Rezystory PTC to termistory, czyli elementy elektroniczne, których przewodnictwo elektryczne zmienia się w zależności od temperatury. Dzięki tej właściwości znajdują szerokie zastosowanie w wielu obszarach techniki. W naszym poradniku przedstawiamy ich budowę, charakterystyczne cechy oraz typowe zastosowania.
PTC to skrót od Positive Temperature Coefficient – rezystorów o dodatnim współczynniku temperaturowym. Oznacza to, że ich opór rośnie wraz ze wzrostem temperatury. W niższych temperaturach przewodnictwo jest lepsze, dlatego tego typu elementy nazywa się także zimnymi przewodnikami. Właściwość ta odróżnia je od termistorów NTC, czyli gorących przewodników, w których opór maleje przy wzroście temperatury.
Ze względu na materiały, budowę i technologię produkcji, rezystory PTC dzieli się na dwie grupy: Rezystory z krzemu jako materiałem półprzewodnikowym, które mają liniową charakterystykę i są często stosowane jako czujniki temperatury.
Kaltleitery przełączające charakteryzują się nieliniową zależnością oporu od temperatury (tzw. nieliniowa krzywa R-T). Po nagrzaniu ich opór początkowo spada, aż do osiągnięcia wartości krytycznej. Po jej przekroczeniu gwałtownie rośnie.
Rezystory PTC tego typu znajdują zastosowanie w urządzeniach grzewczych i innych układach wymagających kontroli termicznej. Przykładem są zimne przewodniki z polikrystalicznych materiałów ceramicznych, które wykorzystuje się jako samoczynnie resetujące się bezpieczniki.
Termistory PTC opierają swoje działanie na właściwościach objętościowych domieszkowanego krzemu i charakteryzują się niemal liniową krzywą rezystancja–temperatura. Najczęściej wytwarza się je z wysokooczyszczonych płytek krzemowych. Przebieg krzywej zależy od rodzaju i ilości zastosowanej domieszki.
Przełączające się kaltleitery produkuje się z materiałów polikrystalicznych. Zazwyczaj zawierają one mieszaniny węglanu baru, tlenku tytanu oraz dodatków, takich jak tantal, dwutlenek krzemu czy mangan. Surowce są mielone, mieszane, prasowane w postaci krążków lub prostokątnych kształtek, a następnie spiekane. Kolejnym etapem jest nanoszenie kontaktów, powłok lub osłon ochronnych. Cały proces wymaga precyzyjnej kontroli czystości, ponieważ nawet minimalne zanieczyszczenia – na poziomie kilku części na milion – mogą znacząco zmienić właściwości cieplne i elektryczne elementu.
Polimerowe termistory PTC składają się z płytek z tworzywa sztucznego z zatopionymi ziarnami węgla. W niskiej temperaturze cząstki węgla pozostają w bliskim kontakcie, tworząc przewodzącą ścieżkę w strukturze elementu. Wraz ze wzrostem temperatury tworzywo rozszerza się, a odległości między ziarnami rosną, co powoduje zwiększenie całkowitej rezystancji.
W zależności od zastosowania termistory PTC mogą pracować w dwóch trybach: samonagrzewania oraz próbkowania, nazywanego także trybem zerowej mocy.
Tryb samonagrzewania
W tym przypadku wykorzystuje się zjawisko wzrostu temperatury termistora pod wpływem przyłożonego napięcia i przepływu odpowiedniego prądu. W pobliżu temperatury Curie rezystancja gwałtownie rośnie, co prowadzi do istotnego ograniczenia prądu. Zmiana oporu w tym zakresie może obejmować kilka rzędów wielkości w przedziale zaledwie kilku stopni. Przy stałym napięciu prąd stabilizuje się na określonym poziomie po osiągnięciu równowagi cieplnej. Temperatura równowagi zależy od wartości napięcia oraz zdolności odprowadzania ciepła. Tryb ten znajduje zastosowanie m.in. w układach opóźniających zależnych od temperatury.
Tryb próbkowania (zerowej mocy)
W tym trybie pobór prądu przez termistor jest tak niski, że praktycznie nie wpływa na jego temperaturę ani rezystancję. Dlatego wykorzystywany jest głównie do pomiaru temperatury, gdzie charakterystyka rezystancja–temperatura (R–T) służy jako punkt odniesienia.
Samoregulujące elementy grzejne
Gdy przez przełączający się termistor PTC płynie prąd, układ samoczynnie stabilizuje się w określonej temperaturze. Oznacza to, że gdy temperatura spada, rezystancja zimnego przewodnika PTC maleje. Przez element płynie większy prąd, a urządzenie nagrzewa się.
Wraz ze wzrostem temperatury rośnie rezystancja, co ogranicza przepływ prądu i prowadzi do samoczynnego schładzania. W ten sposób element osiąga punkt, w którym pobór mocy w szerokim zakresie pozostaje praktycznie niezależny od napięcia zasilania.
