Cobzariu Ana-Maria 56RC Termorezistori cu semiconductori Structură, caracteristici, proprietăţi Termorezistentele sunt traductoare de temperatura care transforma variatia de temperatura a mediului controlat în variatia rezistentei elementului sensibil si se bazeaza pe proprietatea materialelor de a-si modifica rezistenta electrica în functie de temperature. Termorezistorii cu semiconductori se mai numesc și termistori. Termistoarele sunt semiconductoare a căror rezistență electrică variază cu temperatura. Ele sunt de două tipuri: - Termistoare cu coeficient de temperatură negativ(ntc) ; - Termistoare cu coeficient de temperatură pozitiv (PTC); Cel mai utilizat este termistorul NTC : având proprietatea că rezistența sa electrică scade exponențial atunci când temperatura crește și invers. Fabricarea lor se bazează pe amestecul unor pulberi de oxizi cu lianți, uscate și apoi sinterizate la temperaturi ridicate. Cele mai comune materiale includ oxid de fier, cobalt, nichel, cupru, zinc și titan. Prin varierea tipurilor de oxizi, proprietățile acestora, atmosfera și temperatura de sinterizare se pot obține termistoare cu diferite valori de rezistență și coeficienți de temperatura. Constructiv, termistoarele pot fi realizate în diferite forme: disc, perlă, de tip papuc închis pentru măsurări de contact pe suprafață, capsule metalice cu șurub montat pe suprafețe, montate în capsule standard de diode. Cele mai precise, stabile și care permit și măsurarea unor temperaturi ridicate sunt cele încapsulate ermetic în sticlă. Figura 1. Figura 2. În figura 2 se pot vedea două tipuri de termistoare încapsulate în sticlă, unul filiform, cilindric și altul în formă de picatură și dimensiunea lor comparativ cu o dioadă IN4148. În comparație cu termorezistențele cu platină, termistoarele au timpi de raspuns mai mici, dar sunt neliniare și au domeniu de lucru mult mai limitat. Deși notiunea de termistor este adesea asociată cu neliniaritate și imprecizie, se pot realiza termistoare cu sensibilitate ridicată și cu o precizie de +/-0.05ºC +/-0.01ºC pe domenii de temperatură de 50-70 ºC. Combinând precizia
ridicată cu posibilitatea actuală de masurare (prin tehnici numerice liniarizarea poate fi realizată cu tabele de echivalență stocate în memoria nevolatilă a adaptorului în timpul calibrării) se pot construi termometre bune și ieftine. Simbolul termistorului PTC Următorul simbol este utilizat pentru un termistor cu coeficient de temperatură pozitiv, conform standardului IEC. Simbolul termistorului PTC Standardul IEC Caracteristicile termistorilor PTC Comutarea termistorilor PTC se face, de obicei, din materiale ceramice policristaline care sunt foarte rezistive în starea lor inițială și sunt realizate semi-conductive prin adăugarea de dopanți. Acestea sunt utilizate în principal ca încălzitoare cu autoreglare PTC. Temperatura de tranziție a celor mai mulți termistori PTC este între 60 C și 120 C. Cu toate acestea, există dispozitive speciale de aplicație fabricate care pot comuta atât de joase ca 0 C sau până la 200 C. Silistorii au o caracteristică liniară de rezistență-temperatură, cu o pantă relativ mică în cea mai mare parte a intervalului lor operațional. Acestea pot prezenta un coeficient negativ de temperatură la temperaturi de peste 150 C. Silistorii au coeficienți de temperatură de rezistență de aproximativ 0,7 până la 0,8% C. Caracteristicile rezistenței-temperatură (R-T) ale unui termistor PTC și ale unui silistor
