EN
Veel dingen gebeuren die niet voorzien kunnen worden wanneer thermistors worden gebruikt bij temperaturen die niet door de fabrikant zijn gespecificeerd. Bijvoorbeeld bij temperaturen van ongeveer min vijftig (−50) graden Celsius ontstaan er problemen bij het gebruik van thermistors met NTC-karakteristieken. Er worden dramatische stijgingen waargenomen van 300% tot 500% of zelfs meer, die geenszins lineair zijn. Omdat ladingsdragers blijkbaar niet vrij kunnen bewegen, raken ze opgesloten en beperkt. En wat gebeurt er aan het andere uiterste? Hoge effectieve temperaturen van ongeveer honderdvijftig (150) graden Celsius overschrijden een andere verslechteringsdrempel. Naarmate er steeds meer energie (in de vorm van warmte) aan de halfgeleider wordt toegevoegd, treedt er een structuurafbraak van de halfgeleider op. De wet van Moore is van toepassing: de totale weerstand van het materiaal neemt af naarmate het aantal vrije elektronen en de totale lading toenemen. Over het algemeen volgt dit verschijnsel de wet van Arrhenius. Er kunnen echter extreme en ongecontroleerde omstandigheden optreden. Experts hebben waargenomen dat warmte bij elke extra 10 graden boven 150 graden Celsius 15% tot 25% van de effectieve weerstand kan ‘wegzuigen’.
Deze verschillen kunnen de sensoren onbetrouwbaar maken voor taken die uiterste precisie vereisen, zoals het meten van temperaturen in poolonderzoeksstations en het bewaken van straalmotoren tijdens de vlucht. In poolonderzoeksstations kan zelfs een verschil van een halve graad het verschil zijn tussen succes en mislukking.
Materiaalspecifieke achteruitgang van de bèta- en alfacoefficiënten
De constructie- en verpakkingsmaterialen bepalen de duurzaamheid van thermistors bij blootstelling aan extreme hoge en lage temperaturen. Bijvoorbeeld kunnen mangaan-nikkeloxide negatieve temperatuurcoëfficiënt (NTC) thermistors tot wel 40% van hun beta-coëfficiënten verliezen als gevolg van onomkeerbare veranderingen in de kristalstructuur bij blootstelling aan temperaturen rond de 200 graden Celsius. Kobaltgebaseerde thermistors vertonen hun eigen unieke kenmerken. Bij blootstelling aan temperaturen onder de 0 graden Celsius ondergaan deze thermistors een drift van de alpha-coëfficiënt van ±0,5 °C, en minder dan 0,5 °C per maand, doordat zich ten gevolge van de bovengenoemde lage temperatuur minuscule gebreken in de kristalstructuur ontwikkelen. Een van de meest interessante en raadselachtige feiten over de constructie en verpakking van thermistors is hun invloed op de betrouwbaarheid. Bijvoorbeeld falen bij thermische cycli epoxy-omhulde thermistors ongeveer drie keer sneller dan glas-omhulde thermistors, met name wat betreft beta-onstabiliteit. Epoxy-omhulde thermistors vertonen een onstabielheid van 0,8% per 1000 uur bij 125 °C, terwijl glas-omhulde thermistors in dezelfde periode een onstabielheid van 0,25% vertonen.
Verschillende soorten storingen betekenen dat ingenieurs voorzichtig moeten zijn met de materialen die zij gebruiken voor bepaalde toepassingen. Dit omvat bijvoorbeeld sensoren die worden ingezet bij diepboringen of in medische apparaten die vloeistoffen op temperaturen boven de 100 graden opslaan en gedurende lange perioden nauwkeurige metingen vereisen.
Optimalisatie van de keuze van thermistors voor toepassingen met extreme temperaturen
Afstemming van het insluittype (glas versus epoxy) op specifieke omgevingsomstandigheden
Insluittype en prestaties van thermistors in extreme omgevingen
De manier waarop het insluitingsmateriaal wordt aangebracht, bepaalt in welke mate thermistors de zwaarste omstandigheden in hun omgeving kunnen weerstaan. Met glasinsluiting kunnen thermistors betrouwbaar functioneren in omgevingen met temperaturen tot 250 graden Celsius en tot 80 graden Celsius, wat een zeer breed temperatuurbereik is. Ze bieden een waterdichte afsluiting en een zeer volledige barrière die apparaten beschermt tegen vochtinfiltratie, evenals tegen chemische infiltratie en fysiek destructieve elementen. Daarom vindt u glas-ingesloten thermistors in uitstekende toepassingen zoals automotoren, industriële ovenregelingen en accupakketten voor elektrische voertuigen (EV’s). Goedkoper met epoxy ingesloten thermistors daarentegen hebben beperkingen. Ze kunnen opzwellen bij blootstelling aan oplosmiddelen, barsten wanneer de temperatuur binnen zeer korte tijd meer dan 200 graden verandert en hun ionische ondoordringbaarheid verliezen onder vochtige of zoute omstandigheden. In dit opzicht moeten ontwerpers van de sensor rekening houden met talloze factoren.
