Conoscenza di base di PTC

PTC è l'abbreviazione di Positive Temperature Coefficient, generalmente riferito a materiali o componenti semiconduttori con un elevato coefficiente di temperatura positivo. Solitamente, quando si parla di PTC, ci si riferisce ai termistori a coefficiente di temperatura positivo, comunemente noti come termistori PTC. I termistori PTC sono un tipo di resistore a semiconduttore con sensibilità alla temperatura e quando la temperatura supera una determinata soglia (temperatura Curie), la loro resistenza aumenta bruscamente con l'aumento della temperatura.

I materiali ceramici sono comunemente usati come ottimi isolanti con elevata resistenza. I termistori PTC ceramici sono realizzati utilizzando titanato di bario come base e drogati con altri materiali ceramici policristallini, con conseguente resistenza e caratteristiche di semiconduttore inferiori. Ciò si ottiene attraverso il drogaggio intenzionale di un elemento chimico con una valenza più elevata come punto reticolare del cristallo. Parte degli ioni bario o ioni titanato nel reticolo vengono sostituiti dagli ioni di valenza più elevata, creando un certo numero di elettroni liberi che contribuiscono alla conduttività elettrica.

La ragione dell'effetto PTC (Positive Temperature Coefficient), cioè del brusco aumento della resistenza, risiede nell'organizzazione del materiale, che è costituito da tanti piccoli microcristalli. Alle interfacce di questi cristalli, note come confini di grano, si formano barriere che ostacolano il movimento degli elettroni nelle regioni adiacenti. Di conseguenza, la resistenza diventa elevata. Questo effetto è compensato alle basse temperature grazie all'elevata costante dielettrica e alla forza di polarizzazione spontanea ai bordi dei grani, che impediscono la formazione di barriere e consentono agli elettroni di fluire liberamente. Tuttavia, a temperature elevate, la costante dielettrica e la forza di polarizzazione diminuiscono significativamente, provocando un brusco aumento delle barriere e della resistenza, mostrando un forte effetto PTC.

Pesatura e miscelazione: i materiali, come carbonato di bario, biossido di titanio e altri additivi, vengono accuratamente pesati e miscelati per ottenere le proprietà elettriche e termiche richieste.

1. Macinazione ad umido: la miscela viene macinata ad umido per formare una pasta uniforme.

2. Disidratazione ed essiccazione: la pasta viene quindi disidratata ed essiccata per rimuovere l'umidità in eccesso.

3. Pressatura a secco: il materiale essiccato viene pressato a secco in varie forme, come dischi, rettangoli, anelli o strutture a nido d'ape.

4. Sinterizzazione: i pezzi grezzi pressati vengono sinterizzati ad alta temperatura (circa 1400 gradi) per formare componenti ceramici.

5. Applicazione degli elettrodi: gli elettrodi vengono applicati sulla superficie dei componenti in ceramica per renderli conduttivi.

6. Classificazione della resistenza: i componenti vengono sottoposti a selezione della resistenza per classificarli in base ai loro valori di resistenza.

7. Wire bonding: a seconda della struttura del prodotto finale, viene eseguito il wire bonding per collegare i componenti.

8. Incapsulamento isolante: i componenti sono racchiusi in materiale isolante per protezione.

9. Assemblaggio: I componenti vengono assemblati e, se richiesto, inseriti in involucri protettivi.

10. Test di resistenza alla tensione: i termistori PTC assemblati vengono sottoposti a test di resistenza alla tensione per garantirne la sicurezza elettrica.

11. Test di resistenza: la resistenza dei termistori PTC viene controllata per verificarne le prestazioni.

12. Test finale: vengono condotti test completi per valutare la funzionalità complessiva dei termistori PTC.

13. Imballaggio: i termistori PTC testati e approvati sono imballati per la spedizione.

14. Stoccaggio: i termistori PTC confezionati vengono conservati in un ambiente adatto fino alla distribuzione o all'utilizzo in varie applicazioni.

I termistori PTC mostrano una relazione dipendente dalla temperatura tra resistenza e temperatura, comunemente nota come caratteristica Resistenza-Temperatura (RT). La caratteristica RT descrive la dipendenza della resistenza a potenza zero del termistore PTC dalla sua temperatura, sotto una tensione specificata.

