Prinsip menahan tegangan dan kerusakan pemanas PTC keramik pada AC otomotif
Tinggalkan pesan
PTC adalah jenis keramik termosensitif semikonduktor, disingkat keramik termosensitif koefisien suhu positif, yang termasuk jenis material baru dengan aplikasi yang sangat luas. Dengan menerapkan suhu resistansi nonlinier keramik PTC, ia dapat dikembangkan dan diterapkan di berbagai bidang. Misalnya, penggunaan pemanas bergelombang PTC keramik di AC menjadi semakin luas. Salah satu fitur utamanya adalah kinerja keamanannya. Ketika kipas tidak berfungsi dan berhenti bekerja, daya pemanas PTC secara otomatis akan turun tajam karena pembuangan panas yang tidak mencukupi. Pada saat ini, suhu permukaan pemanas dipertahankan pada sekitar suhu Curie (biasanya sekitar 250 derajat), agar tidak menghasilkan fenomena "kemerahan" pada permukaan pemanas tabung pemanas listrik.
Efek 2PTC
Ada berbagai model teoritis untuk menjelaskan efek PTC dari keramik semikonduktor BaTiO3, di antaranya model penghalang permukaan yang dikemukakan oleh Heywang dan model kekosongan barium yang dikemukakan oleh Daniels et al. lebih matang dan diakui oleh sebagian besar peneliti.
Alasan terjadinya efek PTC dapat dikaitkan dengan keberadaan lapisan penghalang potensial yang disebabkan oleh keadaan permukaan akseptor pada batas butir bahan semikonduktor BaTiO3 polikristalin. Resistivitas bahan tersebut terdiri dari dua bagian: resistansi badan butir dan penghalang keadaan permukaan butir. Saat suhu meningkat, resistivitas bahan akan berubah beberapa kali lipat.
Termistor PTC keramik diproduksi berdasarkan barium titanat dan didoping dengan bahan keramik polikristalin lainnya, dengan resistansi dan sifat semikonduktor yang lebih rendah. Dengan sengaja mendoping bahan dengan valensi kimia yang lebih tinggi sebagai elemen kisi kristal, sebagian ion barium atau ion titanat dalam kisi digantikan oleh ion valensi yang lebih tinggi, menghasilkan sejumlah elektron bebas yang menghasilkan konduktivitas. Alasan untuk efek termistor PTC, yang merupakan peningkatan bertahap dalam nilai resistansi, adalah bahwa struktur material terdiri dari banyak mikrokristal kecil, yang membentuk penghalang potensial pada batas butir (grain boundary), menghalangi elektron melewati batas dan memasuki wilayah yang berdekatan, sehingga menghasilkan resistansi yang tinggi. Efek ini dibatalkan pada suhu rendah: konstanta dielektrik yang tinggi dan kekuatan polarisasi spontan pada batas butir menghalangi pembentukan penghalang potensial dan memungkinkan elektron mengalir bebas pada suhu rendah. Pada suhu tinggi, efek ini secara signifikan mengurangi konstanta dielektrik dan intensitas polarisasi, yang menyebabkan peningkatan signifikan dalam hambatan potensial dan resistansi, menunjukkan efek PTC yang kuat.
Karakteristik suhu resistansi (karakteristik RT) PTC keramik
Karakteristik suhu resistansi, yang umumnya disebut sebagai karakteristik suhu resistansi, mengacu pada hubungan antara resistansi daya nol dari termistor PTC dan suhu badan resistor pada tegangan tertentu. Karena perubahan cepat dan drastis pada suhu permukaan dan nilai resistansi termistor PTC setelah daya hidup, umumnya sulit untuk mengukur kurva karakteristik suhu resistansi dalam keadaan daya. Kurva karakteristik suhu resistansi biasanya diperoleh dengan menempatkan chip PTC keramik yang tidak terhubung dalam oven, mengatur suhu untuk menstabilkan dan mengukur nilai resistansi yang sesuai pada berbagai suhu, dan akhirnya menggambar kurva karakteristik suhu resistansi.