Chemische weerstand: Glas is bestand tegen koolwaterstoffen en reinigingsoplossingen; epoxy kan plasticiseren of delamineren.
Weerstand tegen thermische schokken: Glas is het enige materiaal onder de beoordeelde apparaten dat herhaalde cycli boven 200 °C zonder microfracturen aankan.
Hermetischheid: Voor medische kwaliteit encapsulatie van elektronische systemen is glasencapsulatie vereist, inclusief hoogspannings-EV-systemen, waarbij de lekstroom minder dan 1 nA moet zijn.
Balans tussen uitgebreid temperatuurbereik en thermische tijdconstante
Het combineren van een breed temperatuurbereik en een snelle reactietijd is een aanzienlijke ontwerputdaging. Hoewel zeer kleine kralenvormige thermistors een reactietijd van één procent kunnen bieden, worden zij over het algemeen als onbetrouwbaar beschouwd boven de 150 graden Celsius. Aan het andere uiterste reageren grotere glaskralenvormige thermistors pas na 10 tot 30 seconden. Het detecteren van thermische ontlading in batterijen is een grote uitdaging; daarbij wordt een reactietijd vereist van minder dan drie seconden bij 200 graden Celsius, waardoor toonaangevende fabrikanten kiezen voor hybride ontwerpen. In eenvoudige bewoordingen betekent dit dat zij verschillende warmtemassa’s combineren en snelle thermistors aan de punt plaatsen, terwijl stabiele thermistors aan de onderkant worden geplaatst. Bovendien zorgt het gepatenteerde geïsoleerde, vernikkelde aluminiumoxide dat in veel ontwerpen wordt gebruikt, voor een betere respons op warmte en elektriciteit. Tegenwoordig worden 'slimme' systemen ontworpen om de reactietijd te voorspellen en correcties aan te brengen om de tijd te regelen.
Onderzoek wijst erop dat technici die evenveel aandacht besteden aan veiligheid en snelheid, het aantal storingen met 34% verminderen wanneer de systemen in zeer koude omstandigheden werken. Dit suggereert dat reactietijden moeten worden ontworpen om veilig te functioneren binnen de daadwerkelijke bedrijfsomstandigheden, in plaats van tot het uiterste te worden gedreven.
Betrouwbaarheid van thermistors in de praktijk: stabiliteit, drift en immuniteit tegen ruis
Stabiliteit op lange termijn versus reproduceerbaarheid op korte termijn onder omstandigheden van hoge vochtigheid en trillingen
Bij het bespreken van betrouwbaarheid onder zware omstandigheden moet men langtermijnstabiliteit onderscheiden van kortetermijnherhaalbaarheid. Langtermijnstabiliteit heeft betrekking op de mate waarin (of of) de weerstandsrespons zich over meerdere jaren geleidelijk verandert, terwijl kortetermijnherhaalbaarheid betrekking heeft op of de respons constant blijft bij snelle temperatuurwisselingen of plotselinge schokken. Bij grote batterijen of weerstations met epoxy-gecoate NTC-sensoren leidt een jaarlijkse drift van meer dan ± 0,1 °C (een verschijnsel dat gemakkelijk en frequent optreedt) tot vertragingen en hogere kosten door frequente kalibraties. Omgekeerd kunnen kleine scheurtjes, veroorzaakt door mechanische trillingen, nadelig invloed uitoefenen op kortetermijnmetingen en het ruisniveau zelfs met wel 15% doen stijgen. En natuurlijk is er ook het schadelijke en destructieve effect van vochtigheid. Vocht wordt geabsorbeerd door de polymeercoating en wanneer de apparatuur herhaaldelijk wordt blootgesteld aan wijzigingen in het dauwpunt, verschuiven de basisweerstandsniveaus en neemt het hysteresiseffect aanzienlijk toe.
