Cum mențin termistorii pentru temperaturi înalte stabilitatea la căldură extremă?

Funcționare fiabilă peste 300°C folosind compozite ceramice și oxizi metalici dopați

Termistorii de înaltă temperatură folosesc compozite ceramice speciale (în special, oxizi de metale de tranziție dopați, utilizați în sistemele mangan-nichel-cobalt (MNC)), ale căror structuri sunt optimizate pentru o funcționare fiabilă la temperaturi peste 300 de grade Celsius. Întreaga activitate a semiconductorului este limitată la o structură cristalină specifică, în care mișcarea ionică nu este foarte liberă. Elementele rare în exces din amestec stabilizează compoziția termistorului și, ca urmare, sensibilitatea termică se îmbunătățește. Producătorii de termistori raportează că, dacă se utilizează o compoziție chimică adecvată, termistorii lor vor avea o variație a rezistenței de mai puțin de 0,5 % după 5.000 de cicluri termice (conform standardelor ASTM). Stabilizatorii de bule de control din zirconiu stabilizat cu itriu și sinterizarea într-un mediu bogat în oxigen contribuie la obținerea microstructurii dorite. Această microstructură permite termistorilor să prezinte o rezistență foarte scăzută la fisurarea datorată tensiunilor termice atunci când sunt supuși unor cicluri termice extreme.

Provocări legate de topirea prin căldură a componentelor în timp: sedimentarea cristalelor  

Depunerea cristalină s-a dovedit a fi problematică atunci când un material solid este încălzit la o temperatură suficient de ridicată timp îndelungat. O măsură contracară principală pentru această problemă este cunoscută sub denumirea de coarsificare în strat multiplu. În coarsificarea în strat multiplu, mai multe straturi de termistori, precum și straturi de izolație, sunt fuzionate împreună într-un singur ciclu de sinterizare (aproximativ 1.400 de grade Celsius), formând o entitate omogenă și monolitică, concepută intenționat pentru a contracara eforturile mecanice. Cele mai noi proiecte au demonstrat o reducere a efortului mecanic intern (în interiorul entității) la sub 50% din valoarea tipică (efortul mediu) pentru entitățile fabricate prin stivuire verticală convențională (măsurătorile post-procesare ale efortului mecanic pe entitățile coarsificate au fost efectuate conform IEC 60539). După coarsificare, dispozitivul este supus unei încapsulări hermetice din aluminiu pentru a crea o etanșare etanșă la vid (helium). Rezultatele testelor arată o rată de scurgere a heliului de < 1 × 10⁻⁸ atm·cm³/sec, ceea ce previne pătrunderea gazelor (deriva) în interiorul încapsulării la temperaturi superioare lui 250 de grade Celsius. Coeficienții de dilatare termică ai materialului de încapsulare (alumină) și ai materialului termistorului sunt bine potriviți (în limite de ±1,5 ppm/°C), ceea ce contribuie la reducerea mișcării frontierelor de grăunțe cu cel puțin 80% (după o perioadă îndelungată de funcționare).

Aceste tehnici înseamnă că componentele își pot menține precizia cu o derivă de sub 2 % pe o perioadă de 10.000 de ore la temperatura maximă de funcționare.

Performanța de stabilitate termică în condiții reale de solicitare

Termistorii pentru temperaturi înalte trebuie să mențină nu doar precizia în laborator, ci și în condiții reale, caracterizate de combinarea solicitărilor datorate ciclării termice, atacului chimic și vibrațiilor mecanice.

Parametri de derivă pe termen lung: modificare a rezistenței de sub 2 % după 5.000 de ore la 250 °C (IEC 60751-2)

IEC 60751-2 specifică standardele de fiabilitate pe care majoritatea companiilor își doresc să le atingă. În descrierea specificațiilor privind derivarea negativă, senzorii care prezintă o derivare a rezistenței sub 2% sunt considerați că și-au păstrat această derivare după o utilizare continuă de 5.000 de ore la 250 de grade Celsius. Pentru a valida aceste specificații, producătorii efectuează teste de îmbătrânire accelerată care simulează mediul în care va funcționa echipamentul. Aceste teste includ numeroase camere climatice pentru a simula diverse medii (de exemplu, cald și umed) și pun echipamentul în funcționare la putere maximă, depășind astfel specificațiile. Temperatura de funcționare a echipamentului este, de asemenea, supusă unor cicluri rapide (de exemplu, până la 300 de grade în mai puțin de un minut). Pentru a obține aceste rezultate, producătorii lucrează cu materiale care au structuri cristaline stabile. Producția acestor materiale necesită o dopare specifică, o recoacere atentă pentru eliminarea tensiunilor acumulate și o microstructură corectă fixată pentru a obține rezultatul dorit.

