می شود، جریان به سرعت با افزایش ولتاژ افزایش می یابد. با رسیدن به دمای کوری، جریان به حداکثر خود می رسد و ترمیستور PTC وارد ناحیه PTC می شود. مشخصات ولت آمپر ترمیستور PTC را می توان تقریباً به سه منطقه تقسیم کرد:

ناحیه بین 0-Vk یک ناحیه خطی نامیده می‌شود و رابطه بین ولتاژ و جریان در این ناحیه اساساً با قانون اهم مطابقت دارد، بدون تغییرات غیرخطی قابل توجه، که به عنوان منطقه غیر عملی نیز شناخته می‌شود.

ناحیه بین Vk و Vmax را منطقه پرش می نامند. در این زمان، به دلیل خود گرم شدن ترمیستور PTC، مقدار مقاومت دچار جهش می شود و جریان با افزایش ولتاژ کاهش می یابد. بنابراین، این منطقه به عنوان منطقه عمل نیز شناخته می شود. محصول باقیمانده جریان و ولتاژ در این ناحیه ثابت می ماند و یک مشخصه توان ثابت را نشان می دهد. با توجه به دامنه وسیع ولتاژ در ناحیه مشخصه توان ثابت، حتی اگر ولتاژ تغییر کند، ترمیستور PTC همچنان دمای مشخصی را حفظ می کند.

ناحیه بالای VD ناحیه شکست نامیده می شود. در این زمان، جریان با افزایش ولتاژ افزایش می یابد و مقاومت ترمیستور PTC به صورت تصاعدی کاهش می یابد. بنابراین، هر چه ولتاژ و جریان بیشتر باشد، دمای ترمیستور PTC بالاتر و مقاومت کمتر می شود. این به سرعت منجر به شکست حرارتی ترمیستور PTC می شود.

مکانیسم خرابی اجزای PTC

تجزیه اجزای PTC سرامیکی به طور عمده به شکست مرز دانه و شکست حرارتی تقسیم می شود.

5.1 شکست مرز دانه: به شکست ناشی از ولتاژ بیش از حد اعمال شده به برخی از مرزهای دانه ها به دلیل رشد غیرعادی یا توزیع ناهموار دانه ها، شکست مرز دانه می گویند.

1963 G Goodman اشاره کرد که دوپینگ نیمه هادی تک کریستالی BaTiO3 اثر PTC را نشان نمی دهد، در حالی که دوپینگ سرامیکی BaTiO3 پلی کریستالی اثر PTC را نشان می دهد. از آن زمان، PTC معمولاً به عنوان یک پدیده مرز دانه در سطح بین المللی طبقه بندی شده است. در اجزای PTC، دانه ها به نیمه هادی ها تعلق دارند و مرز دانه ها متعلق به لایه عایق است که مانع بالقوه است. میدان الکتریکی خارجی عمدتا به لایه مرزی دانه اعمال می شود. هرچه اندازه دانه کوچکتر باشد، مرزهای دانه در واحد ضخامت بیشتری وجود دارد و ولتاژ موثر تخصیص داده شده به هر مرز دانه کوچکتر است و در نتیجه اثر پیزومقاومتی کاهش می یابد و مقاومت ولتاژ افزایش می یابد. اگر اندازه دانه ناهموارتر باشد، ممکن است دانه‌های بزرگتر یا غیرعادی در سرامیک وجود داشته باشد که کانال‌هایی با مقاومت کمتری تشکیل می‌دهند و مقاومت ولتاژ را کاهش می‌دهند. افزودن صحیح مواد افزودنی خاص و بهبود شرایط حرارتی فرآیند تف جوشی در تولید واقعی می تواند به طور موثری از تولید دانه های غیرعادی جلوگیری کند. در تولید واقعی، ورق های سرامیکی PTC با دانه های غیرعادی را می توان از طریق آزمایش ولتاژ مقاومت بین قطبی 600 ولت تشخیص داد.

شکست حرارتی: نقطه کار اجزای PTC از بالاترین نقطه مشخصه دمای مقاومت عبور کرده و وارد مرحله NTC شده و باعث افزایش شدید دما و در نتیجه شکست حرارتی می شود. عواملی که بر شکست حرارتی تأثیر می گذارند عمدتاً به اثر ولتاژ، دمای کاری، جو محیطی و روش تست ولتاژ مقاومت بین قطبی مربوط می شوند.

