EN
Много неща се случват, които не могат да бъдат предвидени, когато термисторите се използват при температури, които не са посочени от производителя. Например при температури около минус петдесет (–50) градуса Целзий започват да възникват проблеми при използването на термистори с NTC-характеристики. Наблюдават се драматични увеличения на съпротивлението — от 300 % до 500 % или дори повече, — които изобщо не са линейни. Тъй като носителите на заряд не се преместват свободно, те се „залавят“ и ограничават. А какво става при другия край на температурния диапазон? Високите ефективни температури около сто и петдесет (150) градуса Целзий преминават друг праг на деградация. Когато в полупроводника се добавя все повече енергия (във форма на топлина), настъпва разрушаване на структурата му. Приложим е законът на Мур: общото съпротивление на материала намалява, тъй като броят на свободните електрони и общият заряд нарастват. Обикновено това явление следва закона на Арениус. Въпреки това могат да възникнат екстремни и неконтролирани условия. Експерти са наблюдавали, че при всяко допълнително повишаване на температурата с 10 градуса над 150 °C топлината може да „изсмуче“ от 15 % до 25 % от ефективното съпротивление.
Тези разлики могат да направят сензорите ненадеждни за задачи, изискващи най-висока точност, като например измерване на температурите в полярни изследователски станции и мониторинг на реактивни двигатели по време на полет. В полярните изследователски станции дори разлика от половин градус може да означава разликата между успех и провал.
Материално-специфично деградиране на коефициентите бета и алфа
Конструкцията и опаковъчните материали определят издръжливостта на термисторите при въздействие на високи и ниски екстремни температури. Например термисторите с отрицателен температурен коефициент (NTC) от оксид на манган и никел могат да загубят до 40 % от своите бета-коефициенти поради необратими промени в кристалната структура при излагане на температури около 200 °C. Термисторите, базирани на кобалт, проявяват собствени уникални характеристики. При излагане на температури под 0 °C тези термистори изпитват дрейф на алфа-коефициента от ±0,5 °C и по-малко от 0,5 °C на месец, тъй като в кристалната им структура се образуват микроскопични дефекти поради споменатото ниско температурно въздействие. Един от най-интересните и загадъчни факти относно конструкцията и опаковането на термисторите е тяхното влияние върху надеждността. Например при термично циклиране термисторите с епоксидно покритие излизат от строя приблизително три пъти по-бързо от термисторите със стъклено покритие, особено в контекста на нестабилност на бета-коефициента. Термисторите с епоксидно покритие изпитват нестабилност от 0,8 % на всеки 1000 часа при 125 °C, докато термисторите със стъклено покритие изпитват нестабилност от 0,25 % за същия период.
Различните типове откази означават, че инженерите трябва да проявяват внимание при избора на материали за определени приложения. Това включва сензори, използвани при дълбоко бурене или в медицински устройства, които съхраняват течности при температури над 100 градуса и изискват точни измервания в продължение на дълги периоди.
Оптимизиране на избора на термистори за приложения при екстремни температури
Съответствие между типа капсулиране (стъкло срещу епоксидна смола) и конкретните експлоатационни условия
Тип капсулиране и производителност на термисторите в тежки експлоатационни условия
Начинът, по който се извършва инкапсулирането на материала, определя степента, до която термисторите могат да издържат суровите условия в средата, в която работят. При стъклена инкапсулация термисторите могат да функционират надеждно в среди с температура до 250 °C и до –80 °C — което представлява много широк температурен диапазон. Те осигуряват водонепроницаемо уплътнение и изключително пълна бариера, която предпазва устройствата от проникване на влага, както и от химично въздействие и от физически разрушителни фактори. Затова стъклено инкапсулираните термистори се използват в отлични приложения като автомобилни двигатели, контролни системи за промишлени пещи и батерийни пакети за електромобили (EV). По-евтините термистори с епоксидна инкапсулация, от друга страна, имат ограничения: те могат да набъбват при контакт с разтворители, да се цепят при температурни промени над 200 °C за много кратко време и да губят йонната си непроницаемост при влажни или солени условия. В този смисъл проектирането на сензорите изисква от конструкторите да вземат предвид множество фактори.
Химическа устойчивост: Стъклото е устойчиво на въглеводороди и почистващи разтворители; епоксидната смола може да се пластичизира или да се отдели в слоеве.
Устойчивост на топлинен шок: Стъклото е единственият материал сред оценените устройства, който издържа повтарящи се цикли при температури над 200 °C без образуване на микропукнатини.
Герметичност: За медицинско ниво на инкапсулиране на електронни системи е задължително използването на стъклена инкапсулация, включително за системи за електромобили (EV) с високо напрежение, където токът на пропускане трябва да е по-малък от 1 нА.
Балансиране на разширен температурен диапазон с топлинна времева константа
Балансирането на широк температурен диапазон и бърз времеви отклик е значителна проектирана предизвикателство. Въпреки че миниатюрните термистори с топлинно зърно могат да осигурят време на реакция от един процент, те обикновено се считат за ненадеждни при температури над 150 градуса по Целзий. От другата страна, по-големите стъклени термистори с топлинно зърно реагират, но едва след 10 до 30 секунди. Откриването на топлинен разгон в батерии е голямо предизвикателство; при него се изисква времето на отклик да е по-малко от 3 секунди при 200 градуса по Целзий, поради което водещите производители избират хибридни конструкции. Просто казано, те комбинират различни топлинни маси и разполагат бързореагиращи термистори във върха и стабилни термистори в основата. Освен това собствената изолирана никелирана алумина, използвана в много конструкции, осигурява по-добър отклик към топлина и електричество. Днес „интелигентните“ системи са проектирани така, че да прогнозират времето на отклик и да правят корекции за контролиране на това време.
