PTC-Thermistor
Ursprung des PTC-Thermistors
Bariumtitanat (BaTiO3), das Anfang der 1940er Jahre von Japan, den USA und der Sowjetunion entdeckt wurde, weist bei Raumtemperatur üblicherweise einen spezifischen Widerstand von über 1010 Ω·cm auf. 1952 fanden Haayman et al. von Philips (Niederlande) heraus, dass der spezifische Widerstand bei Zugabe einer kleinen Menge Seltenerdmetalle (Y, Bi, Sb usw.) 10~106 Ω·cm betrug und die Temperatureigenschaften des Materials dem Curiepunkt entsprachen. Sie veröffentlichten damals jedoch keine Literatur dazu, sondern meldeten lediglich ein Patent an, sodass der Werkstoff der Öffentlichkeit erst ab etwa 1954 bekannt wurde. 1961 wurden PTC-Thermistoren erstmals von Murata Manufacturing in Massenproduktion hergestellt und erhielten die eingetragene Marke POSISTOR. Um 1963 begannen europäische, amerikanische und japanische Unternehmen mit der Industrialisierung von PTC-Thermistoren, die in der Temperaturkompensation, der Wasserstandserkennung, dem Schutz vor Motorüberhitzung, in Heizungen mit automatischer Temperaturregelung, in Entmagnetisierungsschaltungen für Farbfernseher und in anderen Bereichen eingesetzt wurden.
Auswahlparameter für PTC-Thermistoren
Um den richtigen PTC-Thermistor für Ihre Anwendung auszuwählen, ist es wichtig, die wichtigsten Parameter zu kennen. Hier sind die fünf wichtigsten Faktoren, die Sie berücksichtigen sollten.
1. Maximale Betriebsspannung
Kaltleiter werden im Stromkreis in Reihe geschaltet. Im Normalbetrieb liegt nur ein kleiner Teil der Spannung am Kaltleiter an. Startet der Kaltleiter hochohmig, muss er nahezu der gesamten Versorgungsspannung standhalten. Daher ist bei der Auswahl eines Kaltleiters auf eine ausreichend hohe maximale Betriebsspannung zu achten und mögliche Schwankungen der Versorgungsspannung zu berücksichtigen.
2. Ruhestrom und Betriebsstrom
Um eine zuverlässige Schaltfunktion zu gewährleisten, muss der Betriebsstrom mindestens doppelt so hoch sein wie der Ruhestrom. Da die Umgebungstemperatur großen Einfluss auf Ruhestrom und Betriebsstrom hat (siehe Abbildung unten), sollte der ungünstigste Fall berücksichtigt werden. Der Ruhestrom sollte bei der höchstzulässigen Umgebungstemperatur gewählt werden, der Betriebsstrom bei einer niedrigeren Umgebungstemperatur.
3. Maximal zulässiger Strom bei maximaler Betriebsspannung
Wenn der PTC-Thermistor seine Schutzfunktion ausführt, prüfen Sie, ob im Stromkreis Bedingungen vorliegen, die einen Strom erzeugen, der den maximal zulässigen Strom überschreitet. Dies weist im Allgemeinen auf die Möglichkeit eines Kurzschlusses hin. Der maximale Stromwert ist in der Spezifikation angegeben. Bei Verwendung über diesen Wert hinaus kann der PTC-Thermistor beschädigt werden oder vorzeitig ausfallen.
4. Schalttemperatur (Curietemperatur)
Wir bieten Überstromschutzkomponenten mit Curietemperaturen von 80 °C, 100 °C, 120 °C, 140 °C usw. an. Der Ruhestrom hängt einerseits von der Curietemperatur und dem Durchmesser des PTC-Thermistorchips ab. Um Kosten zu sparen, sollten Komponenten mit hoher Curietemperatur und kleiner Größe gewählt werden. Andererseits muss berücksichtigt werden, dass der so gewählte PTC-Thermistor eine höhere Oberflächentemperatur aufweist, was zu unerwünschten Nebeneffekten im Schaltkreis führen kann. Im Allgemeinen sollte die Curietemperatur die maximale Umgebungstemperatur um 20–40 °C überschreiten.