Temperatura de trecere (Tc) După cum se poate vedea din figură, comutatoarele termistorilor PTC au un coeficient de temperatură ușor negativ până la punctul de rezistență minimă. Deasupra acestui punct, el are un coeficient ușor pozitiv până la atingerea temperaturii de tranziție - TC. Această temperatură se numește întrerupător, trecere sau temperatura Curie. Temperatura comutatorului este temperatura la care rezistența termistorilor de tip PTC de comutare începe să crească rapid. Temperatura Curie este cea mai mare parte a timpului definită ca temperatura la care rezistența este de două ori valoarea rezistenței minime Rezistența minimă (Rmin) Rezistența minimă a unui termistor PTC este cea mai mică rezistență care poate fi măsurată pe un termistor PTC de tip comutator, așa cum se vede pe curba R-T. Acesta este punctul de pe curba după care coeficientul de temperatură devine pozitiv. Rezistența nominală (R25) Rezistența PTC evaluată este în mod normal definită ca rezistență la 25 C. Servește la clasificarea termistorilor în funcție de valoarea lor de rezistență. Se măsoară cu un curent scăzut care nu încălzește suficient termistorul pentru a afecta măsurarea. Constanta de disipare Constanta de disipare reprezintă relația dintre puterea aplicată și creșterea temperaturii corporale care rezultă din auto-încălzire. Unii dintre factorii care afectează constanta de disipare sunt: materialele din sârmă de contact, modul în care este montat termistorul, temperatura ambiantă, conducta de conducere sau căile de convecție între dispozitiv și împrejurimile sale, mărimea și chiar forma dispozitivului în sine. Constanta de disipare are un impact major asupra proprietatilor de auto-incalzire ale termistorului. Curentul nominal maxim Curentul nominal reprezintă curentul maxim care poate curge în mod constant printr-un termistor PTC în condiții ambientale specificate. Valoarea sa depinde de constanta de disipare si de curba R-T. Dacă termistorul este supraîncărcat până la punctul în care coeficientul de temperatură începe să scadă din nou, acest lucru va duce la o situație de putere rușinoasă și la distrugerea termistorului. Tensiunea nominală maximă Similar cu curentul nominal maxim, tensiunea nominală maximă reprezintă cea mai mare tensiune care poate fi aplicată continuu pe termistor în condiții ambientale specificate. De asemenea, valoarea lui depinde de constanta de disipare și de curba R-T Mod auto-încălzit Aplicațiile încălzite automat exploatează faptul că atunci când o tensiune este aplicată unui termistor și fluxul suficient de mare trece prin acesta, temperatura crește. Odată cu apropierea temperaturii Curie, rezistența crește dramatic, permițând fluxului mult mai puțin curent. Acest comportament poate fi văzut din figura din stânga. Modificarea rezistenței în apropierea temperaturii Curie poate avea mai multe ordine de mărime într-o perioadă de temperatură de numai câteva grade. Dacă tensiunea rămâne constantă, curentul se va stabiliza
la o anumită valoare, pe măsură ce termistorul atinge echilibrul termic. Temperatura de echilibru depinde de tensiunea aplicată, precum și de factorul de disipare termică al termistorului. Acest mod de operare este adesea utilizat în proiectarea circuitelor de întârziere în funcție de temperatură. Modul de detectare (putere zero) În acest mod de funcționare, consumul de energie al termistorului este atât de mic, încât are un efect neglijabil asupra temperaturii termistorului și, prin urmare, a rezistenței, spre deosebire de modul auto-încălzit. Modul de detectare este utilizat, de obicei, la măsurarea temperaturii folosind curba R-T ca referință Aplicații tipice pentru termistori PTC Încălzitoare autoreglabile Dacă există un curent care trece printr-un termistor PTC de comutare, acesta se va autostabiliza la o anumită temperatură. Aceasta înseamnă că dacă temperatura este scăzută, rezistența va scădea și ea, permițând fluxului mai mare de curent și astfel încălzirea dispozitivului. În mod similar, dacă temperatura este mărită, rezistența