EN
Många saker händer som inte kan förutspås när termistorer används vid temperaturer som inte anges av tillverkaren. Till exempel börjar problem uppstå vid temperaturer på cirka minus femtio (−50) grader Celsius vid användning av termistorer med NTC-egenskaper. Drastiska ökningar på mellan 300–500 procent, eller ännu mer, observeras och är alls inte linjära. Eftersom laddningsbärarna inte verkar kunna röra sig fritt blir de fångade och begränsade. Vad gäller förändringen vid det andra extremitetstillfället? Vid höga effektiva temperaturer på cirka hundrafemtio (150) grader Celsius överskrids en annan nedbrytningsgräns. När allt mer energi (i form av värme) tillförs halvledarmaterialet sker en strukturell nedbrytning av halvledarmaterialet. Moores lag gäller, och den totala resistansen i materialet minskar ju fler fria elektroner och ju större total laddning som finns. I allmänhet följer denna fenomenologin Arrhenius lag. Dock kan extrema och okontrollerade förhållanden uppstå. Experter har observerat att värme kan minska den effektiva resistansen med 15–25 procent för varje ytterligare 10 grader över 150 grader Celsius.
Dessa skillnader kan göra sensorerna otrustvärda för uppgifter som kräver högsta precision, till exempel mätning av temperaturer vid polarforskningsstationer och övervakning av jetmotorer under flygning. Vid polarforskningsstationer kan även en halv grad skillnad innebära skillnaden mellan framgång och misslyckat resultat.
Materialspecifik försämring av beta- och alfa-koefficienter
Konstruktionen och förpackningsmaterialen bestämmer termistorernas hållbarhet vid exponering för extrema höga och låga temperaturer. Till exempel kan manganes-nickeloxid-NTC-termistorer (negativ temperaturkoefficient) förlora upp till 40 % av sina beta-koefficienter på grund av irreversibla förändringar i kristallstrukturen när de utsätts för temperaturer runt 200 grader Celsius. Koboltbaserade termistorer visar sina egna unika egenskaper. När de utsätts för temperaturer under 0 grader Celsius upplever dessa termistorer en drift i alfa-koefficienten på ±0,5 °C, och mindre än 0,5 °C per månad, eftersom mikroskopiska defekter i kristallstrukturen utvecklas på grund av den nämnda kylan. En av de mest intressanta och förvirrande sakerna angående konstruktion och förpackning av termistorer är deras inverkan på tillförlitligheten. Till exempel misslyckas termistorer med epoxiinkapsling ungefär tre gånger snabbare än termistorer med glasinkapsling vid termisk cykling, särskilt vad gäller beta-instabilitet. Termistorer med epoxiinkapsling upplever en instabilitet på 0,8 % per 1000 timmar vid 125 °C, medan termistorer med glasinkapsling upplever en instabilitet på 0,25 % under samma tidsram.
Olika typer av fel innebär att ingenjörer måste vara försiktiga med vilka material de använder för vissa applikationer. Detta inkluderar sensorer som används vid borrning i djupa brunnar eller i medicinska apparater som lagrar vätskor vid temperaturer över 100 grader och kräver noggranna mätningar under långa tidsperioder.
Optimering av termistorval för applikationer med extrema temperaturförhållanden
Anpassning av inkapslingstyp (glas vs. epoxi) till specifika miljöförhållanden
Inkapslingstyp och termistorprestanda i hårda miljöer
Sättet att kapsla in materialet avgör i vilken utsträckning termistorer kan tåla de krävande förhållanden i sina miljöer. Med glaskapsling kan termistorer fungera tillförlitligt i miljöer med temperaturer så höga som 250 grader Celsius och så låga som minus 80 grader Celsius, vilket utgör ett mycket brett temperaturområde. De ger en vattentät försegling och en mycket fullständig barriär som skyddar komponenter mot fuktinträngning, kemisk inträngning samt fysiskt skadliga påverkningar. Därför finns glaskapslade termistorer i utmärkta tillämpningar såsom bilmotorer, industriella ugnstyrsystem och batteripaket för eldrivna fordon (EV). Billigare termistorer med epoxikapsling har däremot begränsningar: de kan svälla vid kontakt med lösningsmedel, spricka om temperaturen ändras med mer än 200 grader inom en mycket kort tid och förlora sin jon-täthet under fuktiga eller saltbelastade förhållanden. I detta avseende måste konstruktörerna av sensorn ta hänsyn till många faktorer.