Resistensi saklar R c
R p resistansi kerja maksimum
R maks resistansi maksimum
R mim resistansi minimum
Suhu Curie T c
T p suhu operasi maksimum
T maks suhu maksimum
T min suhu minimum
Parameter penting yang mencirikan karakteristik suhu resistansi adalah koefisien suhu, yang mencerminkan kecuraman kurva karakteristik suhu resistansi. Termistor PTC koefisien suhu lebih sensitif terhadap perubahan suhu, yaitu, semakin signifikan efek PTC, semakin baik kinerja termistor PTC yang sesuai, dan semakin lama masa pakainya. Koefisien suhu termistor PTC didefinisikan sebagai perubahan relatif dalam resistansi yang disebabkan oleh perubahan suhu. =(lgR2-lgR1)/(T2-T1), secara umum, T1 mengambil Tc+15 derajat, dan T2 mengambil Tc+25 derajat untuk menghitung koefisien suhu.
Karakteristik Volt Ampere (Karakteristik VI) PTC Keramik
Karakteristik arus tegangan, disingkat sebagai karakteristik volt ampere, menunjukkan saling ketergantungan antara tegangan dan arus pada termistor PTC saat dikenakan beban listrik untuk mencapai keseimbangan termal. Saat termistor PTC keramik dinyalakan, arus meningkat dengan cepat seiring dengan peningkatan tegangan. Saat suhu Curie tercapai, arus mencapai maksimumnya, dan termistor PTC memasuki wilayah PTC. Karakteristik volt ampere dari termistor PTC secara kasar dapat dibagi menjadi tiga wilayah:
Daerah antara 0-Vk disebut daerah linier, dan hubungan antara tegangan dan arus di daerah ini pada dasarnya sesuai dengan hukum Ohm, tanpa perubahan nonlinier yang signifikan, yang juga dikenal sebagai daerah nonaksi.
Area antara Vk dan Vmax disebut zona loncat. Pada saat ini, karena pemanasan sendiri termistor PTC, nilai resistansi mengalami loncatan, dan arus berkurang seiring dengan peningkatan tegangan. Oleh karena itu, area ini juga dikenal sebagai zona aksi. Produk sisa arus dan tegangan di area ini tetap konstan, menunjukkan karakteristik daya konstan. Karena rentang tegangan yang lebar di area karakteristik daya konstan, bahkan jika tegangan berubah, termistor PTC masih mempertahankan suhu tertentu.
Daerah di atas VD disebut zona breakdown. Pada saat ini, arus meningkat seiring dengan peningkatan voltase, dan resistansi termistor PTC menurun secara eksponensial. Oleh karena itu, semakin tinggi voltase dan arus, semakin tinggi suhu termistor PTC, dan semakin rendah resistansinya. Hal ini dengan cepat menyebabkan kerusakan termal termistor PTC.
Mekanisme pemecahan komponen PTC
Kerusakan komponen PTC keramik terutama dibagi menjadi kerusakan batas butir dan kerusakan termal.
5.1 Kerusakan batas butir: Kerusakan yang disebabkan oleh tegangan berlebih yang diterapkan pada beberapa batas butir karena pertumbuhan abnormal atau distribusi butir yang tidak merata disebut kerusakan batas butir.
1963 G Goodman menunjukkan bahwa doping semikonduktor tunggal BaTiO3 kristal tunggal tidak menunjukkan efek PTC, sedangkan doping keramik BaTiO3 polikristalin menunjukkan efek PTC. Sejak saat itu, PTC secara umum diklasifikasikan sebagai fenomena batas butir secara internasional. Dalam komponen PTC, butir termasuk semikonduktor, dan batas butir termasuk lapisan isolasi, yang merupakan penghalang potensial. Medan listrik eksternal terutama diterapkan pada lapisan batas butir. Semakin kecil ukuran butir, semakin banyak batas butir per satuan ketebalan, dan semakin kecil tegangan efektif yang dialokasikan ke setiap batas butir, yang mengakibatkan penurunan efek piezoresistif dan peningkatan resistansi tegangan. Jika ukuran butir lebih tidak rata, ada kemungkinan untuk memiliki beberapa butir yang lebih besar atau abnormal dalam keramik, yang membentuk saluran dengan resistivitas lebih rendah dan mengurangi resistansi tegangan. Menambahkan aditif tertentu dengan tepat dan meningkatkan kondisi pemanasan proses sintering dalam produksi aktual dapat secara efektif mencegah pembentukan butir abnormal. Dalam produksi aktual, lembaran keramik PTC dengan butiran abnormal dapat dideteksi melalui uji tegangan tahan antar kutub 600V.