crește și ea, limitând curentul care trece prin dispozitiv, răcind-o astfel. Termistorul PTC a ajuns apoi la un punct în care puterea consumată este practic independentă de tensiune pe un domeniu de tensiune relativ mare. Aceste termistoare PTC sunt adesea fabricate din ceramică în diferite forme și dimensiuni și datorită flexibilității lor de proiectare, încălzitoarele ceramice PTC sunt o alegere excelentă pentru furnizarea căldurii electrice controlate. Pentru creșterea transferului de căldură, elementele de încălzire ceramice pot fi montate pe radiatoare de aluminiu sau în grilaje. Protecție la depășirea curentului Încălzitor de aer PTC Comutatoarele termorezistente PTC sunt utilizate ca limitatoare de curent în exces sau siguranțe resetabile în diverse circuite. În cazul unei situații de depășire a curentului, temperatura corpului termistor crește și atinge rapid temperatura de tranziție. Rezultatul este că rezistența termistorului PTC crește brusc, limitând curentul în circuit. Atunci când situația de depășire sau de scurtcircuit este rezolvată și termistorul este răcit din nou, circuitul va funcționa din nou în mod normal. În acest fel funcționează ca o siguranță automată resetabilă. În mod normal, termistorii PTC de polimer sunt utilizați pentru această aplicație. Ele sunt cunoscute sub diferite denumiri comerciale, cum ar fi polyfuse, polyswitch și multifuse.
Întârziere Siguranță PTC din polimeri O întârziere în timp a unui circuit poate fi asigurată utilizând timpul necesar pentru ca un termistor PTC să se încălzească suficient pentru a trece de la starea de rezistență scăzută la o stare de rezistență ridicată și invers. Timpul de întârziere depinde de dimensiunea, temperatura ambiantă și de tensiunea la care este conectat, precum și de circuitul în care este utilizat. Un exemplu de utilizare cu întârziere a timpului pentru termistorii PTC este utilizarea lor în lămpile fluorescente. Când se aplică prima putere, termistorul este în stare rece (temperatura camerei). Tensiunea lămpii este sub tensiunea de aprindere, iar curentul care circulă prin circuit încălzește în același timp electrozii și PTC. Când se atinge temperatura Curie, PTC se va comuta, tensiunea pe lampă va depăși tensiunea de aprindere și lampa va începe să funcționeze normal. Preîncălzirea electrozilor prelungește în mod semnificativ durata de viață a lămpii, motiv pentru care sunt utilizate termistoare PTC în astfel de circuite Pornirea motorului Unele motoare electrice au o înfășurare separată de pornire, care trebuie alimentată numai în timpul pornirii motorului. În astfel de cazuri, putem utiliza efectul de auto-încălzire al unui termistor PTC conectat în serie cu o astfel de înfășurare. Când circuitul este pornit, termistorul PTC are o rezistență scăzută, permițând curentului să treacă prin bobina de pornire. Pe măsură ce motorul pornește, termistorul PTC se încălzește și, la un moment dat, trece la o stare de rezistență ridicată. Timpul necesar pentru aceasta se calculează pe baza timpului de pornire necesar motorului. Odată încălzită, curentul prin termistor PTC devine neglijabil și acest lucru oprește curentul de înfășurare de pornire. Sensibilitatea la nivelul lichidului Aceste aplicații se bazează pe modificarea constantei de disipare atunci când conducerea și transferul de căldură prin convecție sunt mărită. O creștere a constantei de disipare, care rezultă din contactul dintre dispozitiv și un lichid sau un flux de aer mărit peste dispozitiv, va micșora temperatura de funcționare a termistorului și va crește cantitatea de energie necesară pentru a menține o anumită temperatură a corpului. Creșterea puterii poate fi măsurată și indică sistemului că termistorul este, de exemplu, scufundat într-un lichid.
