Как високотемпературните термистори поддържат стабилност при екстремни температури?

Надеждна работа над 300 °C чрез керамични композити и легирани метални оксиди

Термисторите за високи температури използват специални керамични композити (по-точно, легирани оксиди на преходни метали със системи от манган, никел и кобалт (MNC)), чиято структура е оптимизирана за надеждна работа при температури над 300 градуса по Целзий. Цялата активност на полупроводника е ограничена в определена кристална структура, където йонното движение не е особено свободно. Излишъкът от редки земни елементи в сместа стабилизира състава в термистора и следователно се подобрява топлинната чувствителност. Производителите на термистори съобщават, че при използване на правилния химичен състав техните термистори променят съпротивлението си с по-малко от 0,5 % след 5000 цикъла на термично зареждане и разреждане (според стандарти ASTM). Контролът върху стабилизирането на въздушните мехурчета чрез итриево-стабилизирана циркония и спечаване в кислородно-богата среда помага да се постигне желаната микроструктура. Тази микроструктура позволява на термисторите да притежават много ниска устойчивост на топлинно-индуцирани пукнатини при излагане на екстремни термични цикли.

Проблеми с топлинното спояване на компонентите с течение на времето: утаяване на кристали  

Кристализирането при утаяване се е оказало проблематично, когато твърдото вещество се нагрява до достатъчно висока температура в продължение на продължителен период от време. Един от водещите методи за противодействие на този проблем е така нареченото многослойно съвместно изпичане. При многослойното съвместно изпичане множество слоеве термистори, както и изолационни материали, се спояват заедно в един-единствен цикъл на спечаване (около 1400 °C), за да се получи хомогенна, монолитна конструкция, която е целенасочено проектирана да компенсира механичното напрежение. Най-новите конструкции са показали намаляване на вътрешното механично напрежение (в рамките на конструкцията) под 50 % от обичайната стойност (средно напрежение) за конструкции, произведени чрез конвенционално вертикално натрупване (измерванията на напрежението след обработката на съвместно изпечени конструкции са извършени в съответствие с IEC 60539). След съвместното изпичане устройството се подлага на герметична алуминиева инкапсулация, за да се осигури плътно запечатване с вакуум (хелий). Резултатите от изпитанията показват скорост на хелиевата теч от < 1 × 10⁻⁸ atm·cm³/сек, което предотвратява проникването на газове (дрейф) в инкапсулираната област при температури над 250 °C. Коефициентите на термично разширение на материала за инкапсулиране (алумина) и на материала на термистора са добре съгласувани (в границите на ±1,5 ppm/°C), което помага да се потисне движението на зърнените граници с ≥80 % (след продължителен експлоатационен живот).

Тези техники означават, че компонентите могат да запазят своята точност с отклонение по-малко от 2 % след 10 000 часа при пълна работна температура.

Производителност при термична стабилност под реални условия на механично напрежение

Термисторите за високи температури трябва да запазват точността си не само в лабораторни условия, но и при комбинираното въздействие на термични цикли, химично въздействие и механични вибрации в реални условия.

Метрики за дългосрочно отклонение: промяна на съпротивлението по-малко от 2 % след 5000 часа при 250 °C (IEC 60751-2)

IEC 60751-2 определя стандартите за надеждност, които повечето компании се стремят да постигнат. При описанието на спецификациите за отрицателно отклонение се казва, че сензорите, които изпитват отклонение на съпротивлението по-малко от 2 %, са запазили това отклонение след непрекъснато използване в продължение на 5000 часа при температура 250 °C. За валидиране на тези спецификации производителите провеждат ускорени тестове за стареене, които имитират средата, в която оборудването ще работи. Тези тестове включват множество климатични камери за имитация на различни среди (напр. гореща и влажна), както и работа на оборудването при пълна мощност, за да се надвишат спецификациите. Освен това операционната температура на оборудването се променя бързо (напр. до 300 °C за по-малко от минута). За постигане на тези резултати производителите работят с материали, които имат стабилни кристални структури. Производството на тези материали изисква специфично легиране, внимателно отжигане за отстраняване на натрупаните напрежения и правилно фиксирана микроструктура, за да се постигне желаният крайен резултат.