Compromisuri între timpul de răspuns și acuratețe în monitorizarea termică a convertoarelor de înaltă putere

Alegerea unui termistor adecvat în cazul convertizorilor de mare putere (>200 de grade Celsius) implică compromisuri între timpul de răspuns și precizia măsurătorilor. Senzorii cu strat gros oferă timpi de răspuns de mai puțin de jumătate de secundă, ceea ce este destul de bun, dar au o deriva a preciziei de aproximativ 1,5 grade Celsius în cazul schimbărilor rapide ale sarcinii. În schimb, unele bile termistor imersate în învelișuri protectoare au o precizie de 0,3 grade Celsius, chiar și în cazul schimbărilor rapide de temperatură de peste 50 de grade Celsius pe secundă; totuși, timpii lor de răspuns sunt >3 secunde. În cazul elementelor de protecție din IGBT-uri, consecințele unei erori sunt foarte grave și pot duce fie la oprirea inutilă a sistemului, fie, dimpotrivă, la suprâncălzirea și distrugerea dispozitivului. Majoritatea inginerilor consideră acest tip de proiectare a sistemului și precizia măsurătorilor ca fiind un parametru mai critic decât timpul de reacție.

Aplicații ale termistorilor de înaltă temperatură: detectare și protecție

Întreruperi PTC pentru supratemperatură ale înfășurărilor motorului cu puncte de comutare clare (120°C – 200°C)

Pentru un număr tot mai mare de motoare industriale, termistorii PTC devin esențiali ca dispozitive interne de protecție pentru înfășurările motoarelor industriale. Aceste dispozitive sunt mici și, în stare de repaus, au o rezistență scăzută. În momentul în care se atinge o temperatură prag (de obicei între 120 și 200 °C), rezistența lor crește semnificativ, iar circuitul electric este întrerupt pentru a preveni ulterioare creșteri ale temperaturii și a evita deteriorarea. Ele sunt concepute astfel încât să nu comute în mod repetat între starea de pornire și cea de oprire la fiecare scădere și creștere a temperaturii. În cazul motoarelor servo, care pot funcționa normal în jurul temperaturii de 150 °C, majoritatea termistorilor PTC utilizați pentru protecție vor avea o precizie de ± 5 % pe parcursul a mii de cicluri de încălzire și răcire. Acesta este un criteriu acceptat pentru conformitatea cu IEC 60751-2. Sunt realizați din ceramici rezistente, ceea ce le permite să suporte medii solicitante, în care este prezentă vibrația. Datorită acestor caracteristici, termistorii PTC pot oferi o protecție termică fiabilă fără utilizarea unor senzori suplimentari sau sisteme de comandă.

Mecanisme de defectare și strategii de atenuare pentru termistoarele de înaltă temperatură

Temperaturile ridicate generează mecanisme specifice de defectare pentru termistoare. Acestea includ ciclarea termică repetată, care provoacă microfisurări diferențiale datorită dilatării diferențiale; modificări ale proprietăților rezistive induse de căldură, cauzate de oxidare accelerată; sigilări care se degradează și determină derapări ale calibrării din cauza contaminanților; și oboseala joncțiunilor de lipitură, care reprezintă una dintre principalele cauze ale defectărilor electro-mecanice datorită vibrațiilor.

Trebuie să începem cu materialele pentru a îmbunătăți strategiile de atenuare. Luați în considerare substanțe precum ceramicele dopate, care pot opri rearanjarea nedorită a structurilor cristaline. Există, de asemenea, carcase metalice sudate cu laser, care oferă o etanșare aproape ideală împotriva influențelor mediului înconjurător. Există, de asemenea, straturi intermedii de disiliciu de molibden, care asigură o amortizare între diferitele materiale care se dilată cu rate diferite în funcție de temperatură. În plus față de alte metode, legarea cu fir de aur este preferată celei cu fir de aluminiu, deoarece este superioară aluminiului la temperaturi peste +400 °C, la care aurul, firul metalic sau alte materiale cedează. Totuși, soluțiile moderne superioare sunt cele care nu se bazează doar pe componente structurale. De exemplu, inginerii pot detecta deteriorarea înainte ca aceasta să se răspândească, prin monitorizarea rezistenței încorporate. În aceste cazuri, caracterul predictiv al abordării este ideal, deoarece este esențial în aplicații fără redundanțe.

Întrebări frecvente  

Din ce materiale sunt fabricați termistorii pentru temperaturi înalte?

Termistorii pentru temperaturi înalte sunt realizați, de obicei, din ceramici, deoarece pot fi construiți din sisteme dopate de oxizi ai metalelor de tranziție care conțin mangan, nichel și cobalt, fiind preferabili datorită ratei reduse de defecte la temperaturi înalte.

Ce înseamnă coarsificarea simultană în straturi multiple în contextul termistorilor?
În cazul coarsificării simultane în straturi multiple, straturile alternative de termistori și straturile de izolație sunt fuzionate într-o singură operațiune de coarsificare, pentru a crea structuri monolitice care pot absorbi mai bine deformațiile decât metodele convenționale.

Cum protejează termistorii PTC înfășurările motoarelor?
Termistorii PTC oferă protecție autonomă, deoarece își măresc rezistența până la un punct în care circuitul este întrerupt, prevenind orice deteriorare suplimentară.