Protecții în surse și consumatori prin termistoare PTC Protecțiile sunt absolut necesare atât în sursele de alimentare cu putere cât și în consumatorii dintr-un sistem, indiferent de complexitatea acestuia. Sursele de alimentare trebuie să aibă protecții la ieșire, la: scurtcircuit (SCP), supratensiune (OVP), subtensiune (ULP), supracurent (OCP), depășirea puterii (OPP/OLP). Sursele de alimentare trebuie să fie robuste: să poată fi solicitate și să nu se defecteze la porniri/opriri (manuale sau de la distanță) frecvente și repetate în timp. Pornirile și opririle repetate stresează componentele electronice reducând durata de utilizare (ex. Becul economic fluorescent sau cu LED-uri care conține o sursă cu comutare, nu suportă porniri/opriri frecvente, iar becul se arde prematur dacă nu are prevăzute protecții. Becul cu halogen nu este afectat de acest regim on/off). Puțini fabricanți specifică această caracteristică, dar ar fi normal un minim de 10.000 porniri/opriri cu sarcina nominală conectată, pe toată durata de viață estimată (altă caracteristică nespecificată de toți fabricanții de surse). Sursele de alimentare și alte dispozitive alimentate cu putere electrică trebuie să aibă protecție la supratemperatură (OTP), mai ales când funcționează la putere maximă și în condiții de mediu cu temperatură ridicată. Sursele de alimentare trebuie să aibă consum propriu mic de putere electrică în starea de așteptare a pornirii (standby), sub un nivel impus de standarde (ErP, EISA), pentru a nu fi considerate vampiri energetici. Un exemplu tipic este un invertor DC/AC conectat la o baterie de 12Vcc, pe care o poate epuiza energetic în așteptare, deoarece, chiar fără sarcină are un consum propriu semnificativ. (De ex. Invertorul Meanwell A301-600-F3 consumă 600mA fără sarcină, dar invertorul Steca Solarix MPPT 2010 consumă doar 10mA fără sarcină. Bineînțeles că, la caracteristici superioare prețul e mai mare!). Protecția la supratensiune la ieșire (OVP Over Voltage Protection) Protecția la supratensiune la ieșirea sursei este realizată de un circuit care monitorizează tensiunea la ieșire pentru ca aceasta să fie în limite sigure. Protecția la supratensiune (OVP) este obligatorie la toate sursele, iar pentru consumatori este obligatorie pe intrare. Nivelul de declanșare al protecției poate fi fixat mai sus de tensiunea nominală, dar acest nivel la care acționează protecția OVP poate reprezenta un nivel periculos, la care se distrug componente electronice. Astfel, se poate specifica la o sursă că variația normală a nivelului ieșirii este ±5% din nivelul nominal, dar protecția trebuie să acționeze la nivel cu cel puțin 2Vcc mai sus de acest nivel, dar respectând nivelul maxim de tensiune admisă de sarcină, când sursa poate fi funcțională, dar sarcina este afectată. Protecția la supratensiune se poate realiza simplu prin două metode: (1) protecția crowbar este protecție la supratensiune care scurtcircuitează ieșirea dacă tensiunea la ieșire depășește un nivel setat (schema este simplă: un circuit sesizează nivelul tensiunii și comandă un dispozitiv SCR Silicon Controlled Rectifier care va scurtcircuita ieșirea și va activa o siguranță ultrarapidă). Circuitul trebuie să asigure o întârziere relativ mică, pentru a evita distrugerea sarcinii. Siguranța va rămâne întreruptă și nu se asigură revenirea automată la modul normal de operare a sursei după dispariția supratensiunii, dar se poate indica optic că s-a acționat la o supratensiune. Pot apărea false depășiri ale tensiunii de ieșire la deconectarea unei sarcini inductive sau la descărcări electrostatice imprevizibile sau la prag de declanșare a protecției fixat la nivel apropiat de nivelul nominal al tensiunii. (2) protecţia clamping (clamping circuit)
