Як термістори для високих температур зберігають стабільність при екстремальному нагріванні?

Надійна робота понад 300 °C за допомогою керамічних композитів та оксидів металів із домішками

Термістори для високих температур використовують спеціальні керамічні композити (зокрема, леговані оксиди перехідних металів на основі систем марганець–нікель–кобальт (MNC)), структура яких оптимізована для надійної роботи при температурах понад 300 °C. Уся напівпровідникова активність зосереджена в певній кристалічній структурі, де іонний рух не є достатньо вільним. Надлишок рідкоземельних елементів у суміші стабілізує склад термістора, а отже, покращує його теплову чутливість. Виробники термісторів повідомляють, що за умови використання правильного хімічного складу їхні термістори демонструють зміну опору менше ніж на 0,5 % після 5000 циклів термічного навантаження (стандарти ASTM). Використання стабілізаторів пухирців на основі ітрій-стабілізованого цирконію та спікання в середовищі, багатому киснем, сприяє формуванню бажаної мікроструктури. Ця мікроструктура забезпечує термісторам дуже низьку схильність до утворення тріщин під впливом теплового напруження під час екстремальних циклів термічного навантаження.

Проблеми з термо-зчепленням компонентів з часом: осідання кристалів  

Кристалічне розшарування виявлено проблемним у разі нагрівання твердого матеріалу до достатньо високої температури протягом тривалого часу. Один із провідних заходів протидії цій проблемі — так зване багатошарове спільне обпалювання. Під час багатошарового спільного обпалювання кілька шарів термісторів, а також ізоляційні шари, з’єднуються в єдиному циклі спікання (приблизно при 1400 °C), утворюючи однорідну монолітну структуру, спеціально розроблену для компенсації механічних напружень. Найновіші конструкції дозволили знизити внутрішні механічні напруження (всередині структури) нижче ніж на 50 % порівняно з типовим рівнем (середнім напруженням) для структур, виготовлених за допомогою традиційного вертикального наслаювання (вимірювання залишкових напружень у спільно обпалених структурах проведено відповідно до стандарту IEC 60539). Після спільного обпалювання пристрій піддають герметичному алюмінієвому упакуванню з утворенням вакуумного (гелієвого) герметичного з’єднання. Результати випробувань показують швидкість витоку гелію < 1 × 10⁻⁸ атм·см³/с, що запобігає проникненню газів (зсуву характеристик) всередину упакування при температурах понад 250 °C. Коефіцієнти теплового розширення матеріалу упакування (алюмінію) та матеріалу термістора добре узгоджені (в межах ±1,5 ppm/°C), що сприяє зменшенню руху меж зерен принаймні на 80 % (після тривалого терміну експлуатації).

Ці технології забезпечують збереження точності компонентів із відхиленням менше ніж на 2 % протягом 10 000 годин при повній робочій температурі.

Показники термічної стабільності за умов реального навантаження

Термістори для роботи при високих температурах повинні зберігати точність не лише в лабораторних умовах, а й за умов поєднаного впливу термоциклів, хімічної дії та механічних вібрацій у реальних умовах експлуатації.

Показники тривалого дрейфу: зміна опору менше ніж на 2 % після 5000 годин при температурі 250 °C (IEC 60751-2)

IEC 60751-2 визначає стандарти надійності, яких більшість компаній прагне досягти. У розділі, присвяченому специфікаціям негативного дрейфу, датчики, що демонструють зміну опору менше ніж на 2 %, вважаються такими, що зберегли цей дрейф після безперервної експлуатації протягом 5000 годин при температурі 250 °C. Щоб підтвердити ці специфікації, виробники проводять прискорені випробування на старіння, які імітують умови експлуатації обладнання. Ці випробування включають використання численних кліматичних камер для імітації різноманітних середовищ (наприклад, спекотного й вологого), а також експлуатацію обладнання на повній потужності з перевищенням заданих параметрів. Температура експлуатації обладнання також швидко циклюється (наприклад, до 300 °C за менше ніж хвилину). Щоб досягти таких результатів, виробники працюють з матеріалами, що мають стабільні кристалічні структури. Виробництво цих матеріалів вимагає спеціального легування, уважного відпалу для зняття накопичених напружень та формування правильного мікроструктурного стану, що забезпечує отримання бажаного кінцевого результату.

