EN
Багато речей може статися непередбаченим чином, коли термістори використовуються при температурах, які не вказані виробником. Наприклад, при температурах близько мінус п’ятдесяти (–50) градусів Цельсія починаються проблеми при використанні термісторів із характеристиками NTC. Спостерігаються різкі зростання опору на 300–500 % або навіть більше, які зовсім не є лінійними. Оскільки носії заряду, здається, втрачають здатність вільно переміщатися, вони «захоплюються» й обмежуються. А що ж відбувається на протилежному кінці діапазону? Високі ефективні температури близько ста п’ятдесяти (150) градусів Цельсія перевищують інший поріг деградації. Коли в напівпровідник додається все більше енергії (у формі тепла), відбувається руйнування його структури. Діє закон Мура: загальний опір матеріалу зменшується, оскільки зростає кількість вільних електронів і загальний заряд. Зазвичай це явище підпорядковується закону Арреніуса. Однак можуть виникнути екстремальні й неконтрольовані умови. Експерти спостерігали, що при кожному додатковому підвищенні температури понад 150 °C втрати ефективного опору через нагрівання можуть сягати 15–25 %.
Ці відмінності можуть зробити датчики ненадійними для завдань, що вимагають максимальної точності, наприклад, вимірювання температури на полярних дослідницьких станціях або моніторингу реактивних двигунів під час польоту. На полярних дослідницьких станціях навіть різниця в півградуса може визначити успіх чи невдачу.
Матеріалозалежна деградація коефіцієнтів бета та альфа
Конструкція та матеріали упаковки визначають стійкість термісторів до високих і низьких екстремальних температур. Наприклад, термістори з негативним температурним коефіцієнтом (NTC) на основі оксиду марганцю та нікелю можуть втратити до 40 % своїх бета-коефіцієнтів через незворотні зміни кристалічної структури під впливом температур близько 200 °C. Термістори на основі кобальту мають власні унікальні характеристики. При експозиції до температур нижче 0 °C ці термістори демонструють дрейф альфа-коефіцієнта ±0,5 °C, а також менше 0,5 °C на місяць, оскільки через зазначену низьку температуру у кристалічній структурі виникають мікродефекти. Одним із найцікавіших і загадкових фактів щодо конструкції та упаковки термісторів є їх вплив на надійність. Наприклад, під час термічного циклювання термістори в епоксидному корпусі виходять з ладу приблизно втричі швидше, ніж термістори в скляному корпусі, особливо щодо нестабільності бета-коефіцієнта. Термістори в епоксидному корпусі демонструють нестабільність 0,8 % за 1000 годин при 125 °C, тоді як термістори в скляному корпусі — лише 0,25 % за той самий період.
Різні типи відмов означають, що інженерам потрібно уважно підходити до вибору матеріалів для певних застосувань. До таких застосувань належать датчики, що використовуються в операціях буріння глибоких свердловин або в медичних пристроях, які зберігають рідини при температурах понад 100 градусів і вимагають точних вимірювань протягом тривалого часу.
Оптимізація вибору термісторів для застосувань у екстремальних температурних умовах
Підбір типу герметизації (скло чи епоксидна смола) залежно від конкретних умов навколишнього середовища
Тип герметизації та робота термісторів у екстремальних умовах
Спосіб інкапсуляції матеріалу визначає ступінь стійкості термісторів до екстремальних умов їхнього середовища. Зі скляною інкапсуляцією термістори можуть надійно працювати в середовищах з температурою до 250 °C та до −80 °C — це дуже широкий температурний діапазон. Вони забезпечують герметичне ущільнення та практично повну бар’єрну захистну оболонку, яка захищає пристрої від проникнення вологи, хімічних речовин, а також від фізично руйнівних чинників. Саме тому скляно-інкапсульовані термістори широко використовуються в таких високоякісних застосуваннях, як двигуни автомобілів, системи керування промисловими печах та акумуляторні батареї електромобілів (EV). Натомість термістори з дешевшою епоксидною інкапсуляцією мають певні обмеження: вони можуть набухати під впливом розчинників, тріскатися при зміні температури більше ніж на 200 °C за дуже короткий час і втрачати іонну непроникність у вологих або солоних умовах. У цьому контексті розробники сенсорів повинні враховувати багато факторів.