limitează variațiile de tensiune în sus sau în jos față de un nivel de tensiune DC prestabilit, conducând vârfuri de curent mare pe durate scurte (peaks), repetitive, spre un nivel de referință. Se menține simplu tensiunea în limite non distructive pentru circuitele alimentate la tensiuni mici (ex. contactele releelor ce au sarcini inductive, sunt protejate cu diode). De asemenea, pot fi protejate prin protecția clamping componente electronice la descărcări ESD, la perturbații EMI, la tensiuni tranzitorii și fluctuații ce pot apare aleatoriu în sursele de putere, pe firele de conectare la alimentare, de comunicații sau de date. Diagrama Vout-Iout: (a) La foldback curentul Isc scade dramatic și tensiunea ajunge la zero (b) La limitare la curent constant Imax tensiunea este variabilă până la zero c) Dacă sursa nu are o limitare de curent, acesta atinge valoarea maximă posibilă Ifinal când sursa se defectează. Protecția la supracurent (OCP Over Current Protection) Această protecție este obligatorie. Standardul IEC 60950-1 obligă ca, niciun singur conductor dintr-un echipament de calcul să nu transporte o putere mai mare 240VA (curent maxim 20A, la tensiunea 12V). Protecția la supracurent se bazează pe un circuit specializat OVP și pe un senzor de curent (rezistor de putere mare, dar cu rezistență foarte mică, numit șunt) pe care se măsoară căderea de tensiune și se compară cu un nivel de referință. Se folosesc diverse metode de limitare a curentului: (1) la curent constant când sursa devine un generator de curent (curentul rămâne constant, dar tensiunea va tinde la zero); (2) fold-back (tensiunea tinde spre zero, dar curentul la ieșire se reduce la o valoare mai mică); (3) foldforward (tensiunea tinde spre zero, în timp ce curentul la ieșire crește, ca în cazul surselor care alimentează motoare electrice, pentru a putea compensa, la pornire, inerția electrică a motoarelor, pompelor sau a sarcinilor capacitive mari); (4) hiccup (la atingerea unei limite a curentului, tensiunea se reduce la zero și după un scurt timp revine la valoarea normală; la ieșire apar variații on/off, ca o oscilație, iar disiparea de putere este minimă); (5) oprirea funcționării sursei (shutdown) la apropierea de nivelul maxim admis pentru curent (current limit shutdown). În funcție de modelul sursei, aceasta poate să revină automat la operare normală, după dispariția cauzei sau poate fi necesară pornirea manuală sau de la distanță. Protecția la depășirea puterii / protecția la suprasarcină (OPP/OLP Over Power/Load Protection) Aceste protecții (OPP/OLP) au nume diferite, dar se referă la același lucru. Această protecție este opțională și acționează pentru oprirea sursei când se solicită o putere la consumator mai mare decât un nivel configurat. Protecția se realizează prin monitorizarea curentului la ieșirea sursei, iar la creșterea curentului peste o valoare fixată, se va declanșa protecția, oprind funcționarea sursei de alimentare.
Protecția la supratemperatură (OTP Over Temperature Protection) Această protecție este opțională și acționează la depășirea unui nivel al temperaturii în interior, considerat periculos. Temperatura se monitorizează cu un termistor, iar nivelul la care va acționa protecția este stabilit de fabricant. O sursă cu protecție la supratemperatură poate avea senzorul pus în interior pe etajul de putere pentru a opri sursa sau pentru a controla viteza unui ventilator de răcire forțată. Protecția la supratemperatură se poate referi și la sarcină, cum este cazul încărcătoarelor de baterii la care se reglează curentul de încărcare în funcție de temperatura bateriei, știind că la încălzire bateria se poate deteriora. Încărcătoarele de baterii considerate de calitate, cu nivele de încărcare, se livrează cu un senzor de temperatură extern care se poziționează pe baterie. Curentul de încărcare va fi corelat cu temperatura bateriei (scade curentul, când crește temperatura bateriei). Obligatoriu, la alegerea sursei de putere se analizează diagrama dependenței puterii la ieșire în funcție de temperatura ambiantă (puterea scade, la creșterea temperaturii), pentru ca sursa să poată debita puterea cerută de sarcină la