ऑटोमोटिव एयर कंडीशनिंग में सिरेमिक पीटीसी हीटरों के वोल्टेज और टूटने का सामना करने का सिद्धांत

PTC एक प्रकार का अर्धचालक ऊष्मा-संवेदनशील सिरेमिक है, जिसे सकारात्मक तापमान गुणांक ऊष्मा-संवेदनशील सिरेमिक के रूप में संक्षिप्त किया जाता है, जो अत्यंत व्यापक अनुप्रयोगों के साथ एक नए प्रकार की सामग्री से संबंधित है। PTC सिरेमिक के गैर-रेखीय प्रतिरोध तापमान को लागू करके, इसे विभिन्न क्षेत्रों में विकसित और लागू किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, एयर कंडीशनर में सिरेमिक PTC नालीदार हीटर का उपयोग अधिक से अधिक व्यापक होता जा रहा है। इसकी प्रमुख विशेषताओं में से एक इसका सुरक्षा प्रदर्शन है। जब कोई पंखा खराब हो जाता है और चलना बंद हो जाता है, तो अपर्याप्त गर्मी अपव्यय के कारण PTC हीटर की शक्ति अपने आप तेजी से गिर जाएगी। इस समय, हीटर का सतही तापमान क्यूरी तापमान (आमतौर पर लगभग 250 डिग्री) के आसपास बनाए रखा जाता है, ताकि इलेक्ट्रिक हीटिंग ट्यूब हीटर की सतह पर "लालिमा" की घटना उत्पन्न न हो।

2पीटीसी प्रभाव

BaTiO3 अर्धचालक सिरेमिक के PTC प्रभाव को समझाने के लिए विभिन्न सैद्धांतिक मॉडल हैं, जिनमें से हेवांग द्वारा प्रस्तावित सतह अवरोध मॉडल और डेनियल्स एट अल द्वारा प्रस्तावित बेरियम रिक्ति मॉडल अधिक परिपक्व हैं और अधिकांश शोधकर्ताओं द्वारा मान्यता प्राप्त हैं।

पीटीसी प्रभाव का कारण पॉलीक्रिस्टलाइन BaTiO3 अर्धचालक पदार्थों की अनाज सीमा पर स्वीकर्ता सतह की स्थिति के कारण संभावित अवरोध परत की उपस्थिति को माना जा सकता है। सामग्री की प्रतिरोधकता दो भागों से बनी होती है: अनाज शरीर प्रतिरोध और अनाज सतह अवस्था अवरोध। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, सामग्री की प्रतिरोधकता कई क्रमों के परिमाण से बदल जाएगी।

सिरेमिक PTC थर्मिस्टर बेरियम टाइटेनेट के आधार पर निर्मित होते हैं और अन्य पॉलीक्रिस्टलाइन सिरेमिक सामग्रियों के साथ डोप किए जाते हैं, जिनमें कम प्रतिरोध और अर्धचालक गुण होते हैं। क्रिस्टल के जाली तत्व के रूप में उच्च रासायनिक संयोजकता वाली सामग्री को उद्देश्यपूर्ण रूप से डोप करके, जाली में बेरियम आयनों या टाइटेनेट आयनों के एक हिस्से को उच्च संयोजकता वाले आयनों द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप चालकता उत्पन्न करने वाले मुक्त इलेक्ट्रॉनों की एक निश्चित संख्या होती है। PTC थर्मिस्टर प्रभाव का कारण, जो प्रतिरोध मान में चरणबद्ध वृद्धि है, यह है कि सामग्री संरचना कई छोटे माइक्रोक्रिस्टल से बनी होती है, जो अनाज सीमा (अनाज सीमा) पर संभावित अवरोध बनाती है, इलेक्ट्रॉनों को सीमा पार करने और आसन्न क्षेत्रों में प्रवेश करने से रोकती है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च प्रतिरोध होता है। यह प्रभाव कम तापमान पर रद्द हो जाता है: अनाज सीमाओं पर उच्च परावैद्युत स्थिरांक और स्वतःस्फूर्त ध्रुवीकरण शक्ति संभावित अवरोधों के निर्माण में बाधा डालती है और इलेक्ट्रॉनों को कम तापमान पर स्वतंत्र रूप से प्रवाहित होने देती है। उच्च तापमान पर, यह प्रभाव परावैद्युत स्थिरांक और ध्रुवीकरण तीव्रता को महत्वपूर्ण रूप से कम कर देता है, जिससे संभावित अवरोधों और प्रतिरोध में उल्लेखनीय वृद्धि होती है, जो एक मजबूत पीटीसी प्रभाव प्रदर्शित करता है।