منحنی مشخصه دمای مقاومت PTC در منحنی A در شکل نشان داده شده است که نشان می دهد با افزایش دما مقدار مقاومت گام به گام افزایش می یابد. PTC با نقطه کوری 250 درجه به حداکثر مقدار خود در حدود 320 درجه (معروف به دمای نقطه عطف) می رسد که حدود چند صد کیلو اهم یا بیشتر است. اگر بعد از رسیدن به نقطه عطف، دما دوباره افزایش یابد، ویژگی‌های RT قطعه ویژگی‌های NTC را نشان می‌دهند، یعنی با افزایش دما، مقاومت کاهش می‌یابد.

منحنی فوق توسط PTC در شرایط توان صفر اندازه گیری شد، یعنی جریان تست کمتر از 2 میلی آمپر است (این جریان باعث گرم شدن PTC نمی شود) که یک مشخصه RT استاتیک است. در واقع، هنگامی که PTC با ولتاژ بارگذاری می شود، دامنه تغییر مقاومت با دما (نسبت افزایش به مقاومت) به طور قابل توجهی کاهش می یابد و منحنی مشخصه دمای مقاومت به صافی تمایل پیدا می کند، همانطور که در منحنی B در شکل نشان داده شده است. این به اصطلاح اثر ولتاژ است. هر چه ولتاژ بالاتر باشد، اثر ولتاژ PTC بارزتر است. بنابراین در طول فرآیند تست ولتاژ مقاومت 500 ولت، ورق های سرامیکی PTC با عملکرد ضعیف مستعد خرابی هستند و هر چه ولتاژ تست بالاتر باشد، احتمال خرابی بیشتر می شود. طبق استانداردهای فعلی صنعت PTC، تست ولتاژ مقاومت برای بازرسی های عمومی کارخانه در ولتاژ 500 ولت انجام می شود.

پس از اعمال یک ولتاژ معین به PTC، گرمای تولید شده به خودی خود با تبادل حرارت خارجی به حالت تعادل می رسد و دمای موجود در این حالت تعادل را دمای کاری می نامند. عواملی که بر دمای کار تأثیر می گذارند به ولتاژ اعمال شده و شرایط اتلاف حرارت مربوط می شود. در نظر گرفتن PTC سرامیکی با نقطه کوری 250 درجه به عنوان مثال هنگام آزمایش در شرایط تهویه خاص، هنگامی که ولتاژ 220 ولت اعمال می شود، دمای کار PTC سرامیکی 258 درجه است. با افزایش ولتاژ، دمای کاری آن نیز افزایش می یابد. هنگامی که ولتاژ 500 ولت اعمال می شود، دمای کار PTC سرامیکی 281 درجه است که نزدیک به دمای نقطه عطف 320 درجه است. PTC سرامیکی مستعد خرابی است. در شرایط غیر تهویه، شرایط اتلاف حرارت هیتر سرامیکی PTC بدتر می شود. در این زمان، آزمایش ولتاژ مقاومت بالاتر به احتمال زیاد به نقطه عطف نزدیک می شود و باعث افزایش نسبت نرخ شکست خرابی می شود. بنابراین، برای بخاری های سرامیکی PTC با ولتاژ نامی 220 ولت و نقطه کوری 250 درجه، ولتاژ نامی تحت ولتاژ مقاومت 500 ولت بدون تهویه آزمایش می شود، بنابراین ولتاژ نامی 500 ولت است. انتخاب ورق های سرامیکی PTC با ولتاژ 220 ولت و نقطه کوری 250 درجه و محدوده انتخاب معمولی برای مقاومت های R25 دمای اتاق

شرایط اتلاف گرما شامل عواملی مانند اندازه لوله ها و نوارهای آلومینیومی، فاصله بین صفحات موجدار، موقعیت نصب بخاری برقی PTC در داخل کولر گازی و منطقی بودن کانال هوا می باشد. هرچه اندازه لوله و نوار آلومینیومی بزرگتر باشد، شرایط اتلاف گرما بهتر است. کاهش مناسب فاصله بین صفحات موجدار می تواند مساحت صفحات موجدار را افزایش دهد که شرایط اتلاف گرما را بهبود می بخشد. زاویه نصب بخاری برقی PTC در داخل کولر گازی برای عبور جریان هوا از صفحات موجدار مساعدتر است که شرایط اتلاف گرما را بهبود می بخشد. هر چه طراحی مجرای هوای کولر گازی برای گردش جریان هوا مساعدتر باشد، شرایط اتلاف حرارت PTC بهتر است.

