Principio de resistencia a la tensión y avería de los calentadores cerámicos PTC en el aire acondicionado de los automóviles

PTC es un tipo de cerámica termosensible semiconductora, abreviada como cerámica termosensible de coeficiente de temperatura positivo, que pertenece a un nuevo tipo de material con aplicaciones extremadamente amplias. Al aplicar la temperatura de resistencia no lineal de la cerámica PTC, se puede desarrollar y aplicar en varios campos. Por ejemplo, el uso de calentadores corrugados de cerámica PTC en acondicionadores de aire se está volviendo cada vez más común. Una de sus características destacadas es su desempeño de seguridad. Cuando un ventilador funciona mal y deja de funcionar, la potencia del calentador PTC caerá automáticamente de manera brusca debido a la disipación de calor insuficiente. En este momento, la temperatura de la superficie del calentador se mantiene alrededor de la temperatura de Curie (generalmente alrededor de 250 grados), para no producir el fenómeno de "enrojecimiento" en la superficie de los calentadores de tubo de calentamiento eléctrico.

Efecto 2PTC

Existen varios modelos teóricos para explicar el efecto PTC de las cerámicas semiconductoras BaTiO3, entre los cuales el modelo de barrera superficial propuesto por Heywang y el modelo de vacancia de bario propuesto por Daniels et al. son los más maduros y reconocidos por la mayoría de los investigadores.

La causa del efecto PTC puede atribuirse a la presencia de una capa de barrera de potencial causada por el estado de la superficie aceptora en el límite de grano de los materiales semiconductores policristalinos BaTiO3. La resistividad del material se compone de dos partes: resistencia del cuerpo del grano y barrera del estado de la superficie del grano. A medida que aumenta la temperatura, la resistividad del material cambiará en varios órdenes de magnitud.

Los termistores cerámicos PTC se fabrican a base de titanato de bario y dopados con otros materiales cerámicos policristalinos, con menor resistencia y propiedades semiconductoras. Al dopar deliberadamente un material con mayor valencia química como elemento reticular del cristal, una parte de los iones de bario o iones de titanato en la red se reemplazan por iones de mayor valencia, lo que da como resultado una cierta cantidad de electrones libres que generan conductividad. La razón del efecto termistor PTC, que es el aumento escalonado del valor de la resistencia, es que la estructura del material está compuesta por muchos microcristales pequeños, que forman barreras de potencial en el límite de grano (límite de grano), impidiendo que los electrones crucen el límite y entren en regiones adyacentes, lo que da como resultado una alta resistencia. Este efecto se anula a bajas temperaturas: la constante dieléctrica alta y la fuerza de polarización espontánea en los límites de grano dificultan la formación de barreras de potencial y permiten que los electrones fluyan libremente a bajas temperaturas. A altas temperaturas, este efecto reduce significativamente la constante dieléctrica y la intensidad de polarización, lo que conduce a un aumento significativo de las barreras potenciales y la resistencia, exhibiendo un fuerte efecto PTC.

Características de temperatura de resistencia (características RT) del PTC cerámico

La curva característica de temperatura de resistencia, comúnmente denominada curva característica de temperatura de resistencia, se refiere a la relación entre la resistencia de potencia cero de un termistor PTC y la temperatura del cuerpo de la resistencia a un voltaje específico. Debido a los cambios rápidos y drásticos en la temperatura de la superficie y el valor de resistencia de los termistores PTC después del encendido, generalmente es difícil medir la curva característica de temperatura de resistencia en el estado encendido. La curva característica de temperatura de resistencia generalmente se obtiene colocando chips PTC cerámicos que no están conectados en un horno, ajustando la temperatura para estabilizarla y midiendo el valor de resistencia correspondiente a varias temperaturas y, finalmente, dibujando la curva característica de temperatura de resistencia.