Компроміс між часом відгуку та точністю у тепловому моніторингу перетворювачів високої потужності

Вибір відповідного термістора при роботі з високопотужними перетворювачами (понад 200 °C) вимагає компромісів між швидкістю реакції та точністю вимірювань. Датчики із товстошаровим покриттям забезпечують час відгуку менше ніж півсекунди, що є досить добре, але мають похибку точності близько 1,5 °C при різких змінах навантаження. Натомість деякі термісторні кульки, занурені в захисні покриття, мають точність 0,3 °C навіть при різких змінах температури понад 50 °C за секунду, однак їхній час відгуку перевищує 3 секунди. У разі захисних елементів у IGBT наслідки помилки можуть бути дуже серйозними: це може призвести як до необґрунтованого вимкнення системи, так і, навпаки, до перегріву та знищення пристрою. Більшість інженерів вважають такий тип проектування системи та точність вимірювань більш критичним параметром, ніж швидкість реакції.

Застосування термісторів для високих температур: вимірювання та захист

Відсічка перегріву обмоток двигуна за допомогою PTC із різкими точками перемикання (120 °C – 200 °C)

Для зростаючої кількості промислових двигунів термістори PTC стають обов’язковими внутрішніми пристроями захисту обмоток промислових двигунів. Ці пристрої мають невеликі розміри й у стані спокою характеризуються низьким опором. Після досягнення порогової температури (зазвичай в інтервалі від 120 до 200 °C) їх опір різко зростає, що призводить до розриву електричного кола для запобігання подальшому підвищенню температури та уникнення пошкоджень. Вони виконані таким чином, що не вмикаються й не вимикаються циклічно при кожному підвищенні й зниженні температури. У разі сервоприводів, які можуть нормально функціонувати при температурі близько 150 °C, більшість термісторів PTC, що використовуються для захисту, забезпечують точність в межах ±5 % протягом тисяч циклів нагрівання й охолодження. Це є загальноприйнятим критерієм відповідності стандарту IEC 60751-2. Вони виготовлені з міцної кераміки, що дозволяє їм витримувати складні умови експлуатації, зокрема наявність вібрації. Завдяки цим характеристикам термістори PTC забезпечують надійний тепловий захист без потреби в додаткових датчиках або системах керування.

Механізми виходу з ладу та стратегії їх запобігання для термісторів, розрахованих на високі температури

Високі температури спричиняють специфічні механізми виходу з ладу термісторів. До них належать: багаторазове термічне циклювання, що призводить до мікротріщин унаслідок нерівномірного розширення; термічно індуковані зміни резистивних властивостей через прискорене окиснення; руйнування ущільнень та зміщення калібрування через забруднювачі; а також втома паяних з’єднань — одна з основних причин електромеханічного виходу з ладу, спричинена вібрацією.

Ми повинні почати з матеріалів, щоб покращити стратегії зменшення ризиків. Наприклад, леговані керамічні матеріали, які запобігають небажаному перебудовуванню кристалічних структур. Також існують металеві корпуси, зварені лазером, що забезпечують майже ідеальне ущільнення проти впливу навколишнього середовища. Крім того, молібдендисиліцидні проміжні шари забезпечують амортизацію для різних матеріалів, які розширюються з різною швидкістю при зміні температури. Окрім інших методів, з’єднання золотим дротом переважає над алюмінієвим, оскільки воно краще витримує температури понад +400 °C, за яких золото (як металевий дріт) або інші матеріали втрачають працездатність. Однак сучасні передові рішення — це ті, що ґрунтуються не лише на конструктивних компонентах. Наприклад, інженери можуть виявити пошкодження до того, як воно пошириться, за допомогою вбудованого моніторингу опору. У таких випадках прогнозний характер підходу є ідеальним, оскільки це критично важливо в застосуваннях без резервування.

Поширені запитання  

З яких матеріалів виготовлено термістори для роботи при високих температурах?

Термістори для роботи при високих температурах зазвичай виготовляють із кераміки, оскільки їх можна створювати на основі легованих систем оксидів перехідних металів, що містять марганець, нікель та кобальт, і такі матеріали є переважними через меншу ймовірність виходу з ладу при високих температурах.

Що означає термін «спільне обпалювання багатошарових конструкцій» у контексті термісторів?
При спільному обпалюванні багатошарових конструкцій чергуються шари термісторів і шари ізоляції, які спільно обпальнуються в одному циклі, щоб утворити монолітні структури, які краще витримують механічні деформації порівняно з традиційними методами.

Як термістори PTC захищають обмотки двигунів?
Термістори PTC забезпечують самозахист: вони збільшують своє опір до такого значення, що ланцюг розривається, щоб запобігти подальшій пошкодженню.