Kerusakan termal: Titik kerja komponen PTC melewati titik tertinggi karakteristik suhu resistansi dan memasuki tahap NTC, menyebabkan kenaikan suhu yang tajam dan mengakibatkan kerusakan termal. Faktor-faktor yang memengaruhi kerusakan termal terutama terkait dengan efek tegangan, suhu kerja, atmosfer lingkungan, dan metode pengujian tegangan antar kutub.
Kurva karakteristik suhu resistansi PTC ditunjukkan pada kurva A pada gambar, yang menunjukkan bahwa saat suhu meningkat, nilai resistansi meningkat selangkah demi selangkah. PTC dengan titik Curie 250 derajat mencapai nilai maksimumnya pada sekitar 320 derajat (dikenal sebagai suhu titik belok), yang sekitar beberapa ratus kiloohm atau lebih. Jika suhu naik lagi setelah mencapai titik belok, karakteristik RT komponen menunjukkan karakteristik NTC, yaitu, saat suhu meningkat, resistansi menurun.
Kurva di atas diukur oleh PTC dalam kondisi daya nol, yaitu, arus uji kurang dari 2mA (arus ini tidak akan menyebabkan PTC memanas), yang merupakan karakteristik RT statis. Faktanya, ketika PTC dibebani dengan tegangan, amplitudo perubahan resistansi terhadap suhu (rasio kenaikan terhadap resistansi) akan menurun secara signifikan, dan kurva karakteristik suhu resistansi akan cenderung datar, seperti yang ditunjukkan pada kurva B pada gambar. Itulah yang disebut efek tegangan. Semakin tinggi tegangan, semakin jelas efek tegangan PTC. Jadi selama proses pengujian tegangan tahan 500V, lembaran keramik PTC dengan kinerja yang buruk rentan terhadap kerusakan, dan semakin tinggi tegangan uji, semakin besar kemungkinan kerusakan. Menurut standar industri PTC saat ini, uji tegangan tahan untuk inspeksi pabrik umum dilakukan pada tegangan 500V.
Setelah menerapkan tegangan tertentu ke PTC, panas yang dihasilkan dengan sendirinya mencapai keadaan kesetimbangan dengan pertukaran panas eksternal, dan suhu dalam keadaan kesetimbangan ini disebut suhu kerja. Faktor-faktor yang mempengaruhi suhu kerja terkait dengan tegangan yang diterapkan dan kondisi pembuangan panas. Mengambil PTC keramik dengan titik Curie 250 derajat sebagai contoh ketika diuji dalam kondisi ventilasi tertentu, ketika tegangan 220V diterapkan, suhu kerja PTC keramik adalah 258 derajat. Saat tegangan meningkat, suhu kerjanya juga meningkat. Ketika tegangan 500V diterapkan, suhu kerja PTC keramik adalah 281 derajat, yang mendekati suhu titik balik 320 derajat. PTC keramik rentan terhadap kerusakan. Dalam kondisi non ventilasi, kondisi pembuangan panas pemanas PTC keramik menjadi lebih buruk. Pada saat ini, uji tegangan tahan yang lebih tinggi lebih mungkin mendekati titik balik, yang menyebabkan peningkatan proporsi tingkat kegagalan kerusakan. Oleh karena itu, untuk pemanas PTC keramik dengan tegangan pengenal 220V dan titik Curie 250 derajat, tegangan pengenal diuji di bawah tegangan tahan 500V tanpa ventilasi, sehingga tegangan pengenalnya adalah 500V. Pemilihan lembaran keramik PTC dengan 220V dan titik Curie 250 derajat, dan kisaran pemilihan tipikal untuk resistor R25 suhu ruangan
Kondisi pembuangan panas mencakup faktor-faktor seperti ukuran pipa dan strip aluminium, jarak antara pelat bergelombang, posisi pemasangan pemanas listrik PTC di dalam AC, dan apakah saluran udara masuk akal. Semakin besar ukuran tabung aluminium dan strip aluminium, semakin baik kondisi pembuangan panasnya. Pengurangan jarak yang tepat antara pelat bergelombang dapat meningkatkan luas pelat bergelombang, yang meningkatkan kondisi pembuangan panas. Sudut pemasangan pemanas listrik PTC di dalam AC lebih kondusif untuk aliran udara yang melewati pelat bergelombang, yang meningkatkan kondisi pembuangan panas. Semakin kondusif desain saluran udara AC terhadap sirkulasi aliran udara, semakin baik kondisi pembuangan panas PTC.
