Come fanno i termistori ad alta temperatura a mantenere la stabilità a temperature estreme?

Funzionamento affidabile oltre i 300 °C grazie a compositi ceramici e ossidi metallici drogati

I termistori ad alte temperature utilizzano speciali compositi ceramici (in particolare, ossidi di metalli di transizione drogati con sistemi manganese-nichel-cobalto (MNC)) la cui struttura è ottimizzata per un funzionamento affidabile oltre i 300 gradi Celsius. L’intera attività del semiconduttore è confinata in una specifica struttura cristallina nella quale il moto ionico non è particolarmente libero. Gli elementi delle terre rare in eccesso nella miscela stabilizzano la composizione all’interno del termistore e, di conseguenza, ne migliorano la sensibilità termica. I produttori di termistori riferiscono che, qualora venga utilizzata la corretta composizione chimica, i loro termistori presentano una variazione di resistenza inferiore allo 0,5% dopo 5.000 cicli termici (norme ASTM). L’uso di stabilizzatori di bolle di controllo a base di zirconia stabilizzata con ittria e la sinterizzazione in un ambiente ricco di ossigeno consentono di ottenere la microstruttura desiderata. Tale microstruttura permette ai termistori di offrire una resistenza molto bassa alla formazione di crepe indotte da sollecitazioni termiche estreme.

Problemi con la fusione termica dei componenti nel tempo: sedimentazione dei cristalli  

È stato riscontrato che la sedimentazione cristallina costituisce un problema quando un solido viene portato a una temperatura sufficientemente elevata per un periodo prolungato. Una delle principali contromisure adottate per risolvere tale problema è nota come co-sinterizzazione multistrato. Nella co-sinterizzazione multistrato, numerosi strati di termistori, nonché di materiale isolante, vengono fusi insieme in un unico ciclo di sinterizzazione (circa 1.400 gradi Celsius) per formare un'entità omogenea e monolitica, progettata appositamente per contrastare le sollecitazioni meccaniche. Le più recenti configurazioni hanno dimostrato di ridurre lo sforzo meccanico interno (all'interno dell'entità) al di sotto del 50 percento rispetto al valore tipico (sforzo medio) rilevato nelle entità prodotte mediante il tradizionale impilamento verticale (le misurazioni dello sforzo post-processo sulle entità co-sinterizzate sono state effettuate conformemente alla norma IEC 60539). Dopo la co-sinterizzazione, il dispositivo viene sottoposto a incapsulamento ermetico in allumina per realizzare una tenuta stagna all’elio (vuoto). I risultati dei test indicano una velocità di perdita di elio inferiore a 1 × 10⁻⁸ atm·cm³/sec, impedendo così l’ingresso di gas (deriva) all’interno dell’incapsulamento a temperature superiori a 250 gradi Celsius. I coefficienti di espansione termica del materiale d’incapsulamento (allumina) e del materiale del termistore sono accuratamente abbinati (entro ±1,5 ppm/°C), il che contribuisce a ridurre il movimento dei bordi di grano di almeno l’80 percento (dopo un lungo periodo di servizio).

Queste tecniche consentono ai componenti di mantenere la propria accuratezza con una deriva inferiore al 2% dopo 10.000 ore a temperatura operativa massima.

Prestazioni di stabilità termica in condizioni di stress reali

I termistori ad alta temperatura devono mantenere non solo l’accuratezza in laboratorio, ma anche sotto le sollecitazioni combinate dovute a cicli termici, attacco chimico e vibrazioni meccaniche in scenari reali.

Parametri di deriva a lungo termine: variazione della resistenza inferiore al 2% dopo 5.000 ore a 250 °C (IEC 60751-2)

IEC 60751-2 specifica gli standard di affidabilità che la maggior parte delle aziende aspira a raggiungere. Nella descrizione delle specifiche di deriva negativa, si afferma che i sensori che presentano una deriva della resistenza inferiore al 2% hanno mantenuto tale deriva dopo un utilizzo continuo di 5.000 ore a 250 gradi Celsius. Per convalidare tali specifiche, i produttori eseguono prove di invecchiamento accelerato che simulano l’ambiente in cui l’apparecchiatura opererà. Queste prove comprendono numerose camere climatiche per simulare diversi ambienti (ad esempio caldo e umido) e prevedono il funzionamento dell’apparecchiatura alla potenza massima, al fine di superare le specifiche. Inoltre, la temperatura di funzionamento dell’apparecchiatura viene ciclata rapidamente (ad esempio, fino a 300 gradi in meno di un minuto). Per ottenere questi risultati, i produttori utilizzano materiali con strutture cristalline stabili. La produzione di tali materiali richiede un opportuno drogaggio, un ricottura accurata per eliminare le tensioni interne accumulate e una microstruttura adeguatamente fissata per raggiungere il risultato desiderato.