Resistencia del interruptor R c

R p resistencia máxima de trabajo

R max resistencia máxima

R mim resistencia mínima

T c Temperatura de Curie

T p temperatura máxima de funcionamiento

T max temperatura máxima

T min temperatura mínima

El parámetro importante que caracteriza las características de temperatura de resistencia es el coeficiente de temperatura, que refleja la pendiente de la curva característica de temperatura de resistencia. El coeficiente de temperatura del termistor PTC es más sensible a los cambios de temperatura, es decir, cuanto más significativo sea el efecto PTC, mejor será el rendimiento de su termistor PTC correspondiente y mayor será su vida útil. El coeficiente de temperatura de los termistores PTC se define como el cambio relativo en la resistencia causado por los cambios de temperatura. =(lgR2-lgR1)/(T2-T1), en general, T1 toma Tc+15 grado y T2 toma Tc+25 grado para calcular el coeficiente de temperatura.

Características de voltio-amperio (características VI) de los PTC cerámicos

La característica de voltaje-corriente, abreviada como característica voltampere, muestra la interdependencia entre el voltaje y la corriente en los termistores PTC cuando se someten a cargas eléctricas para lograr el equilibrio térmico. Cuando se enciende el termistor PTC cerámico, la corriente aumenta rápidamente con el aumento del voltaje. Cuando se alcanza la temperatura de Curie, la corriente alcanza su máximo y el termistor PTC ingresa a la región PTC. Las características voltampere del termistor PTC se pueden dividir aproximadamente en tres regiones:

La región entre 0-Vk se llama región lineal, y la relación entre voltaje y corriente en esta región se ajusta básicamente a la ley de Ohm, sin cambios no lineales significativos, también conocida como región de no acción.

El área entre Vk y Vmax se denomina zona de salto. En este momento, debido al autocalentamiento del termistor PTC, el valor de la resistencia experimenta un salto y la corriente disminuye con el aumento del voltaje. Por lo tanto, esta área también se conoce como zona de acción. El producto residual de la corriente y el voltaje en esta área permanece constante, exhibiendo una característica de potencia constante. Debido al amplio rango de voltaje en el área de la característica de potencia constante, incluso si el voltaje cambia, el termistor PTC aún mantiene una cierta temperatura.

La región por encima de VD se denomina zona de ruptura. En este momento, la corriente aumenta con el aumento del voltaje y la resistencia del termistor PTC disminuye exponencialmente. Por lo tanto, cuanto mayor sea el voltaje y la corriente, mayor será la temperatura del termistor PTC y menor la resistencia. Esto conduce rápidamente a la ruptura térmica del termistor PTC.

El mecanismo de descomposición del componente PTC

La descomposición de los componentes cerámicos PTC se divide principalmente en descomposición del límite de grano y descomposición térmica.

5.1 Ruptura de los límites de grano: La ruptura causada por un voltaje excesivo aplicado a algunos límites de grano debido a un crecimiento anormal o una distribución desigual de los granos se denomina ruptura de los límites de grano.

1963 G Goodman señaló que el dopaje de semiconductores individuales de BaTiO3 monocristalino no exhibe el efecto PTC, mientras que el dopaje cerámico de BaTiO3 policristalino exhibe el efecto PTC. Desde entonces, el PTC se ha clasificado comúnmente como un fenómeno de límite de grano a nivel internacional. En los componentes PTC, los granos pertenecen a los semiconductores y los límites de grano pertenecen a la capa aislante, que es la barrera de potencial. El campo eléctrico externo se aplica principalmente a la capa límite de grano. Cuanto menor sea el tamaño de grano, más límites de grano hay por unidad de espesor y menor es el voltaje efectivo asignado a cada límite de grano, lo que resulta en una disminución del efecto piezorresistivo y un aumento de la resistencia al voltaje. Si el tamaño de grano es más desigual, es posible tener algunos granos más grandes o anormales en la cerámica, que forman canales con menor resistividad y reducen la resistencia al voltaje. Agregar adecuadamente ciertos aditivos y mejorar las condiciones de calentamiento del proceso de sinterización en la producción real puede prevenir eficazmente la generación de granos anormales. En la producción real, las láminas de cerámica PTC con granos anormales se pueden detectar mediante una prueba de tensión soportada entre polos de 600 V.