Изследванията показват, че когато инженерите обръщат еднакво внимание както на безопасността, така и на скоростта, броят на отказите намалява с 34 % при работа на системите в изключително студени условия. Това означава, че времето за отговор трябва да се проектира така, че да осигурява безопасна работа в реалните експлоатационни условия, а не да се изтегля до крайни стойности.
Надеждност на термисторите в реални условия: стабилност, дрейф и устойчивост към шум
Дългосрочна стабилност срещу краткосрочна възпроизводимост при висока влажност и вибрации
Когато се говори за надеждност в тежки условия, трябва да се разграничат дългосрочната стабилност и краткосрочната възпроизводимост. Дългосрочната стабилност се отнася до това колко незначително, ако изобщо, се променя отговорът на съпротивлението в продължение на много години, докато краткосрочната възпроизводимост се отнася до това дали отговорът остава постоянен при бързи температурни промени или внезапни удари. За големи батерии или метеорологични станции с NTC-сензори, покрити с епоксидна смола, ако годишното отклонение надвишава ±0,1 °C (нещо, което лесно и често се случва), системата ще изпита забавяния и по-високи разходи поради чести калибрации. От друга страна, малки пукнатини, причинени от механични вибрации, могат неблагоприятно да повлияят върху краткосрочните измервания и да увеличат нивото на шум до 15 %. Разбира се, има и вредното и разрушително влияние на влажността. Влагата се абсорбира от полимерното покритие и, когато оборудването е изложено на многократни промени в точката на оросяване, основните нива на съпротивление се променят, а ефектите от хистерезиса се увеличават значително.
Фактор: Фокус върху стабилност с течение на времето, фокус върху повторяемост с течение на времето
Екологични стресори: термично остаряване, окисление, йонна миграция; механични вибрации, бърза температурна промяна, механичен удар
Ключов показател: дрейф (в ppm/година), последователност на измерванията (стандартно отклонение < 0,05 °C)
Приоритет при проектирането: герметично запечатване (стъклена енкапсулация) и стабилна метализация; монтиране с намаляване на вибрациите и прикрепване на изводите с ниско напрежение
Термисторите са високо устойчиви на електрически шум благодарение на високото си базово съпротивление (от 1 до 100 килоома). Поради това те не изискват електромагнитно екраниране, каквото е необходимо за устройства с по-ниско съпротивление, като например RTD и термопарите. Например разгледайте офшорните вятърни електроцентрали и напредналите системи за помощ при шофирането в автомобилите. Термисторите от тип „зърно“, покрити със силикон, които се използват в тези системи, също са подложени на проблеми с влажността и реагират за по-малко от 1 секунда. Това показва, че изборът на подходящи материали може да помогне за решаване на проблемите с надеждността, с които се сблъскват инженерите при разработването на оборудване, предназначено за работа в екстремни условия.
Практическо приложение: NTC термистори в термичното управление на батериите на EV
NTC термисторите са изключително полезни при контролиране на температурата на батериите в акумулаторните блокове на електрическите превозни средства. Контролът на температурата трябва да се извършва в интервала от 15 до 35 градуса по Целзий, тъй като литиево-йонните клетки се повреждат при температури извън този контролиран диапазон и съществува риск от опасно прегряване. NTC сензорите са вградени вътре и непрекъснато следят съпротивлението на батерията чрез системата за управление на батерията (BMS). Това позволява на системата да охлажда батерията. Например, когато температурата на батерията надхвърли 40 градуса по Целзий, активира се течностно охлаждане, за да се предотвратят химични реакции в батерията. Ако обаче температурата на батерията падне под 0 градуса по Целзий, включват се PTC нагреватели, за да се осигури поддържане на йонния поток в електролита. Благодарение на интелигентния контрол на температурата, срокът на експлоатация на батериите се удължава с 30 % спрямо системите с непрекъсната работа, а шофьорите получават 15 % по-стабилен и ефективен пробег. Това е тествано и доказано в реални условия в части от Калифорния и в суровите климатични условия на Норвегия в продължение на няколко години.
Това, което прави тези сензори уникални, е способността им да засичат горещи точки за милисекунди, преди нещата да излязат изпод контрол, особено по време на екстремни DC бързи зареждания с мощност до 350 kW. NTC термисторите притежават изключителни качества, тъй като са подходящи за тежки условия на експлоатация, устойчиви са на агресивни среди и са икономически ефективни. Поради това те продължават да се използват широко в много други индустрии — не само в електромобилите, но и в енергийните системи на самолети и големи системи за натрупване на енергия по целия свят.
Често задавани въпроси
Защо термисторите имат нелинейно съпротивление при крайните температурни граници?
При температури под -50 °C движението на носителите на заряд е ограничено в полупроводника, което води до високо съпротивление. Обратно, при температури над 150 °C вътрешната структура на полупроводника се разрушава, което води до непредсказуеми спадове в съпротивлението.
Какъв е ефектът от енкапсулирането на термистора върху неговата работоспособност?
От всички типове инкапсулиране стъкленият тип термистори осигурява най-добра защита срещу влага, химикали и други физически въздействия, поради което те се отличават в екстремни среди. Въпреки че епоксидните термистори са по-подложни на подуване и пукане, те предлагат най-малка защита срещу подуване и пукане.
Дали NTC термисторите са надеждни в системите за управление на батериите на електрическите превозни средства?
Да. NTC термисторите се използват във всички системи за управление на батериите на електрическите превозни средства за цялата система за термично управление и, като резултат от това, удължават живота на батериите и стабилизират работата им.
