Grundkenntnisse von PTC

PTC ist eine Abkürzung für Positive Temperature Coefficient und bezieht sich im Allgemeinen auf Halbleitermaterialien oder Komponenten mit einem großen positiven Temperaturkoeffizienten. Wenn wir von PTC sprechen, beziehen wir uns normalerweise auf Thermistoren mit positivem Temperaturkoeffizienten, allgemein bekannt als PTC-Thermistoren. PTC-Thermistoren sind eine Art Halbleiterwiderstand mit Temperaturempfindlichkeit. Wenn die Temperatur einen bestimmten Schwellenwert (Curie-Temperatur) überschreitet, steigt ihr Widerstand mit steigender Temperatur schlagartig an.

Keramische Materialien werden häufig als hervorragende Isolatoren mit hohem Widerstand verwendet. Keramische PTC-Thermistoren werden auf Basis von Bariumtitanat hergestellt und mit anderen polykristallinen Keramikmaterialien dotiert, was zu einem geringeren Widerstand und geringeren Halbleitereigenschaften führt. Dies wird durch die gezielte Dotierung eines chemischen Elements mit einer höheren Wertigkeit als Gitterpunkt des Kristalls erreicht. Ein Teil der Barium- oder Titanationen im Gitter wird durch höherwertige Ionen ersetzt, wodurch eine bestimmte Anzahl freier Elektronen entsteht, die zur elektrischen Leitfähigkeit beitragen.

Der Grund für den PTC-Effekt (Positive Temperature Coefficient), also den sprunghaften Widerstandsanstieg, liegt in der Organisation des Materials, das aus vielen kleinen Mikrokristallen besteht. An den Grenzflächen dieser Kristalle, sogenannten Korngrenzen, bilden sich Barrieren, die die Bewegung von Elektronen in benachbarte Regionen behindern. Dadurch wird der Widerstand hoch. Dieser Effekt wird bei niedrigen Temperaturen durch die hohe Dielektrizitätskonstante und die spontane Polarisationsstärke an den Korngrenzen ausgeglichen, die die Bildung von Barrieren verhindern und den Elektronen frei fließen lassen. Bei hohen Temperaturen nehmen jedoch die Dielektrizitätskonstante und die Polarisationsstärke deutlich ab, wodurch die Barrieren und der Widerstand stark ansteigen und ein starker PTC-Effekt entsteht.

Wiegen und Mischen: Die Materialien wie Bariumcarbonat, Titandioxid und andere Zusatzstoffe werden genau abgewogen und gemischt, um die erforderlichen elektrischen und thermischen Eigenschaften zu erreichen.

1. Nassmahlung: Die Mischung wird nass gemahlen, um eine gleichmäßige Paste zu bilden.

2. Dehydrierung und Trocknung: Die Paste wird dann dehydriert und getrocknet, um überschüssige Feuchtigkeit zu entfernen.

3. Trockenpressen: Das getrocknete Material wird trocken in verschiedene Formen gepresst, beispielsweise Scheiben, Rechtecke, Ringe oder Wabenstrukturen.

4. Sintern: Die gepressten Rohlinge werden bei hoher Temperatur (ca. 1400 Grad) zu Keramikbauteilen gesintert.

5. Elektrodenaufbringung: Auf der Oberfläche der Keramikbauteile werden Elektroden angebracht, um diese leitfähig zu machen.

6. Widerstandssortierung: Die Komponenten werden einer Widerstandssortierung unterzogen, um sie anhand ihrer Widerstandswerte zu klassifizieren.

7. Drahtbonden: Abhängig von der Struktur des Endprodukts wird Drahtbonden durchgeführt, um die Komponenten zu verbinden.

8. Isolierkapselung: Die Komponenten sind zum Schutz in Isoliermaterial eingeschlossen.

9. Montage: Die Komponenten werden zusammengebaut und bei Bedarf in Schutzhüllen verpackt.

10. Spannungsfestigkeitsprüfung: Die zusammengebauten PTC-Thermistoren werden einer Spannungsfestigkeitsprüfung unterzogen, um ihre elektrische Sicherheit sicherzustellen.

11. Widerstandsprüfung: Der Widerstand der PTC-Thermistoren wird überprüft, um ihre Leistung zu überprüfen.

12. Abschlussprüfung: Umfassende Tests werden durchgeführt, um die Gesamtfunktionalität der PTC-Thermistoren zu bewerten.

13. Verpackung: Die geprüften und zugelassenen PTC-Thermistoren werden für den Versand verpackt.

14. Lagerung: Die verpackten PTC-Thermistoren werden in einer geeigneten Umgebung gelagert, bis sie vertrieben oder in verschiedenen Anwendungen verwendet werden.

PTC-Thermistoren weisen eine temperaturabhängige Beziehung zwischen Widerstand und Temperatur auf, die allgemein als Widerstands-Temperatur-Charakteristik (RT) bekannt ist. Die RT-Kennlinie beschreibt die Abhängigkeit des Nullleistungswiderstands des PTC-Thermistors von seiner Temperatur bei einer vorgegebenen Spannung.