Стійкість до хімічних речовин: скло стійке до вуглеводнів та засобів для очищення; епоксид може пластифікуватися або розшаровуватися.
Стійкість до термічного удару: скло — єдиний матеріал серед сертифікованих пристроїв, який витримує багаторазове циклювання при температурі понад 200 °C без утворення мікротріщин.
Герметичність: для медичного класу інкапсуляції електронних систем обов’язковою є інкапсуляція склом, у тому числі в системах електромобілів (EV) з високою напругою, де струм витоку має бути меншим за 1 нА.
Узгодження розширеного діапазону робочих температур із тепловим часом затримки
Узгодження широкого діапазону температур і швидкої часової відповіді є досить складним завданням проектування. Хоча мініатюрні термістори у вигляді кульок можуть забезпечити час реакції всього 1 %, їх загалом вважають ненадійними при температурах понад 150 °C. З іншого боку, більші термістори у вигляді скляних кульок реагують, але лише через 10–30 секунд. Виявлення теплового розбіжного процесу (thermal runaway) в акумуляторах — це серйозна проблема; тут потрібний час реакції має становити менше 3 секунд при 200 °C, тому провідні виробники обирають гібридні конструкції. Простими словами, вони поєднують різні теплові маси, розміщуючи швидкодіючі термістори на кінчику та стабільні термістори в основі. Крім того, спеціальний ізольований нікельований корунд, що використовується у багатьох конструкціях, забезпечує кращу реакцію на тепло й електрику. Сьогодні «розумні» системи проектують так, щоб передбачати час реакції й вносити корективи для контролю цього часу.
Дослідження свідчать, що якщо інженери однаково уважно ставляться до безпеки й швидкодії, кількість збоїв зменшується на 34 % під час роботи систем у дуже низьких температурах. Це означає, що час відгуку слід проектувати так, щоб він забезпечував безпечну роботу в реальних умовах експлуатації, а не був розрахований на граничні значення.
Надійність термісторів у реальних умовах експлуатації: стабільність, дрейф і стійкість до перешкод
Стабільність у довгостроковій перспективі порівняно з повторюваністю в короткостроковій перспективі за умов високої вологості та вібрації
Коли йдеться про надійність у складних умовах, необхідно розрізняти довготривалу стабільність та короткотривалу відтворюваність. Довготривала стабільність пов’язана з тим, наскільки незначно — або взагалі — змінюється відповідь опору протягом багатьох років, тоді як короткотривала відтворюваність стосується того, чи залишається відповідь незмінною під час швидких змін температури або раптових ударних навантажень. У великих акумуляторах або метеостанціях із NTC-датчиками, покритими епоксидною смолою, якщо щорічне відхилення перевищує ±0,1 °C (що трапляється легко й часто), система зазнає затримок і зростання витрат через часті калібрування. Навпаки, невеликі тріщини, спричинені механічними вібраціями, можуть негативно впливати на короткотривалі вимірювання й збільшувати рівень шуму аж на 15 %. І, звичайно, існує шкідливий і руйнівний вплив вологості. Полімерне покриття поглинає вологу, і коли обладнання піддається повторним змінам точки роси, базові значення опору зміщуються, а гістерезисні ефекти суттєво посилюються.