La resistenza a potenza zero si riferisce al valore di resistenza del termistore PTC misurato a una determinata temperatura, con una potenza applicata molto bassa, così bassa che la variazione di resistenza causata dalla dissipazione di potenza può essere trascurata. La resistenza nominale a potenza zero rappresenta il valore misurato a una temperatura ambiente di 25 gradi.

 

 

 

• Rmin: resistenza minima

• Tmin: temperatura in Rmin

• Rtc: 2 volte di Rmin

• Tc:

Il parametro chiave che caratterizza la qualità della caratteristica RT è il coefficiente di temperatura ( ), che riflette la pendenza della curva RT. Un coefficiente di temperatura più elevato ( ) indica che il termistore PTC è più sensibile alle variazioni di temperatura, con conseguente effetto PTC più pronunciato. In altre parole, un coefficiente di temperatura più elevato significa prestazioni migliori e una maggiore durata del termistore PTC.

Il coefficiente di temperatura ( ) di un termistore PTC è definito come la variazione relativa della resistenza causata da una variazione di temperatura. Può essere calcolato utilizzando la formula:=(log(R2) - log(R1)) / (T2 - T1)

Di solito, T1 viene preso come Tc + 15 grado e T2 come Tc + 25 grado, dove Tc è la temperatura Curie del termistore PTC.

 

VI Caratteristica

 

La caratteristica tensione-corrente (VI), nota anche come caratteristica corrente-tensione o semplicemente caratteristica VI, illustra l'interdipendenza tra tensione e corrente in un termistore PTC quando raggiunge l'equilibrio termico sotto carico elettrico.

 

 

 

• Ik: Corrente operativa alla tensione applicata Vk

• Ir: corrente residua quando viene applicata Vmax

• Vmax: tensione massima

• VN: tensione nominale

• VD: tensione di rottura

La caratteristica VI di un termistore PTC può generalmente essere divisa in tre regioni:

Regione lineare (0-Vk): in questa regione, la relazione tra tensione e corrente segue la legge di Ohm e non vi è alcuna variazione non lineare significativa. È anche conosciuta come regione di non azione perché il termistore PTC non presenta alcun cambiamento evidente nella sua resistenza.

Regione di transizione (Vk-Vmax): in questa regione, nota come regione di transizione o commutazione, la resistenza del termistore PTC subisce un rapido cambiamento a causa dell'autoriscaldamento. All'aumentare della tensione, la corrente diminuisce, determinando il passaggio del termistore PTC da uno stato a bassa resistenza a uno stato ad alta resistenza. Questa regione è chiamata anche regione di azione.

Regione di guasto (VD e superiore): in questa regione, nota come regione di guasto o intervento, la corrente aumenta con l'aumento della tensione. La resistenza del termistore PTC mostra una diminuzione esponenziale, con conseguente correnti più elevate per tensioni più elevate. Di conseguenza, la temperatura del termistore PTC aumenta, portando ad un'ulteriore diminuzione della resistenza. Alla fine, ciò può causare un guasto termico o l'intervento del termistore PTC.

La caratteristica VI è un riferimento importante per la protezione da sovracorrente fornita dai termistori PTC. Aiuta a determinare il comportamento del termistore in diverse condizioni di tensione e corrente, garantendo una protezione efficace contro un flusso di corrente eccessivo.

La caratteristica corrente-tempo si riferisce alla caratteristica di un termistore PTC in cui la corrente cambia nel tempo durante l'applicazione della tensione.

Quando la tensione viene inizialmente applicata al termistore PTC, la corrente in quel momento viene chiamata corrente di avvio. Quando il termistore PTC raggiunge l'equilibrio termico, la corrente rimanente viene definita corrente residua.

A una determinata temperatura ambiente, quando una corrente iniziale (assicurandosi che sia la corrente operativa) viene applicata al termistore PTC, il tempo impiegato dalla corrente per diminuire al 50% della corrente iniziale è chiamato tempo di risposta o costante del tempo di risposta. La caratteristica tempo-corrente è un riferimento importante per varie applicazioni dei termistori PTC, come la smagnetizzazione automatica, l'avvio ritardato e la protezione da sovraccarico.