Factor Focus op stabiliteit in de tijd Focus op herhaling in de tijd
Omgevingsstressoren: thermische veroudering, oxidatie, ionenmigratie; Mechanische trilling, snelle temperatuurverschillen, mechanische schok
Belangrijkste meetwaarde: drift (ppm/jaar); meetconsistentie (standaardafwijking < 0,05 °C)
Ontwerpvoorrang: hermetische afdichting (glasinsluiting) en stabiele metallisatie; schokgedempte montage en aansluiting van aansluitdraden met lage spanning
Thermistors zijn zeer bestand tegen elektrische ruis dankzij hun hoge basisweerstand (1 tot 100 kilo-ohm). Daarom is elektromagnetische afscherming niet vereist, in tegenstelling tot bij apparaten met een lagere weerstand zoals RTD’s en thermokoppels. Neem bijvoorbeeld offshore windparken en geavanceerde systeem voor bestuurdersondersteuning in auto’s. De siliconengecoate kralenvormige thermistors die in deze systemen worden gebruikt, ondervinden eveneens vochtproblemen en reageren in minder dan één seconde. Dit laat zien dat de keuze van geschikte materialen kan bijdragen aan het oplossen van betrouwbaarheidsproblemen waarmee ingenieurs te maken krijgen bij de ontwikkeling van apparatuur die bedoeld is voor gebruik onder extreme omstandigheden.
Praktische toepassingsfocus: NTC-thermistors in thermisch beheer van EV-batterijen
NTC-thermistors zijn uiterst nuttig bij het bewaken van de batterijtemperatuur van accupakketten in elektrische voertuigen. Temperatuurregeling moet plaatsvinden binnen het bereik van 15 tot 35 graden Celsius, aangezien lithium-ioncellen beschadigd raken wanneer de temperatuur buiten dit regelbereik valt en er gevaar bestaat voor extreme oververhitting. De NTC-sensoren zijn ingebed in de batterij en monitoren voortdurend de weerstand van de batterij via het batterijbeheersysteem. Dit stelt het systeem in staat om de batterij te koelen. Bijvoorbeeld: zodra de batterijtemperatuur boven de 40 graden Celsius komt, wordt vloeibare koeling geactiveerd om chemische reacties in de batterij te voorkomen. Als de batterijtemperatuur echter onder nul graden Celsius daalt, worden de PTC-verwarmers ingeschakeld om de ionenstroom binnen de elektrolyt te handhaven. Dankzij intelligente temperatuurregeling gaan batterijen 30 procent langer mee dan bij continue bedrijfsvoering, en ervaren bestuurders een 15 procent constanter en efficiënter actieradius. Dit is getest en bewezen onder reële omstandigheden in delen van Californië en Noorwegen met hun extreme klimaten, gedurende meerdere jaren.
Wat deze sensoren uniek maakt, is het feit dat ze hotspots binnen milliseconden kunnen detecteren voordat er iets uit de hand loopt, met name tijdens extreme gelijkstroom-sneloplaadsessies van 350 kW. NTC-thermistoren bezitten uitstekende eigenschappen, omdat ze geschikt zijn voor zwaar belaste toepassingen, bestand zijn tegen extreme omgevingen en kosteneffectief zijn. Daarom worden ze nog steeds veel gebruikt in talloze andere industrieën, niet alleen in elektrische voertuigen (EV’s), maar ook in de energiesystemen van vliegtuigen en grootschalige energieopslagsystemen wereldwijd.
Veelgestelde vragen
Waarom vertonen thermistoren een niet-lineaire weerstand bij extreme temperaturen?
Bij temperaturen lager dan -50 graden Celsius is de beweging van ladingsdragers in de halfgeleider beperkt, wat leidt tot een hoge weerstand. Omgekeerd wordt bij temperaturen hoger dan 150 graden Celsius de interne structuur van de halfgeleider vernietigd, wat resulteert in onvoorspelbare dalingen van de weerstand.
Wat is het effect van de omhulling van een thermistor op de prestaties van de thermistor?
Van alle insluitingstypen bieden glas-ingesloten thermistors de meeste bescherming tegen vocht, chemicaliën en andere fysieke impacten, waardoor ze uitstekend presteren in extreme omgevingen. Hoewel epoxy-ingesloten thermistors gevoeliger zijn voor opzwellen en barsten, bieden ze juist de minste bescherming tegen opzwellen en barsten — in tegenstelling tot glas-ingesloten thermistors.
Zijn NTC-thermistors betrouwbaar in de batterijbeheersystemen van elektrische voertuigen?
Ja. NTC-thermistors worden in alle batterijbeheersystemen van elektrische voertuigen gebruikt voor alle thermische beheerssystemen; hierdoor wordt de levensduur van de batterijen verlengd en hun prestaties gestabiliseerd.