Фактор: зосередженість на стабільності в часі проти зосередженості на повторюваності в часі
Екологічні стресори: термічне старіння, окиснення, іонна міграція; механічні впливи: вібрація, різка зміна температури, механічний удар
Ключовий показник: дрейф (ppm/рік); узгодженість вимірювань (стандартне відхилення < 0,05 °C)
Пріоритет проектування: герметичне упакування (скляна енкапсуляція) та стабільна металізація; кріплення з демпфіруванням ударів та приєднання виводів із низьким механічним напруженням
Термістори мають високу стійкість до електричних перешкод завдяки своєму високому базовому опору (від 1 до 100 кОм). Саме тому їм не потрібне електромагнітне екранування, яке обов’язкове для пристроїв із нижчим опором, наприклад, для термопар та ТСО. Наприклад, розгляньте офшорні вітрові електростанції та сучасні системи допомоги водієві в автомобілях. Термістори з бусинкоподібним елементом, покриті силіконом, які використовуються в цих системах, також піддаються впливу вологості, але реагують за менше ніж 1 секунду. Це свідчить про те, що правильний вибір матеріалів може допомогти інженерам вирішити проблеми надійності при розробці обладнання, призначеного для експлуатації в екстремальних умовах.
Практичне застосування: NTC-термістори в системі теплового управління акумуляторами EV
NTC-термістори є надзвичайно корисними під час моніторингу температури акумуляторних батарей електромобілів. Контроль температури необхідно здійснювати в інтервалі від 15 до 35 градусів Цельсія, оскільки літій-іонні елементи пошкоджуються при температурах поза цими межами, а також існує ризик небезпечного перегріву. Датчики NTC вбудовані всередину та постійно контролюють опір акумулятора через систему управління акумулятором. Це дозволяє системі охолоджувати акумулятор. Наприклад, коли температура акумулятора перевищує 40 градусів Цельсія, активується рідинне охолодження, щоб уникнути хімічних реакцій у батареї. Однак, якщо температура акумулятора опускається нижче нуля градусів Цельсія, вмикаються нагрівачі PTC, щоб забезпечити стабільний рух іонів у електроліті. Завдяки розумному контролю температури термін служби акумуляторів збільшується на 30 % порівняно з системами безперервної роботи, а водії отримують на 15 % більш стабільний і ефективний запас ходу. Це було перевірено й підтверджено в реальних умовах протягом кількох років у частині Каліфорнії та в екстремальних кліматичних умовах Норвегії.
Те, що робить ці датчики унікальними, — це їхня здатність виявляти «гарячі точки» протягом мілісекунд, перш ніж ситуація вийде з-під контролю, особливо під час екстремальних сеансів постійного струму потужністю 350 кВт. NTC-термістори мають чудові характеристики, оскільки вони придатні для важких умов експлуатації, витримують агресивні середовища й є економічно вигідними. Саме тому їх досі широко використовують у багатьох галузях промисловості — не лише в електромобілях, а й у силових системах літаків та масштабних системах зберігання енергії по всьому світу.
ЧаП
Чому термістори мають нелінійний опір при крайніх температурах?
При температурах нижче −50 °C рух носіїв заряду обмежений у напівпровіднику, що призводить до високого опору. Навпаки, при температурах вище 150 °C внутрішня структура напівпровідника руйнується, що призводить до непередбачуваних стрибків зниження опору.
Який вплив має герметизація термістора на його роботу?
З усіх типів герметизації термістори зі скляною герметизацією забезпечують найкращий захист від вологи, хімічних речовин та інших фізичних впливів, тому вони чудово працюють у екстремальних умовах. Хоча термістори з епоксидною герметизацією схильніші до набухання та утворення тріщин, що забезпечує менший захист, вони пропонують найменший захист від набухання та тріщин порівняно з термісторами зі скляною герметизацією.
Чи є NTC-термістори надійними в системах управління акумуляторами електромобілів?
Так. NTC-термістори використовуються в усіх системах управління акумуляторами електромобілів для всіх систем теплового управління, і, як наслідок, вони продовжують термін служби акумуляторів та стабілізують їхню роботу.