5. Einfluss der Nutzungsumgebung
Beim Kontakt mit chemischen Reagenzien oder bei der Verwendung von Vergussmaterialien oder Füllstoffen muss besonders darauf geachtet werden, dass die Reduktion der Bariumtitanatkeramik verhindert wird, da dies zu einer Verringerung der Wirkung des PTC-Thermistors führen kann, und dass durch das Vergießen Änderungen der Wärmeleitfähigkeit auftreten, die zu lokaler Überhitzung und Beschädigung des PTC-Thermistors führen können.
Beispiel für die Auswahl eines PTC-Thermistors für einen Leistungstransformator
Die Primärspannung des Leistungstransformators beträgt 220 V, die Sekundärspannung 16 V, der Sekundärstrom 1,5 A und bei Störungen der Sekundärseite ca. 350 mA. Der Transformator sollte innerhalb von 10 Minuten in den Schutzzustand wechseln. Die Umgebungstemperatur des Transformators beträgt -10 bis 40 °C, der Temperaturanstieg im Normalbetrieb beträgt 15 bis 20 °C. Der Kaltleiter wird in der Nähe des Transformators installiert. Bitte wählen Sie einen Kaltleiter für den Primärschutz.
1. Bestimmen Sie die maximale Arbeitsspannung
Es ist bekannt, dass die Betriebsspannung des Transformators 220 V beträgt. Unter Berücksichtigung der Schwankungsfaktoren der Stromversorgung sollte die maximale Betriebsspannung 220 V × (1 + 20 %) = 264 V erreichen.<br/>Die maximale Betriebsspannung des PTC-Thermistors beträgt 265 V.
2. Ermitteln Sie den Ruhestrom
Nach Berechnung und tatsächlicher Messung beträgt der Primärstrom des Transformators im Normalbetrieb 125 mA. Unter Berücksichtigung einer Umgebungstemperatur am Installationsort des PTC-Thermistors von bis zu 60 °C kann ermittelt werden, dass der Ruhestrom bei 60 °C 130–140 mA betragen sollte.
3. Betriebsstrom ermitteln
Wenn man bedenkt, dass die Umgebungstemperatur am Installationsort des PTC-Thermistors nur -10 °C oder 25 °C betragen kann, kann man festlegen, dass der Betriebsstrom bei -10 °C oder 25 °C 340 bis 350 mA betragen sollte und die Betriebszeit etwa 5 Minuten beträgt.
4. Bestimmen Sie den Nenn-Nullleistungswiderstand R25
Der PTC-Thermistor ist in Reihe mit der Primärwicklung geschaltet. Der erzeugte Spannungsabfall sollte möglichst gering sein. Auch die Heizleistung des PTC-Thermistors selbst sollte möglichst gering sein. Im Allgemeinen sollte der Spannungsabfall des PTC-Thermistors weniger als 1 % der Gesamtstromversorgung betragen. R25 berechnet sich wie folgt:<br/>220 V x 1 % ÷ 0,125 A = 17,6 Ω
5. Bestimmen Sie den maximalen Strom
Laut tatsächlicher Messung kann der Primärstrom bei einem Kurzschluss der Sekundärwicklung des Transformators 500 mA erreichen. Wenn bei einem teilweisen Kurzschluss in der Primärwicklung ein größerer Strom fließt, wird der maximale Strom des PTC-Thermistors auf über 1 A festgelegt.
6. Bestimmen Sie die Curietemperatur und die Abmessungen
Da die Umgebungstemperatur am Einbauort des PTC-Thermistors bis zu 60 °C erreichen kann, wird die Curietemperatur durch Addition von 40 °C auf dieser Basis ausgewählt und beträgt 100 °C. Angesichts der geringen Kosten und der Tatsache, dass der PTC-Thermistor nicht in der Transformatorspule eingebaut ist, wirkt sich seine höhere Oberflächentemperatur jedoch nicht negativ auf den Transformator aus. Daher kann die Curietemperatur auf 120 °C festgelegt werden, sodass der Durchmesser des PTC-Thermistors um eine Stufe reduziert und die Kosten gesenkt werden können.