temperatura maximă. Protecția prin termistoare PTC ceramice Un termistor PTC este un rezistor semiconductor sensibil termic. Valoarea rezistenței crește brusc odată cu creșterea temperaturii, când o temperatură definită (Temperatura de referință, numită Temperatură ferroelectric Curie) a fost depășită. Coeficientul de temperatură pozitiv foarte ridicat (PTC) al rezistenței peste temperatura de referință a dat numele termistor Standardele aplicabile sunt EN 60738-1, IEC 60738-1, DIN 44081 și DIN 44082. Termistoarele PTC ceramice sunt utilizate în locul siguranțelor pentru a proteja la supracurent circuite electronice, dar și motoare și transformatoare. Termistoarele se conectează în serie cu traseul de curent și răspund rapid la creșteri inadmisibile de curent, dar și la creșteri de temperatură. Puterea disipată este limitată prin creșterea rezistenței care va limita curentul, iar în contrast cu siguranțele care întrerup circuitul electric, termistoarele încetează limitarea când se răcesc, dacă curentul scade. Termistoarele PTC ceramice pot avea frecvente cicluri încălzire/răcire, fiind superioare PTC-urilor din materiale plastic Considerații la alegerea unui termistor ceramic PTC. Curentul maxim limitat (trebuie cât mai apropiat de curentul nominal, pentru o acționare rapidă la creștere) și tensiunea maximă ce poate apare (până la 1000V) pentru a ști puterea maximă ce trebuie disipată; ca precauție se înseriază un rezistor de valoare mică care va limita curentul în caz de scurtcircuit al PTC Dimensiunile PTC proporționale cu disiparea puterii maxime, pentru o revenire rapidă, dar și să permită poziționarea în montajul electronic. Curenții de valori mari se admit fără schimbarea valorii rezistenței, dacă dimensiunile sunt mari și asigură o răcire eficientă prin plasarea bine aleasă în mediu. EPCOS produce termistoare PTC care asigură o suprafață mare pentru o bună disipație, ce pot asigura o disipație de până la 200W per componentă. O răcire cu ventilator poate fi utilă. Temperatura ambiantă la care operează PTC pentru ca limitarea să nu se facă datorită în principal datorită variației temperaturii mediului; EPCOS oferă termistoare PTC pentru protecție la supracurent cu temperaturi de referință 80, 120, 130 și 160 C, iar curentul limitat va depinde de această temperatură de referință și de diametrul PTC. Rezistență PTC cât mai mică (câțiva ohmi), pentru o variație mică între curentul nominal și cel
limitat; se evită folosirea solvenților care afectează suprafața încapsulării PTC și astfel poate scade rezistența nominală. Durata perturbației care duce la limitarea curentului este adesea un factor neglijat; termistoarele EPCOS pot avea tensiunea de lucru de cel puțin 265Vac și pot rezista timp indefinit. Disiparea căldurii trebuie să fie asigurată prin circulație ușoară a aerului, pentru ca revenirea să fie rapidă. Avantajele termistoarelor 1) Când rezistențele sunt conectate în circuitul electric, căldura este disipată în circuit datorită curgerii curentului. Această căldură tinde să mărească temperatura rezistorului datorită căruia rezistența sa se schimbă. Pentru termistor, valoarea definitivă a rezistenței este atinsă în condițiile ambientale date datorită cărora efectul acestei căldură este redus. 2) În anumite cazuri, chiar și condițiile ambientale continuă să se schimbe, acest lucru este compensat de caracteristicile de temperatură negative ale termistorului. Acest lucru este destul de convenabil împotriva materialelor care au caracteristici de rezistență pozitive pentru temperatură. 3) Termistorii sunt utilizați nu numai pentru măsurarea temperaturii, ci și pentru măsurarea presiunii, a nivelului lichidului, a puterii etc. 4) Ele sunt de asemenea utilizate ca și controale, protectori de suprasarcină, avertizări etc. 5) Mărimea termistoarelor este foarte mică și are un cost foarte scăzut. Cu toate acestea, deoarece mărimea acestora este mică, acestea trebuie operate la niveluri mai scăzute.