Kemisk motstånd: Glas är motståndskraftigt mot kolväten och rengöringslösningsmedel; epoxi kan plastificeras eller delamineras.
Motstånd mot termisk chock: Glas är det enda materialet bland de bedömda enheterna som tål upprepad cykling ovanför 200 °C utan mikrofrakturer.
Hermetiskhet: För medicinskgradig inkapsling av elektroniska system krävs glasinkapsling, inklusive högspännings-EL-system (EV-system), där läckströmmen måste vara mindre än 1 nA.
Balansering av utvidgat temperaturområde med termisk tidskonstant
Att balansera ett brett temperaturområde och en snabb tidssvar är en ganska stor designutmaning. Även om mikroskopiska kulformade termistorer kan ge ett svarstid på en procent, anses de i allmänhet vara otillförlitliga vid temperaturer över 150 grader Celsius. På det andra extrema är större glaskulformade termistorer svarsslöa, men ger ändå ett svar – dock först efter 10 till 30 sekunder. Att upptäcka termisk rasering i batterier är en stor utmaning; där svarstider krävs att vara under tre sekunder vid 200 grader Celsius väljer ledande tillverkare hybridkonstruktioner. I korthet innebär detta att man kombinerar olika värmmassor och placerar snabbsvarande termistorer i spetsen samt stabila termistorer i botten. Dessutom ger den egna isolerade, nikkelpålagda aluminiumoxid som används i många konstruktioner en bättre respons på värme och elektricitet. Idag är "smarta" system utformade för att förutsäga svarstiden och göra justeringar för att styra tiden.
Forskning visar att ingenjörer som fäster lika stor uppmärksamhet vid säkerhet och hastighet minskar antalet fel med 34 % när systemen opererar i mycket kalla förhållanden. Detta tyder på att svarstider bör utformas för att fungera säkert inom de faktiska driftförhållandena snarare än att drivas till ytterligheter.
Tillförlitlighet hos termistorer i verkliga tillämpningar: stabilitet, drift och störimmunitet
Långsiktig stabilitet jämfört med korttidspålitlighet under förhållanden med hög luftfuktighet och vibration
När det gäller tillförlitlighet i hårda förhållanden måste man skilja mellan långsiktig stabilitet och kortsiktig upprepbarhet. Långsiktig stabilitet handlar om hur liten, om ens någon, förändring av motståndssvaret är över flera år, medan kortsiktig upprepbarhet avser om svaret förblir detsamma vid snabba temperaturförändringar eller plötsliga stötar. För stora batterier eller väderstationer med NTC-sensorer belagda med epoxi kommer en årlig drift på mer än ±0,1 °C (något som lätt och ofta inträffar) att leda till fördröjningar och ökade kostnader på grund av frekventa kalibreringar. Omvänt kan små sprickor orsakade av mekanisk vibration negativt påverka kortsiktiga mätningar och öka brusnivån med upp till 15 %. Och naturligtvis finns det den skadliga och destruktiva effekten av fukt. Fukt absorberas av polymerbeläggningen, och när utrustningen utsätts fortlöpande för ändringar i daggpunkt förskjuts de grundläggande motståndsnivåerna och hystereseffekterna ökar kraftigt.
