EN
Der sker mange ting, som ikke kan forudses, når termistorer anvendes ved temperaturer, som ikke er specificeret af producenten. For eksempel begynder problemer at opstå ved temperaturer på omkring minus femti (–50) grader Celsius, når der bruges termistorer med NTC-egenskaber. Der observeres dramatiske stigninger på mellem 300 % og 500 % eller endnu mere, og disse stigninger er slet ikke lineære. Da ladningsbærerne ikke synes at kunne bevæge sig frit, bliver de fanget og begrænset. Hvad sker der så ved den anden ekstreme ende? Høje effektive temperaturer på omkring hundredehalvtreds (150) grader Celsius overskridet en anden nedbrydningsgrænse. Når der tilføres mere og mere energi (i form af varme) til halvlederen, sker der en sammenbrud af halvlederstrukturen. Moores lov gælder, og den samlede modstand i materialet falder, når antallet af frie elektroner stiger og den samlede ladning øges. Generelt følger dette fænomen Arrhenius’ lov. Imidlertid kan der opstå ekstreme og ukontrollerede forhold. Eksperter har observeret, at varme kan reducere den effektive modstand med 15–25 % for hver yderligere 10 grader over 150 grader Celsius.
Disse forskelle kan gøre sensorerne upålidelige til opgaver, der kræver størst mulig præcision, såsom måling af temperaturer på polare forskningsstationer og overvågning af jetmotorer under flyvning. På polare forskningsstationer kan selv en halv grads forskel gøre forskellen mellem succes og fiasko.
Materialebestemt nedbrydning af beta- og alfa-koefficienter
Konstruktionen og emballagematerialerne bestemmer termistorernes holdbarhed, når de udsættes for ekstreme høje og lave temperaturer. For eksempel kan mangan-nikkeloxid-termistorer med negativ temperaturkoefficient (NTC) miste op til 40 % af deres beta-koefficienter som følge af irreversible ændringer i krystallstrukturen, når de udsættes for temperaturer omkring 200 grader Celsius. Kobaltbaserede termistorer udviser deres egne unikke egenskaber. Når de udsættes for temperaturer under 0 grader Celsius, oplever disse termistorer en alfa-koefficientdrift på ±0,5 °C og mindre end 0,5 °C pr. måned, da små fejl i krystallstrukturen udvikler sig som følge af den ovennævnte kulde. En af de mest interessante og gådefulde fakta om konstruktionen og emballagen af termistorer er deres indflydelse på pålideligheden. For eksempel fejler termistorer med epoxyindkapsling ca. tre gange hurtigere end termistorer med glasindkapsling ved termisk cyklus, især hvad angår beta-u stabilitet. Termistorer med epoxyindkapsling oplever en ustabilitet på 0,8 % pr. 1000 timer ved 125 °C, mens termistorer med glasindkapsling oplever en ustabilitet på 0,25 % inden for samme tidsramme.
Forskellige typer fejl betyder, at ingeniører skal være opmærksomme på, hvilke materialer de bruger til bestemte anvendelser. Dette omfatter f.eks. sensorer, der anvendes ved dybboreslåning eller i medicinske udstyr, der opbevarer væsker ved temperaturer over 100 grader og kræver præcise målinger over længere tidsrum.
Optimering af valg af termistor til krævende temperaturapplikationer
Tilpasning af indkapslingsform (glas versus epoxy) til specifikke miljøforhold
Indkapslingsform og termistorers ydeevne i krævende miljøer
Den måde, hvorpå kapslingsmaterialet er udført, bestemmer, i hvilken udstrækning termistorer kan klare de krævende forhold i deres omgivelser. Med glaskapsling kan termistorer fungere pålideligt i miljøer med temperaturer op til 250 grader Celsius og ned til 80 grader Celsius, hvilket er et meget bredt temperaturområde. De sikrer en vandtæt forsegling og en meget fuldstændig barriere, der beskytter komponenter mod fugtindtrængen samt kemisk indtrængen og fysisk destruktive faktorer. Derfor findes glaskapslede termistorer i fremragende anvendelser såsom bilmotorer, industrielle ovnkontroller og batteripakker til elbiler. Billigere termistorer med epoksykapsling har derimod begrænsninger. De kan svulme, når de udsættes for opløsningsmidler, revne, hvis temperaturen ændres med mere end 200 grader inden for meget kort tid, og miste deres iontæthed under fugtige eller salte forhold. I denne henseende skal sensorudviklerne tage mange faktorer i betragtning.