علاوه بر این، انتخاب توان نیز یک عامل کلیدی است که بر شرایط اتلاف گرما تأثیر می گذارد. به منظور بهبود قدرت گرمایش بخاری، از افزایش تعداد اجزای PTC استفاده می شود که در نتیجه هر جزء قادر به استفاده کامل از توان گرمایشی خود نیست و دمای کاری داخلی افزایش می یابد. دلیل اصلی این است که پس از مشخص شدن سایز طرح بخاری برقی PTC، ناحیه اتلاف حرارت آن نیز مشخص می شود. با افزایش تعداد اجزای PTC، میانگین مساحت اتلاف گرما در هر واحد از اجزای PTC کاهش می‌یابد که منجر به افزایش چگالی حرارتی ورق‌های سرامیکی PTC می‌شود. به عنوان مثال، یک بخاری برقی PTC با اندازه XX * 580 از صفحات سرامیکی 32 * 12 * 2.4 میلی متر استفاده می کند. توان 14 صفحه می تواند به 900 وات برسد، اما قدرت 20 صفحه فقط می تواند به 1000 وات برسد. داده ها نشان می دهد که توان 14 صفحه 64 وات است در حالی که قدرت 20 صفحه 50 وات است. این نشان می‌دهد که با افزایش صفحات سرامیکی، سطح اتلاف گرمای واحد کاهش می‌یابد و در نتیجه چگالی حرارتی بالا و محیط کاری سخت ایجاد می‌شود که می‌تواند به راحتی احتمال خرابی را افزایش دهد.

ساختار داخلی PTC از دانه ها و مرزهای دانه تشکیل شده است. مقاومت PTC نیز از مقاومت مرزی دانه و دانه تشکیل شده است. مقاومت PTC در دمای اتاق توسط دانه ها تعیین می شود و مقاومت بسیار کوچک است. مرزهای دانه ها رسانا هستند. هنگامی که دما از دمای کوری بیشتر می شود، مقاومت مرزی دانه به شدت افزایش می یابد و به چند صد کیلو اهم یا حتی مگا اهم می رسد. این به این دلیل است که در طی فرآیند پخت و خنک‌سازی PTC، مرزهای دانه اتم‌های اکسیژن کافی را در اتمسفر اکسیژن جذب می‌کنند و ارتفاع لایه مانع را در مرز دانه‌ها افزایش می‌دهند و در نتیجه ویژگی‌های PTC بسیار خوبی دارند. در حین استفاده، اگر فشار جزئی اکسیژن در محیطی که PTC در آن قرار دارد کم باشد، غلظت بالای اتم‌های اکسیژن در مرز دانه‌ها به تدریج منتشر شده و به غلظت پایین در خارج سرریز می‌شود و باعث می‌شود مقاومت مرزی PTC کاهش یابد. نسبت بالابر به درگ کاهش می یابد و ویژگی های PTC به طور جدی بدتر می شود و در نهایت منجر به مقاومت ضعیف ولتاژ و خرابی PTC می شود.

کیفیت ورق های سرامیکی PTC یک عامل کلیدی در تعیین مقاومت ولتاژ و خرابی است. تامین کنندگان قابل اعتماد باید انتخاب شوند و غربالگری دقیق ورودی ورق های PTC سرامیکی باید برای انتخاب ورق های PTC با مقاومت ولتاژ بالا و ضریب دمای بالا انجام شود.

برای کاهش تماس بین هیترهای PTC و کاهش اتمسفر در طول فرآیند گرمایش، روشی در صنعت وجود دارد که با پوشش دادن لبه‌های ورق‌های سرامیکی PTC با چسب، انتشار اتم‌های اکسیژن را کاهش داده و مقاومت فشاری را بهبود می‌بخشد.

⑶ قدرت گرمایش الکتریکی PTC را طراحی کنید