Faktor: Fokus på stabilitet över tid, fokus på upprepning över tid
Miljöpåverkande faktorer: termisk åldring, oxidation, jonmigration; Mekaniska påverkningar: vibration, snabb temperaturändring, mekanisk stöt
Nyckelmätvärde: Drift (ppm/år), mätningens konsekvens (standardavvikelse < 0,05 °C)
Utformningsprioritet: Hermetisk försegling (glasinkapsling) och stabil metallisering; Monteringslösning med stötdämpning och ledanslutning med låg spänningspåverkan
Termistorer är mycket motståndskraftiga mot elektrisk störning tack vare sin höga basresistans (1–100 kiloohm). Därför kräver de inte den elektromagnetiska skärmen som enheter med lägre resistans, till exempel RTD:er och termoelement, behöver. Till exempel kan man titta på havsbaserade vindkraftverk och avancerade förarstödsystem i bilar. De silikongjutna kulformiga termistorerna som används i dessa system påverkas också av fuktproblem, och de svarar på mindre än 1 sekund. Detta visar att valet av lämpliga material kan hjälpa till att lösa pålitlighetsproblem som ingenjörer möter vid utvecklingen av utrustning avsedd för användning i extrema förhållanden.
Praktiskt tillämpningsfokus: NTC-termistorer i termisk hantering av elbilens batteri
NTC-thermistorer är extremt användbara vid övervakning av batteritemperaturerna i elbilsbatteripack. Temperaturreglering måste ske inom intervallet 15 till 35 grader Celsius, eftersom litiumjonceller skadas när temperaturerna ligger utanför dessa regleringsområden, och det finns en risk för farlig överhettning. NTC-sensorerna är inbyggda i batteriet och övervakar kontinuerligt batteriets resistans via batterihanteringssystemet. Detta gör att systemet kan kyla ner batteriet. Till exempel aktiveras vätskekylning när batteritemperaturen stiger över 40 grader Celsius för att undvika kemiska reaktioner i batteriet. Om batteritemperaturen däremot sjunker under noll grader Celsius slås PTC-värmare på för att bibehålla jonflödet i elektrolyten. Med smart temperaturreglering får batterier en 30 procent längre livslängd jämfört med kontinuerliga driftsystem, och förare upplever en 15 procent mer konsekvent och effektiv räckvidd. Detta har testats och bevisats i verkliga förhållanden i delar av Kalifornien och i Norges hårda klimat under flera år.
Vad som gör dessa sensorer unika är att de kan upptäcka varma fläckar inom millisekunder innan något eskalerar, särskilt under extrema DC-snabbuppladdningssessioner med 350 kW. NTC-termostatresistorer har imponerande egenskaper eftersom de är lämpliga för tunga applikationer, tål hårda miljöer och är kostnadseffektiva. Därför används de fortfarande ofta inom många andra branscher, inte bara inom elbilar utan även i flygplanens elkraftsystem och storskaliga energilagringssystem världen över.
Vanliga frågor
Varför har termistorer icke-linjär resistans vid temperaturgränserna?
Vid temperaturer lägre än -50 grader Celsius begränsas rörelsen hos laddningsbärarna i halvledarmaterialet, vilket leder till hög resistans. Omvänt förstörs halvledarmaterialets inre struktur vid temperaturer högre än 150 grader Celsius, vilket leder till okontrollerade minskningar av resistansen.
Vilken effekt har termistorens inkapsling på termistorns prestanda?
Av alla inkapslingstyper erbjuder glasinkapslade termistorer bästa skydd mot fukt, kemikalier och andra fysiska påverkningar, vilket gör att de är utmärkta i extrema miljöer. Även om epoxiinkapslade termistorer är mer benägna att svälla och spricka, vilket ger mindre skydd, så erbjuder de minst skydd mot sprickbildning och svällning jämfört med glasinkapslade termistorer.
Är NTC-termistorer pålitliga i batterihanteringssystemen för eldrivna fordon?
Ja. NTC-termistorer används i alla batterihanteringssystem för eldrivna fordon för hela det termiska hanteringssystemet, och som ett resultat förlänger de batteriernas livslängd och stabiliserar deras prestanda.