Compromessi tra tempo di risposta e accuratezza nel monitoraggio termico dei convertitori ad alta potenza

La scelta di un termistore adeguato per l’impiego con convertitori ad alta potenza (>200 gradi Celsius) richiede compromessi tra tempo di risposta e accuratezza delle misurazioni. I sensori a film spesso offrono tempi di risposta inferiori a mezzo secondo, il che è piuttosto buono, ma presentano una deriva dell’accuratezza di circa 1,5 gradi Celsius in presenza di variazioni rapide del carico. Al contrario, alcune perle termistoriche immerse in rivestimenti protettivi raggiungono un’accuratezza di 0,3 gradi Celsius anche in presenza di variazioni rapide di temperatura superiori a 50 gradi Celsius al secondo; tuttavia, i loro tempi di risposta superano i 3 secondi. Nel caso di elementi protettivi negli IGBT, le conseguenze di un errore sono particolarmente gravi e possono provocare, da un lato, un arresto ingiustificato del sistema oppure, dall’altro, un surriscaldamento e la distruzione del dispositivo. La maggior parte degli ingegneri considera questo tipo di progettazione del sistema e l’accuratezza delle misurazioni un parametro più critico rispetto al tempo di reazione.

Applicazioni dei termistori ad alta temperatura: rilevamento e protezione

Interruzioni per sovratemperatura dei bobinaggi del motore con PTC e punti di commutazione netti (120 °C - 200 °C)

Per un numero crescente di motori industriali, i termistori PTC stanno diventando dispositivi essenziali per la protezione interna degli avvolgimenti dei motori industriali. Questi dispositivi sono di piccole dimensioni e, a riposo, presentano una bassa resistenza. Una volta raggiunta una temperatura soglia (tipicamente compresa tra 120 e 200 °C), aumentano significativamente la propria resistenza, interrompendo il circuito elettrico per impedire ulteriori innalzamenti di temperatura ed evitare danni. Sono realizzati in modo tale da non commutare ripetutamente tra stato attivo e stato spento con ogni variazione di temperatura (aumento o diminuzione). Nel caso dei motori servo, che possono funzionare normalmente intorno ai 150 °C, la maggior parte dei termistori PTC utilizzati per la protezione garantisce un’accuratezza entro ±5% per migliaia di cicli di riscaldamento e raffreddamento. Questo costituisce un criterio accettato per la conformità alla norma IEC 60751-2. Sono progettati in ceramiche robuste, che consentono loro di resistere ad ambienti impegnativi caratterizzati dalla presenza di vibrazioni. Grazie a queste caratteristiche, i termistori PTC possono offrire una protezione termica affidabile senza ricorrere a sensori aggiuntivi o sistemi di controllo.

Meccanismi di guasto e strategie di mitigazione per termistori ad alta temperatura

Le alte temperature provocano specifici meccanismi di guasto nei termistori. Tra questi figurano i cicli termici ripetuti, che causano microfessurazioni differenziali a causa dell’espansione differenziale; le alterazioni indotte dal calore delle proprietà resistive, dovute all’ossidazione accelerata; i sigilli che si degradano e provocano spostamenti della taratura a causa di contaminanti; e la fatica dei giunti saldati, che rappresenta una delle principali cause di guasto elettromeccanico dovuto alle vibrazioni.

Dobbiamo partire dai materiali per migliorare le strategie di mitigazione. Si considerino, ad esempio, le ceramiche drogate, in grado di impedire il problematico riarrangiamento delle strutture cristalline. Vi sono inoltre involucri metallici saldati al laser, che garantiscono una tenuta quasi ideale contro le influenze ambientali. Esistono anche strati intermedi di disiliciuro di molibdeno, che fungono da cuscinetto tra materiali diversi che si espandono a tassi differenti in funzione della temperatura. Oltre ad altri accorgimenti, il bonding con filo d’oro è preferito rispetto a quello con filo di alluminio, poiché il primo offre prestazioni superiori rispetto all’alluminio a temperature superiori a +400 °C, oltre le quali il filo d’oro — o altri materiali — perdono la propria funzionalità. Tuttavia, le soluzioni moderne più avanzate non si basano esclusivamente sui componenti strutturali. Ad esempio, gli ingegneri possono rilevare i danni prima che si diffondano, grazie al monitoraggio integrato della resistenza. In questi casi, la natura predittiva dell’approccio risulta ideale, poiché è fondamentale in applicazioni prive di ridondanze.

Domande frequenti  

Quali materiali sono utilizzati nei termistori ad alta temperatura?

I termistori ad alta temperatura sono generalmente realizzati in ceramica, poiché possono essere costruiti a partire da sistemi di ossidi di metalli di transizione drogati, basati su manganese, nichel e cobalto, e sono preferibili per una minore probabilità di guasto alle alte temperature.

Cosa significa cottura simultanea multistrato nel contesto dei termistori?
Nella cottura simultanea multistrato, strati alternati di termistori e strati di isolamento vengono fusi in un’unica operazione di cottura simultanea, generando strutture monolitiche in grado di assorbire meglio le sollecitazioni rispetto ai metodi convenzionali.

In che modo i termistori PTC proteggono gli avvolgimenti dei motori?
I termistori PTC forniscono una protezione autonoma aumentando la propria resistenza fino a interrompere il circuito, impedendo così ulteriori danni.