Hoe behouden thermistoren voor hoge temperaturen stabiliteit bij extreme hitte?

Betrouwbare werking boven 300 °C met behulp van ceramische composieten en gedopte metaaloxiden

Thermistors voor hoge temperaturen maken gebruik van speciale keramische composieten (meer bepaald gedopeerde overgangsmetaaloxiden op basis van mangaan-nikkel-kobaltsystemen (MNC)), waarvan de structuur is geoptimaliseerd voor betrouwbare werking boven 300 graden Celsius. De gehele halfgeleideractiviteit is beperkt tot een specifieke kristalstructuur, waarbij ionenbeweging niet zeer vrij is. Overmatige zeldzame-aard-elementen in het mengsel stabiliseren de samenstelling binnen de thermistor en verbeteren daardoor de thermische gevoeligheid. Thermistorfabrikanten rapporteren dat, bij gebruik van de juiste chemische samenstelling, hun thermistors een weerstandsverandering van minder dan 0,5% vertonen na 5.000 thermische cyclustests (ASTM-normen). Het gebruik van controlebubbelstabilisatoren op basis van yttria-gestabiliseerde zirkonia en sinteren in een zuurstofrijke omgeving draagt bij aan het bereiken van de gewenste microstructuur. Deze microstructuur zorgt ervoor dat de thermistors een zeer lage weerstand tegen thermisch spanningsbreuk vertonen bij blootstelling aan extreme thermische cycli.

Uitdagingen met de warmte-smeedverbinding van componenten in de loop van de tijd: Afschaking van kristallen  

Kristallijne afscheiding is gebleken problematisch te zijn wanneer een vaste stof gedurende een langere tijd wordt blootgesteld aan een voldoende hoge temperatuur. Een belangrijke tegenmaatregel tegen dit probleem is bekend als meervlaams samenbranden. Bij meervlaams samenbranden worden talloze lagen thermistors, evenals isolatiematerialen, in één sintercyclus (ongeveer 1.400 graden Celsius) samengevoegd tot een homogene, monolithische eenheid die doelbewust is ontworpen om mechanische spanning te tegengaan. De nieuwste ontwerpen hebben aangetoond dat de interne mechanische spanning (binnen de eenheid) kan worden verminderd tot minder dan 50 procent van de waarde die typisch is (gemiddelde spanning) voor eenheden die zijn vervaardigd met behulp van conventionele verticale stapeling (metingen van de post-verwerkingsspanning op samengebrande eenheden werden uitgevoerd volgens IEC 60539). Na het samenbranden wordt het apparaat onderworpen aan een hermetische alumina-omhulling om een vacuüm (helium)-dichte afdichting te creëren. Testresultaten tonen een helium-lekrate van < 1 × 10⁻⁸ atm·cm³/sec, wat voorkomt dat gassen (drift) bij temperaturen boven 250 graden Celsius de omhulling binnendringen. De uitzettingscoëfficiënten van het omhullingsmateriaal (alumina) en het thermistormateriaal zijn nauw afgestemd (binnen ±1,5 ppm/°C), wat helpt om de beweging van korrelgrenzen te onderdrukken met ten minste 80 procent (na een lange levensduur).

Deze technieken betekenen dat componenten hun nauwkeurigheid kunnen behouden met een afwijking van minder dan 2 % gedurende 10.000 uur bij volledige bedrijfstemperatuur.

Thermische stabiliteitsprestaties onder realistische belastingsomstandigheden

Hoogtemperatuurthermistors moeten niet alleen in het laboratorium nauwkeurig blijven, maar ook onder de gecombineerde belastingen van thermische cycli, chemische aanvallen en mechanische trillingen in praktijkomstandigheden.

Langdurige driftmetriek: weerstandsverandering van minder dan 2 % na 5.000 uur bij 250 °C (IEC 60751-2)

IEC 60751-2 specificeert de betrouwbaarheidsnormen die de meeste bedrijven willen bereiken. Bij de beschrijving van de negatieve driftspecificaties wordt gezegd dat sensoren die minder dan 2% weerstandsdrift ondervinden, deze drift behouden na continu gebruik gedurende 5.000 uur bij 250 graden Celsius. Om deze specificaties te valideren, voeren fabrikanten versnelde verouderingstests uit die de omgeving simuleren waarin de apparatuur zal worden gebruikt. Deze tests omvatten talloze klimaatkamers om diverse omgevingen te simuleren (bijv. heet en vochtig) en de apparatuur wordt op vol vermogen bedreven om boven de specificaties uit te gaan. De bedrijfstemperatuur van de apparatuur wordt ook snel gewisseld (bijv. tot 300 graden in minder dan één minuut). Om deze resultaten te bereiken, werken fabrikanten met materialen die een stabiele kristalstructuur hebben. De productie van deze materialen vereist specifieke dotering, zorgvuldig gloeien om opgebouwde spanningen te verminderen en een juiste microstructuur die is ‘vastgelegd’ om het gewenste eindresultaat te bereiken.