Kemisk modstandsdygtighed: Glas er modstandsdygtigt over for kulbrinter og rengøringsmidler; epoxy kan blive plastificeret eller blive afbladet.
Modstandsdygtighed over for termisk chok: Glas er det eneste materiale blandt de vurderede enheder, der kan klare gentagne cyklusser over 200 °C uden mikrofrakturer.
Hermetisk tæthed: Til medicinsk kvalitet afkapsling af elektroniske systemer kræves glasafkapsling, herunder højspændings-EV-systemer, hvor lækkagestrømmen skal være mindre end 1 nA.
Afvejning af udvidet temperaturområde mod termisk tidskonstant
At opnå balance mellem et bredt temperaturområde og hurtig tidssvar er en ret stor designudfordring. Selvom små perletermistorer kan give et reaktionstid på én procent, anses de generelt for upålidelige ved temperaturer over 150 grader Celsius. På den anden ekstreme side reagerer større glasperletermistorer, men kun efter 10–30 sekunder. Detektion af termisk løberi i batterier er en stor udfordring; her kræves reaktionstider på under tre sekunder ved 200 grader Celsius, og ledende producenter vælger derfor hybriddesigns. I enkle termer kombinerer de forskellige varmemasser og placerer hurtigt reagerende termistorer i spidsen og stabile termistorer i bunden. Desuden giver den eksklusive isolerede nikkelpladerede aluminiumoxid, der anvendes i mange design, en bedre respons over for varme og elektricitet. I dag er "smarte" systemer designet til at forudsige reaktionstiden og foretage korrektioner for at styre tiden.
Undersøgelser tyder på, at hvis ingeniører lægger lige stor vægt på sikkerhed og hastighed, reduceres fejlhyppigheden med 34 %, når systemerne opererer i meget kolde forhold. Dette tyder på, at responstider bør udformes til at fungere sikkert inden for de faktiske driftsforhold i stedet for at blive presset til yderligheder.
Pålidelighed af termistorer i den virkelige verden: Stabilitet, drift og støjdæmpning
Langtidssstabilitet versus kortsiget gentagelighed under forhold med høj luftfugtighed og vibration
Når der tales om pålidelighed under hårde forhold, skal man skelne mellem langtidsstabilitet og kortsiget gentagelighed. Langtidsstabilitet handler om, hvor mildt – eller overhovedet – modstandsresponsen ændrer sig over mange år, mens kortsiget gentagelighed vedrører, om responsen forbliver den samme under hurtige temperaturændringer eller pludselige stød. For store batterier eller vejrstationer med NTC-følere belagt med epoxy vil et årligt drift på mere end ±0,1 °C (noget, der let og hyppigt forekommer), føre til forsinkelser og øgede omkostninger som følge af hyppige kalibreringer. Omvendt kan små revner forårsaget af mekanisk vibration negativt påvirke kortsigede målinger og øge stojniveauet med op til 15 %. Og selvfølgelig er der den skadelige og destruktive virkning af fugt. Fugt absorberes af polymerbelægningen, og når udstyret udsættes for gentagne ændringer i duggpunktet, ændres de grundlæggende modstandsniveauer, og hystereseeffekterne øges betydeligt.