Ruptura térmica: el punto de trabajo de los componentes PTC cruza el punto más alto de las características de temperatura de resistencia y entra en la etapa NTC, lo que provoca un aumento brusco de la temperatura y da como resultado una ruptura térmica. Los factores que afectan la ruptura térmica están relacionados principalmente con el efecto de la tensión, la temperatura de trabajo, la atmósfera ambiental y el método de prueba de tensión soportada entre polos.

La curva característica de temperatura de resistencia de PTC se muestra en la curva A de la figura, que muestra que a medida que aumenta la temperatura, el valor de la resistencia aumenta paso a paso. PTC con un punto de Curie de 250 grados alcanza su valor máximo alrededor de los 320 grados (conocido como la temperatura del punto de inflexión), que es de unos cientos de kiloohmios o más. Si la temperatura aumenta nuevamente después de alcanzar el punto de inflexión, las características RT del componente exhiben características NTC, es decir, a medida que aumenta la temperatura, la resistencia disminuye.

La curva anterior se midió con PTC en condiciones de potencia cero, es decir, la corriente de prueba es inferior a 2 mA (esta corriente no hará que el PTC se caliente), que es una característica estática de RT. De hecho, cuando el PTC se carga con voltaje, la amplitud del cambio de resistencia con la temperatura (relación de aumento a resistencia) disminuirá significativamente y la curva característica de temperatura de resistencia tenderá a ser plana, como se muestra en la curva B en la figura. Ese es el llamado efecto de voltaje. Cuanto mayor sea el voltaje, más pronunciado será el efecto de voltaje del PTC. Por lo tanto, durante el proceso de prueba de voltaje soportado de 500 V, las láminas cerámicas PTC con bajo rendimiento son propensas a romperse, y cuanto mayor sea el voltaje de prueba, mayor será la probabilidad de rotura. De acuerdo con los estándares actuales de la industria PTC, la prueba de voltaje soportado para inspecciones generales de fábrica se lleva a cabo a un voltaje de 500 V.

Después de aplicar un cierto voltaje al PTC, el calor generado por sí mismo alcanza un estado de equilibrio con el intercambio de calor externo, y la temperatura en este estado de equilibrio se llama temperatura de trabajo. Los factores que afectan la temperatura de trabajo están relacionados con el voltaje aplicado y las condiciones de disipación de calor. Tomando el PTC cerámico con un punto de Curie de 250 grados como ejemplo cuando se prueba bajo ciertas condiciones de ventilación, cuando se aplica un voltaje de 220 V, la temperatura de trabajo del PTC cerámico es de 258 grados. A medida que aumenta el voltaje, su temperatura de trabajo también aumenta. Cuando se aplica un voltaje de 500 V, la temperatura de trabajo del PTC cerámico es de 281 grados, que está cerca de la temperatura del punto de inflexión de 320 grados. El PTC cerámico es propenso a romperse. En condiciones sin ventilación, las condiciones de disipación de calor del calentador PTC cerámico empeoran. En este momento, es más probable que una prueba de voltaje soportado más alto se acerque al punto de inflexión, lo que provoca un aumento en la proporción de la tasa de falla por rotura. Por lo tanto, para los calentadores cerámicos PTC con una tensión nominal de 220 V y un punto de Curie de 250 grados, la tensión nominal se prueba con una tensión de resistencia de 500 V sin ventilación, por lo que la tensión nominal es de 500 V. Selección de láminas cerámicas PTC con 220 V y un punto de Curie de 250 grados, y el rango de selección típico para resistencias R25 a temperatura ambiente