Der Nullleistungswiderstand bezieht sich auf den Widerstandswert des PTC-Thermistors, gemessen bei einer bestimmten Temperatur und einer sehr geringen angelegten Leistung, die so gering ist, dass die durch die Verlustleistung verursachte Widerstandsänderung vernachlässigt werden kann. Der Nenn-Nullstromwiderstand stellt den Wert dar, der bei einer Umgebungstemperatur von 25 Grad gemessen wird.

 

 

 

• Rmin: Mindestwiderstand

• Tmin: Temperatur in Rmin

• Rtc: 2 mal Rmin

• Tc:

Der Schlüsselparameter, der die Qualität der RT-Kennlinie charakterisiert, ist der Temperaturkoeffizient ( ), der die Steilheit der RT-Kurve widerspiegelt. Ein höherer Temperaturkoeffizient ( ) zeigt an, dass der PTC-Thermistor empfindlicher auf Temperaturänderungen reagiert, was zu einem ausgeprägteren PTC-Effekt führt. Mit anderen Worten bedeutet ein höherer Temperaturkoeffizient eine bessere Leistung und eine längere Lebensdauer des PTC-Thermistors.

Der Temperaturkoeffizient ( ) eines PTC-Thermistors ist definiert als die relative Widerstandsänderung, die durch eine Temperaturänderung verursacht wird. Sie kann mit der Formel berechnet werden:=(log(R2) - log(R1)) / (T2 - T1)

Normalerweise wird T1 als Tc + 15 Grad und T2 als Tc + 25 Grad angenommen, wobei Tc die Curie-Temperatur des PTC-Thermistors ist.

 

VI-Charakteristik

 

Die Spannungs-Strom-Kennlinie (VI), auch Strom-Spannungs-Kennlinie oder einfach VI-Kennlinie genannt, veranschaulicht die gegenseitige Abhängigkeit zwischen Spannung und Strom in einem PTC-Thermistor, wenn dieser unter elektrischer Last ein thermisches Gleichgewicht erreicht.

 

 

 

• Ik: Betriebsstrom bei angelegter Spannung Vk

• Ir: Reststrom bei Anlegen von Vmax

• Vmax: Maximale Spannung

• VN: Normalspannung

• VD: Durchbruchspannung

Die VI-Charakteristik eines PTC-Thermistors lässt sich grundsätzlich in drei Bereiche einteilen:

Linearer Bereich (0-Vk): In diesem Bereich folgt die Beziehung zwischen Spannung und Strom dem Ohmschen Gesetz und es gibt keine signifikante nichtlineare Variation. Er wird auch als wirkungsloser Bereich bezeichnet, da der PTC-Thermistor keine merklichen Widerstandsänderungen aufweist.

Übergangsbereich (Vk-Vmax): In diesem Bereich, der als Übergangs- oder Schaltbereich bezeichnet wird, erfährt der Widerstand des PTC-Thermistors aufgrund der Selbsterwärmung eine schnelle Änderung. Mit zunehmender Spannung nimmt der Strom ab, was dazu führt, dass der PTC-Thermistor von einem niederohmigen Zustand in einen hochohmigen Zustand wechselt. Dieser Bereich wird auch als Aktionsbereich bezeichnet.

Durchbruchbereich (VD und höher): In diesem Bereich, der als Durchbruch- oder Auslösebereich bezeichnet wird, steigt der Strom mit zunehmender Spannung. Der Widerstand des PTC-Thermistors nimmt exponentiell ab, was zu höheren Strömen bei höheren Spannungen führt. Dadurch steigt die Temperatur des PTC-Thermistors, was zu einer weiteren Verringerung des Widerstands führt. Dies kann schließlich zu einem thermischen Ausfall oder einer Auslösung des PTC-Thermistors führen.

Die VI-Kennlinie ist eine wichtige Referenz für den Überstromschutz durch PTC-Thermistoren. Es hilft dabei, das Verhalten des Thermistors unter verschiedenen Spannungs- und Strombedingungen zu bestimmen und sorgt so für einen wirksamen Schutz gegen übermäßigen Stromfluss.

Unter Strom-Zeit-Charakteristik versteht man die Charakteristik eines PTC-Thermistors, bei der sich der Strom beim Anlegen einer Spannung mit der Zeit ändert.

Wenn zum ersten Mal Spannung an den PTC-Thermistor angelegt wird, wird der Strom in diesem Moment als Anlaufstrom bezeichnet. Wenn der PTC-Thermistor das thermische Gleichgewicht erreicht, wird der verbleibende Strom als Reststrom bezeichnet.

Wenn bei einer bestimmten Umgebungstemperatur ein Anfangsstrom (der den Betriebsstrom darstellt) an den PTC-Thermistor angelegt wird, wird die Zeit, die der Strom benötigt, um auf 50 % des Anlaufstroms abzusinken, als Reaktionszeit oder Reaktionszeitkonstante bezeichnet. Die Strom-Zeit-Kennlinie ist eine wichtige Referenz für verschiedene Anwendungen von PTC-Thermistoren, wie z. B. automatische Entmagnetisierung, verzögerter Anlauf und Überlastschutz.