7. Bestimmen Sie das Modell des PTC-Thermistors
Wählen Sie gemäß den oben genannten Anforderungen MZ11-10P15RH265 aus der Spezifikationstabelle unseres Unternehmens aus.<br/>Das bedeutet: maximale Betriebsspannung 265 V, Nennwiderstandswert im Nullleistungszustand 15Q±25 %, Ruhestrom 140 mA, Betriebsstrom 350 mA, maximaler Strom 1,2 A, Curietemperatur 120 °C und maximale Größe 11,0 mm.
Vorteile des PTC-Thermistorkerns
PTC-Thermistoren bieten einzigartige Vorteile, die sie ideal für verschiedene Schutz- und Steuerungsanwendungen in elektronischen Schaltungen machen.
Selbstschutzfunktion
Wenn die Temperatur den Schwellenwert überschreitet, steigt der Widerstand des Thermistors stark an und begrenzt automatisch den Strom. Beispiele hierfür sind der Motorüberstromschutz und der Schutz von Lithiumbatterien.
Keine externe Steuerung erforderlich
Die passive Natur des Thermistors reagiert direkt auf Temperaturänderungen, was den Schaltungsentwurf vereinfacht und die Systemkomplexität reduziert.
Lange Lebensdauer
Das Fehlen mechanischer Kontakte verhindert eine Alterung und macht sie zu einer langlebigen Alternative zu herkömmlichen Sicherungen mit verlängerter Betriebslebensdauer.
Anpassbarkeit
Die Möglichkeit, den Curiepunkt durch Materialmodifikation anzupassen, wobei keramische PTCs für verschiedene Anwendungen Temperaturen zwischen 20 und 300 °C erreichen können.
Im Normalzustand des Stromkreises ist der durch den Überstromschutz-PTC-Thermistor fließende Strom geringer als der Nennstrom. Der Überstromschutz-PTC-Thermistor befindet sich im Normalzustand mit sehr geringem Widerstandswert, der den normalen Betrieb des geschützten Stromkreises nicht beeinträchtigt. Fällt ein Stromkreis aus und übersteigt der Strom den Nennstrom deutlich, erwärmt sich der Überstromschutz-PTC-Thermistor plötzlich und wird hochohmig. Dadurch wird der Stromkreis relativ „getrennt“ und vor Schäden geschützt. Nach Behebung des Fehlers kehrt auch der Überstromschutz-PTC-Thermistor automatisch in den niederohmigen Zustand zurück, und der Stromkreis nimmt den Normalbetrieb wieder auf.
Im Normalzustand des Stromkreises ist der durch den Überstromschutz-PTC-Thermistor fließende Strom geringer als der Nennstrom. Der Überstromschutz-PTC-Thermistor befindet sich im Normalzustand mit sehr geringem Widerstandswert, der den normalen Betrieb des geschützten Stromkreises nicht beeinträchtigt. Fällt ein Stromkreis aus und übersteigt der Strom den Nennstrom deutlich, erwärmt sich der Überstromschutz-PTC-Thermistor plötzlich und wird hochohmig. Dadurch wird der Stromkreis relativ „getrennt“ und vor Schäden geschützt. Nach Behebung des Fehlers kehrt auch der Überstromschutz-PTC-Thermistor automatisch in den niederohmigen Zustand zurück, und der Stromkreis nimmt den Normalbetrieb wieder auf.
Herstellungsprozess von PTC-Thermistoren
Die Herstellung von PTC-Thermistoren beginnt mit einer Mischung aus Bariumcarbonat, Titanoxid und anderen Materialien, die die gewünschten elektrischen und thermischen Eigenschaften erzeugen. Diese werden gemahlen, gemischt und zu Scheiben oder Rechtecken gepresst und anschließend gesintert, vorzugsweise bei einer Temperatur unter 1400 °C. Anschließend werden sie sorgfältig miteinander verbunden, je nach Modell mit Verbindungselementen versehen und schließlich beschichtet oder gekapselt.
Typische Anwendungen für PTC-Thermistoren
Überstromschutz: Haushaltsgeräte (Haartrockner, Kaffeemaschinen), Autoelektronik. Temperaturmessung und -kompensation: Temperaturkontrollsystem für Industrieanlagen. Selbstregulierende Heizung: Konstanttemperaturheizung (der Widerstand des keramischen PTC ist nahe dem Curiepunkt stabil). Schutz elektronischer Schaltkreise: USB-Strombegrenzung, PCB-Übertemperaturschutz.