Las condiciones de disipación de calor incluyen factores como el tamaño de los tubos y tiras de aluminio, el espaciado entre las placas corrugadas, la posición de instalación del calentador eléctrico PTC dentro del acondicionador de aire y si el conducto de aire es razonable. Cuanto mayor sea el tamaño del tubo de aluminio y la tira de aluminio, mejores serán las condiciones de disipación de calor. La reducción apropiada del espaciado entre las placas corrugadas puede aumentar el área de las placas corrugadas, lo que mejora las condiciones de disipación de calor. El ángulo de instalación del calentador eléctrico PTC dentro del acondicionador de aire es más propicio para el flujo de aire que pasa a través de las placas corrugadas, lo que mejora las condiciones de disipación de calor. Cuanto más propicio sea el diseño del conducto de aire del acondicionador de aire para la circulación del flujo de aire, mejores serán las condiciones de disipación de calor del PTC.

Además, la selección de la potencia también es un factor clave que afecta las condiciones de disipación de calor. Para mejorar la potencia de calentamiento del calentador, se utiliza un aumento en el número de componentes PTC, lo que da como resultado que cada componente no pueda utilizar completamente su potencia de calentamiento y un aumento en la temperatura de trabajo interna. La razón principal es que después de determinar el tamaño del diseño del calentador eléctrico PTC, también se determina su área de disipación de calor. A medida que aumenta el número de componentes PTC, el área de disipación de calor promedio por unidad de componentes PTC disminuye, lo que lleva a un aumento en la densidad térmica de las láminas de cerámica PTC. Por ejemplo, un calentador eléctrico PTC con un tamaño de XX * 580 utiliza placas de cerámica de 32 * 12 * 2,4 mm. La potencia de 14 placas puede alcanzar los 900 W, pero la potencia de 20 placas solo puede alcanzar los 1000 W. Los datos muestran que la potencia de 14 placas es de 64 W, mientras que la potencia de 20 placas es de 50 W. Esto indica que el área de disipación de calor de la unidad disminuye con el aumento de las placas de cerámica, lo que genera una alta densidad de calor y un entorno de trabajo hostil, lo que puede aumentar fácilmente la probabilidad de avería.

La estructura interna del PTC está compuesta por granos y límites de grano. La resistencia del PTC también está compuesta por la resistencia del grano y del límite de grano. La resistencia del PTC a temperatura ambiente está determinada por los granos, y la resistencia es muy pequeña. Los límites de grano son conductores. Cuando la temperatura excede la temperatura de Curie, la resistencia del límite de grano aumenta bruscamente, alcanzando hasta varios cientos de kiloohmios o incluso megaohmios. Esto se debe a que durante el proceso de sinterización y enfriamiento del PTC, los límites de grano absorben suficientes átomos de oxígeno en una atmósfera de oxígeno, lo que aumenta la altura de la capa de barrera en los límites de grano y da como resultado excelentes características del PTC. Durante el uso, si la presión parcial de oxígeno en el entorno donde se encuentra el PTC es baja, la alta concentración de átomos de oxígeno en los límites de grano se difundirá gradualmente y se desbordará hacia la baja concentración exterior, lo que hará que la resistencia del límite de grano del PTC disminuya, la relación sustentación-arrastre disminuya y las características del PTC se deteriorarán gravemente, lo que finalmente conducirá a una mala resistencia al voltaje y a la ruptura del PTC.

La calidad de las láminas cerámicas PTC es un factor clave para determinar la resistencia a la tensión y la ruptura. Se deben seleccionar proveedores confiables y se debe realizar un estricto control de entrada de las láminas cerámicas PTC para seleccionar láminas PTC con alta resistencia a la tensión y alto coeficiente de temperatura.

Para reducir el contacto entre los calentadores PTC y las atmósferas reductoras durante el proceso de calentamiento, existe un método en la industria para reducir la difusión de átomos de oxígeno y mejorar la resistencia a la compresión recubriendo los bordes de las láminas de cerámica PTC con adhesivo.

⑶ Diseño de potencia de calentamiento eléctrico PTC