Afweging tussen responstijd en nauwkeurigheid bij thermische bewaking van hoogvermogensconverters

Het kiezen van een geschikte thermistor bij gebruik met hoogvermogensomzetters (>200 graden Celsius) vereist afwegingen tussen reactietijd en nauwkeurigheid van de metingen. Dikfilm-sensoren bieden reactietijden van minder dan een halve seconde, wat vrij goed is, maar vertonen een nauwkeurigheidsafwijking van ongeveer 1,5 graden Celsius bij snelle belastingswisselingen. In tegenstelling thereto hebben sommige thermistorkorrels die zijn ondergedompeld in beschermende coatings een nauwkeurigheid van 0,3 graden Celsius, zelfs bij snelle temperatuurwisselingen van meer dan 50 graden Celsius per seconde; zij hebben echter reactietijden van >3 seconden. Bij beschermingselementen in IGBT’s zijn de gevolgen van een meetfout zeer ernstig en kunnen leiden tot onnodige systeemuitval of, omgekeerd, oververhitting en vernietiging van het apparaat. De meeste ingenieurs beschouwen dit type systeemontwerp en de nauwkeurigheid van de metingen als een kritiekere parameter dan de reactietijd.

Toepassingen van thermistors voor hoge temperaturen: meet- en beveiligingsfuncties

PTC-temperatuurbegrenzers voor motorwikkelingen met scherpe schakelpunten (120 °C – 200 °C)

Voor een steeds groter aantal industriële motoren worden PTC-thermistoren essentieel als interne beveiligingsapparaten voor de wikkelingen van industriële motoren. Deze apparaten zijn klein en hebben in rusttoestand een lage weerstand. Zodra een drempeltemperatuur (meestal tussen 120 en 200 °C) wordt bereikt, neemt hun weerstand sterk toe en wordt de elektrische stroomkring onderbroken om verdere temperatuurstijgingen te voorkomen en schade te vermijden. Ze zijn zodanig opgebouwd dat ze niet continu aan- en uitschakelen bij elke temperatuurdaling of -stijging. In het geval van servomotoren, die normaal kunnen werken rond 150 °C, zijn de meeste PTC-thermistoren die worden gebruikt voor beveiliging nauwkeurig binnen +/− 5 % gedurende duizenden verwarmings- en koelcycli. Dit is een aanvaarde criterium voor naleving van IEC 60751-2. Ze zijn vervaardigd uit robuuste keramiek, waardoor ze bestand zijn tegen veeleisende omgevingen waar trillingen optreden. Vanwege deze eigenschappen kunnen PTC-thermistoren betrouwbare thermische bescherming bieden zonder gebruik van extra sensoren of regelsystemen.

Faalmechanismen en mitigatiestrategieën voor thermistors bij hoge temperaturen

Hoge temperaturen veroorzaken specifieke faalmechanismen bij thermistors. Deze omvatten herhaalde thermische cycli, die differentiële microscheurtjes veroorzaken door differentiële uitzetting; warmtegeïnduceerde veranderingen in de weerstandseigenschappen als gevolg van versnelde oxidatie; afdichtingen die afbreken en de kalibratie verschuiven door verontreinigingen; en vermoeidheid van soldeerverbindingen, wat een van de belangrijkste oorzaken is van elektromechanische storingen door trillingen.

We moeten beginnen met de materialen om de mitigatiestrategieën te verbeteren. Neem bijvoorbeeld gedopeerde keramieken, die de vervelende herschikking van kristalstructuren kunnen tegenhouden. Er zijn ook laser-gelaste metalen behuizingen die bijna ideale afdichting bieden tegen milieu-invloeden. Daarnaast zijn er molybdeen-disilicide tussenlagen die een bufferfunctie vervullen voor de verschillende materialen die bij temperatuurveranderingen met verschillende snelheden uitzetten. Naast andere methoden wordt goud-draadverbinding vaker toegepast dan aluminium, omdat goud beter presteert dan aluminium bij temperaturen boven +400 °C, waarbij goud, de metaaldraad of andere materialen het begeven. De superieure moderne oplossingen zijn echter die welke niet uitsluitend vertrouwen op structurele componenten. Zo kunnen ingenieurs bijvoorbeeld schade detecteren voordat deze zich verspreidt, via ingebedde weerstandsbewaking. In dergelijke gevallen is het voorspellende karakter van de aanpak ideaal, omdat dit cruciaal is in toepassingen zonder redundantie.

Veelgestelde Vragen  

Uit welke materialen zijn hoogtemperatuurthermistoren gemaakt?

Hoogtemperatuurthermistoren worden doorgaans gemaakt van keramiek, omdat ze kunnen worden vervaardigd uit gedoteerde overgangsmetaaloxidesystemen op basis van mangaan, nikkel en kobalt, waardoor ze minder kans op storing bij hoge temperaturen bieden.

Wat betekent 'multilagig co-branden' in verband met thermistoren?
Bij multilagig co-branden worden afwisselend lagen thermistoren en isolatielagen in één enkele co-brandingsoperatie samengevoegd, om monolithische structuren te vormen die beter in staat zijn spanning te absorberen dan conventionele methoden.

Hoe beschermen PTC-thermistoren motorwikkelingen?
PTC-thermistoren bieden zelfbescherming doordat ze hun weerstand zodanig verhogen dat de stroomkring wordt onderbroken, om verdere schade te voorkomen.