Selain itu, pemilihan daya juga merupakan faktor kunci yang memengaruhi kondisi pembuangan panas. Untuk meningkatkan daya pemanas pemanas, peningkatan jumlah komponen PTC digunakan, yang mengakibatkan setiap komponen tidak dapat sepenuhnya memanfaatkan daya pemanasnya dan peningkatan suhu kerja internal. Alasan utamanya adalah setelah ukuran desain pemanas listrik PTC ditentukan, area pembuangan panasnya juga ditentukan. Ketika jumlah komponen PTC meningkat, area pembuangan panas rata-rata per unit komponen PTC menurun, yang mengarah pada peningkatan kepadatan termal lembaran keramik PTC. Misalnya, pemanas listrik PTC dengan ukuran XX * 580 menggunakan pelat keramik 32 * 12 * 2,4 mm. Daya 14 pelat dapat mencapai 900 W, tetapi daya 20 pelat hanya dapat mencapai 1000 W. Data menunjukkan bahwa daya 14 pelat adalah 64 W, sedangkan daya 20 pelat adalah 50 W. Hal ini menunjukkan bahwa area pembuangan panas unit berkurang seiring dengan bertambahnya pelat keramik, sehingga menghasilkan kepadatan panas yang tinggi dan lingkungan kerja yang keras, yang dapat dengan mudah meningkatkan kemungkinan kerusakan.
Struktur internal PTC tersusun dari butiran dan batas butiran. Resistansi PTC juga tersusun dari butiran dan resistansi batas butiran. Resistansi PTC pada suhu ruangan ditentukan oleh butiran, dan resistansinya sangat kecil. Batas butiran bersifat konduktif. Ketika suhu melebihi suhu Curie, resistansi batas butiran meningkat tajam, mencapai hingga beberapa ratus kiloohm atau bahkan megaohm. Hal ini karena selama proses sintering dan pendinginan PTC, batas butiran menyerap cukup banyak atom oksigen dalam atmosfer oksigen, meningkatkan tinggi lapisan penghalang pada batas butiran dan menghasilkan karakteristik PTC yang sangat baik. Selama penggunaan, jika tekanan parsial oksigen di lingkungan tempat PTC berada rendah, konsentrasi tinggi atom oksigen pada batas butiran secara bertahap akan berdifusi dan meluap ke konsentrasi rendah di luar, menyebabkan resistansi batas butiran PTC menurun, rasio angkat terhadap tarikan menurun, dan karakteristik PTC akan memburuk secara serius, yang pada akhirnya menyebabkan resistansi tegangan yang buruk dan kerusakan PTC.
Kualitas lembaran PTC keramik merupakan faktor kunci dalam menentukan ketahanan tegangan dan kerusakan. Pemasok yang andal harus dipilih, dan penyaringan ketat lembaran PTC keramik harus dilakukan untuk memilih lembaran PTC dengan ketahanan tegangan tinggi dan koefisien suhu tinggi.
Untuk mengurangi kontak antara pemanas PTC dan atmosfer reduksi selama proses pemanasan, ada metode dalam industri untuk mengurangi difusi atom oksigen dan meningkatkan kekuatan tekan dengan melapisi tepi lembaran keramik PTC dengan perekat.
⑶ Desain daya pemanas listrik PTC