Faktor: Fokus på stabilitet over tid, fokus på gentagelighed over tid
Miljøpåvirkninger: termisk ældning, oxidation, ionisk migration; mekanisk vibration, hurtig temperaturændring, mekanisk stød
Nøglemetrik: Drift (ppm/år), målingskonsistens (standardafvigelse < 0,05 °C)
Designprioritet: hermetisk forsegling (glasindkapsling) og stabil metallisering; montering med støddæmpning samt ledningsforbindelse med lav spænding
Termistorer er meget modstandsdygtige over for elektrisk støj takket være deres høje basismodstand (1 til 100 kiloohm). Derfor kræver de ikke den elektromagnetiske afskærmning, som enheder med lavere modstand – såsom RTD’er og termopar – kræver. For eksempel kan man se på offshore-vindmølleparkers og avancerede førerassistersystemers i biler. De silikonebelagte kugleformede termistorer, der anvendes i disse systemer, oplever også fugtproblemer, og de reagerer på under 1 sekund. Dette viser, at valg af passende materialer kan hjælpe ingeniører med at løse pålidelighedsproblemerne ved udvikling af udstyr til brug i ekstreme forhold.
Praktisk anvendelsesfokus: NTC-termistorer i termisk styring af elbilers batterier
NTC-thermistorer er ekstremt nyttige, når man overvåger batteritemperaturerne i elbilers batteripakker. Temperaturreguleringen skal udføres inden for intervallet 15–35 grader Celsius, da litiumionceller beskadiges, hvis temperaturen ligger uden for de tilladte reguleringsområder, og der er risiko for farlig overopvarmning. NTC-følerne er integreret i batteriet og overvåger konstant batteriets modstand via batteristyringssystemet. Dette gør det muligt for systemet at køle batteriet ned. For eksempel aktiveres væskekøling, så snart batteritemperaturen overstiger 40 grader Celsius, for at undgå kemiske reaktioner i batteriet. Hvis batteritemperaturen derimod falder under nul grader Celsius, tændes PTC-varmelegemerne for at opretholde ionstrømmen i elektrolytten. Med intelligent temperaturregulering holder batterierne 30 procent længere end ved kontinuerlig drift, og chauffører oplever en 15 procent mere konsekvent og effektiv rækkevidde. Dette er testet og bekræftet i virkelige forhold i dele af Californien og i Norges krævende klima over flere år.
Det, der gør disse sensorer unikke, er, at de kan registrere varmepunkter inden for millisekunder, før noget som helst eskalerer, især under ekstreme 350 kW DC-hurtigladningssessioner. NTC-thermistorer besidder fremragende egenskaber, fordi de er velegnede til tunge anvendelser, kan tåle krævende miljøer og er omkostningseffektive. Af denne grund bruges de stadig almindeligt i mange andre industrier – ikke kun i elbiler, men også i flyenes strømforsyningssystemer og store energilagringssystemer verden over.
Ofte stillede spørgsmål
Hvorfor har thermistorer en ikke-lineær modstand ved temperaturgrænserne?
Ved temperaturer under -50 grader Celsius begrænses bevægelsen af ladningsbærere i halvlederen, hvilket resulterer i en høj modstand. Omvendt ødelægges halvlederens indre struktur ved temperaturer over 150 grader Celsius, hvilket fører til uforudsigelige fald i modstanden.
Hvad er virkningen af thermistorindkapsling på thermistorernes ydeevne?
Af alle indkapslingstyper tilbyder glasindkapslede termistorer den bedste beskyttelse mod fugt, kemikalier og andre fysiske påvirkninger, hvorfor de er fremragende i ekstreme miljøer. Selvom epoxyindkapslede termistorer er mere udsatte for svulmning og revner, hvilket giver mindre beskyttelse, tilbyder de den laveste beskyttelse mod revner og svulmning, da de er epoxyindkapslede termistorer.
Er NTC-termistorer pålidelige i batteristyringssystemerne i elbiler?
Ja. NTC-termistorer anvendes i alle batteristyringssystemer i elbiler til alle termiske styringssystemer, og som resultat udvider de batteriernes levetid og stabiliserer deres ydeevne.