Компромис между времето за отговор и точността при термичния мониторинг на високомощни преобразуватели

Изборът на подходящ термистор при работа с високомощни преобразуватели (>200 °C) изисква компромиси относно времето на отклик спрямо точността на измерванията. Дебелослойните сензори осигуряват време на отклик под половин секунда, което е доста добро, но имат дрейф на точността около 1,5 °C при бързи промени в натоварването. В противовес на това някои термисторни гранули, потопени в защитни покрития, постигат точност от 0,3 °C дори при бързи температурни промени над 50 °C в секунда, но имат време на отклик >3 секунди. При защитни елементи в IGBT-овете последствията от грешка са изключително сериозни и могат да доведат до ненужно изключване на системата или, обратно, до прегряване и разрушаване на устройството. Повечето инженери считат този тип системно проектиране и точността на измерванията за по-критичен параметър от времето на реакция.

Приложения на термистори за високи температури: измерване и защита

Прекъсвания поради прекомерна температура на намотките на двигателя с PTC с рязка превключвателна точка (120 °C – 200 °C)

За все по-голям брой промишлени електродвигатели ПТС термисторите стават задължителни като вградени устройства за защита на намотките на промишлените електродвигатели. Тези устройства са малки и в спокойно състояние имат ниско съпротивление. При достигане на прагова температура (обикновено между 120 и 200 °C) те значително увеличават своето съпротивление и прекъсват електрическата верига, за да предотвратят допълнително повишаване на температурата и да избегнат повреди. Те са конструирани така, че не превключват включено/изключено при всяко понижение и повишаване на температурата. В случая със сервомоторите, които могат да работят нормално при около 150 °C, повечето ПТС термистори, използвани за защита, имат точност в рамките на ±5 % при хиляди цикли на нагряване и охлаждане. Това е приет критерий за съответствие с IEC 60751-2. Те са изработени от издръжливи керамични материали, което им позволява да издържат на изискващи условия, при които присъства вибрация. Благодарение на тези качества ПТС термисторите могат да осигуряват надеждна термична защита без използването на допълнителни сензори или системи за управление.

Механизми на повреда и стратегии за тяхното предотвратяване за термистори, работещи при високи температури

Високите температури водят до специфични механизми на повреда за термисторите. Те включват многократно термично циклиране, което предизвиква микропукнатини поради различното топлинно разширение; промени в резистивните свойства, предизвикани от топлина, вследствие ускорена оксидация; уплътнения, които се разрушават и изместват калибрацията поради замърсяващи вещества; както и умора на лепените връзки, която е една от основните причини за електромеханични повреди, предизвикани от вибрации.

Трябва да започнем с материали, за да подобрим стратегиите за намаляване на рисковете. Вземете например допирани керамични материали, които могат да спрат нежеланото преустройство на кристалните структури. Съществуват и метални корпуси, заварени с лазер, които осигуряват почти идеално уплътняне срещу външни влияния. Има и междинни слоеве от молибдендисилицид, които компенсират различното термично разширение на отделните материали. Освен това, златните жични връзки се предпочитат пред алуминиевите, тъй като те работят по-добре от алуминиевите при температури над +400 °C, при които златото — металната жица — или други материали излизат от строя. Въпреки това, по-съвременните и превъзхождащи решения не се основават само на конструктивни компоненти. Например инженерите могат да регистрират повреди още преди те да се разпространят, чрез вградено наблюдение на електрическото съпротивление. В тези случаи предиктивният характер на подхода е идеален, тъй като е от решаващо значение в приложения, при които няма резервни системи.

Често задавани въпроси  

От какви материали се изготвят термисторите за високи температури?

Термисторите за високи температури обикновено се изготвят от керамика, тъй като могат да бъдат създадени чрез легирани системи от оксиди на преходни метали, които се основават на манган, никел и кобалт, и са предпочтителни поради по-ниската вероятност от повреда при високи температури.

Какво означава многослойно съвместно изпичане във връзка с термисторите?
При многослойното съвместно изпичане редуваните слоеве термистори и слоеве изолация се спояват в една и съща операция по изпичане, за да се получат монолитни структури, които по-добре понасят деформациите в сравнение с конвенционалните методи.

Как ПТС термисторите защитават намотките на електродвигателите?
ПТС термисторите осигуряват автономна защита, като увеличават своето съпротивление до такава степен, че веригата се прекъсва, за да се предотврати допълнителна повреда.