Termistory PTC produkowane są najczęściej z ceramiki w różnych kształtach i rozmiarach. Dzięki elastycznym możliwościom konstrukcyjnym ceramiczne grzałki PTC stanowią popularne rozwiązanie do generowania kontrolowanego ciepła elektrycznego.
Aby poprawić przekazywanie ciepła, elementy ceramiczne można montować na aluminiowych radiatorach lub siatkach. Stosuje się również specjalne farby grzewcze PTC nanoszone metodą sitodruku na podłoża polimerowe, co pozwala tworzyć cienkowarstwowe elementy grzejne PTC.
Ochrona przed prądem przeciążeniowym
Termistory PTC mogą pełnić funkcję ograniczników prądu lub bezpieczników samoresetujących w różnych układach elektrycznych.
W przypadku przeciążenia rośnie temperatura elementu oporowego i szybko osiąga wartość graniczną. Rezystancja gwałtownie wzrasta, a prąd w obwodzie zostaje ograniczony. Po usunięciu przyczyny przeciążenia lub zwarcia oraz schłodzeniu elementu, układ wraca do normalnej pracy.
Dzięki temu termistor działa jak automatyczny bezpiecznik wielokrotnego użytku. Najczęściej w tym zastosowaniu wykorzystuje się polimerowe termistory PTC..
Funkcja opóźnienia czasowego
Przejście termistora PTC ze stanu niskiej rezystancji do wysokiej może być wykorzystane jako element opóźniający w obwodach elektrycznych.
Czas przejścia zależy m.in. od wielkości elementu, temperatury otoczenia oraz przyłożonego napięcia.
Rozruch silników elektrycznych
Niektóre silniki posiadają osobne uzwojenie rozruchowe, które zasilane jest wyłącznie w momencie startu.
W takich układach można wykorzystać efekt samonagrzewania się termistora PTC włączonego szeregowo z uzwojeniem rozruchowym. Po włączeniu zasilania rezystancja PTC jest niska, dzięki czemu prąd przepływa przez uzwojenie. Wraz z rozruchem silnika element nagrzewa się i przechodzi w stan wysokiej rezystancji.
Czas potrzebny na to zjawisko dobiera się odpowiednio do wymaganego czasu rozruchu. Po ogrzaniu prąd płynący przez uzwojenie staje się znikomy, dzięki czemu może ono zostać odłączone.
Detekcja poziomu cieczy
Zastosowanie to opiera się na zmianie stałej strat cieplnych, gdy zwiększa się przekazywanie ciepła przez przewodzenie i konwekcję.
Kontakt elementu z cieczą lub zwiększony przepływ powietrza obniża jego temperaturę pracy i zwiększa moc potrzebną do utrzymania określonej temperatury.
Wzrost mocy można zmierzyć, co pozwala systemowi wykryć np. zanurzenie czujnika w cieczy.
Temperatura przejścia
PTC o charakterze przełączającym mają do punktu minimalnej rezystancji niewielki ujemny współczynnik temperaturowy. Powyżej tego punktu rezystancja rośnie wraz z temperaturą, aż do osiągnięcia temperatury przejścia. Nazywa się ją również temperaturą przełączania lub temperaturą Curie. To właśnie w tym momencie rezystancja gwałtownie zaczyna wzrastać. W praktyce temperatura Curie oznacza wartość, przy której rezystancja jest dwukrotnie większa od minimalnej..
Rezystancja minimalna
Najniższa wartość rezystancji, jaką można zmierzyć na danym elemencie PTC.
Rezystancja znamionowa
Określana zazwyczaj jako rezystancja w temperaturze 25°C. Służy do klasyfikacji czujników według ich wartości rezystancji. Pomiar odbywa się przy niskim prądzie, aby uniknąć samonagrzewania i zafałszowania wyniku.
Stała strat mocy
Wskazuje zależność między mocą doprowadzoną do elementu a wzrostem jego temperatury spowodowanym samonagrzewaniem. Wartość tej stałej zależy m.in. od materiałów przewodów wyprowadzeniowych, sposobu montażu, temperatury otoczenia, przewodnictwa cieplnego, konwekcji, a także wielkości i kształtu elementu. Stała strat mocy w dużym stopniu wpływa na poziom nagrzewania się termistora.
Prąd znamionowy
Maksymalny prąd, jaki może w sposób ciągły przepływać przez termistor PTC w określonych warunkach otoczenia. Jego wartość zależy od stałej strat mocy oraz krzywej R-T. Przekroczenie dopuszczalnego obciążenia prowadzi do spadku współczynnika temperaturowego, nadmiernego nagrzania i uszkodzenia elementu.
Napięcie znamionowe
Najwyższe napięcie, jakie można trwale przyłożyć do termistora PTC w określonych warunkach otoczenia. Podobnie jak prąd znamionowy, zależy ono od stałej strat mocy oraz krzywej R-T.