सिरेमिक पीटीसी की प्रतिरोध तापमान विशेषताएँ (आरटी विशेषताएँ)

प्रतिरोध तापमान विशेषता, जिसे आमतौर पर प्रतिरोध तापमान विशेषता के रूप में संदर्भित किया जाता है, एक PTC थर्मिस्टर के शून्य शक्ति प्रतिरोध और एक निर्दिष्ट वोल्टेज पर प्रतिरोधक निकाय के तापमान के बीच के संबंध को संदर्भित करता है। बिजली चालू होने के बाद PTC थर्मिस्टर के सतह के तापमान और प्रतिरोध मूल्य में तेज़ और भारी बदलाव के कारण, आमतौर पर संचालित अवस्था में प्रतिरोध तापमान विशेषता वक्र को मापना मुश्किल होता है। प्रतिरोध तापमान विशेषता वक्र आमतौर पर सिरेमिक PTC चिप्स को ओवन में रखकर प्राप्त किया जाता है, जो कि जुड़े नहीं होते हैं, तापमान को स्थिर करने के लिए समायोजित करते हैं और विभिन्न तापमानों पर संबंधित प्रतिरोध मूल्य को मापते हैं, और अंत में प्रतिरोध तापमान विशेषता वक्र को खींचते हैं।

आर सी स्विच प्रतिरोध

आर पी अधिकतम कार्य प्रतिरोध

आर अधिकतम अधिकतम प्रतिरोध

आर मिम न्यूनतम प्रतिरोध

टी सी क्यूरी तापमान

टी पी अधिकतम प्रचालन तापमान

टी अधिकतम अधिकतम तापमान

टी मिनट न्यूनतम तापमान

प्रतिरोध तापमान विशेषताओं को चिह्नित करने वाला महत्वपूर्ण पैरामीटर तापमान गुणांक है, जो प्रतिरोध तापमान विशेषता वक्र की स्थिरता को दर्शाता है। तापमान गुणांक PTC थर्मिस्टर तापमान परिवर्तनों के प्रति अधिक संवेदनशील होता है, अर्थात, PTC प्रभाव जितना अधिक महत्वपूर्ण होता है, उसके संबंधित PTC थर्मिस्टर का प्रदर्शन उतना ही बेहतर होता है, और इसकी सेवा का जीवन उतना ही लंबा होता है। PTC थर्मिस्टर के तापमान गुणांक को तापमान परिवर्तनों के कारण प्रतिरोध में सापेक्ष परिवर्तन के रूप में परिभाषित किया जाता है। =(lgR2-lgR1)/(T2-T1), सामान्य तौर पर, T1 तापमान गुणांक की गणना करने के लिए Tc+15 डिग्री लेता है, और T2 तापमान गुणांक की गणना करने के लिए Tc+25 डिग्री लेता है।

सिरेमिक पीटीसी की वोल्ट एम्पीयर विशेषताएँ (VI विशेषताएँ)

वोल्टेज करंट विशेषता, जिसे वोल्ट एम्पीयर विशेषता के रूप में संक्षिप्त किया जाता है, थर्मल संतुलन प्राप्त करने के लिए विद्युत भार के अधीन होने पर PTC थर्मिस्टर में वोल्टेज और करंट के बीच परस्पर निर्भरता को प्रदर्शित करता है। जब सिरेमिक PTC थर्मिस्टर को चालू किया जाता है, तो वोल्टेज की वृद्धि के साथ करंट तेजी से बढ़ता है। जब क्यूरी तापमान पहुँच जाता है, तो करंट अपने अधिकतम स्तर पर पहुँच जाता है, और PTC थर्मिस्टर PTC क्षेत्र में प्रवेश करता है। PTC थर्मिस्टर की वोल्ट एम्पीयर विशेषताओं को मोटे तौर पर तीन क्षेत्रों में विभाजित किया जा सकता है:

0-Vk के बीच के क्षेत्र को रैखिक क्षेत्र कहा जाता है, और इस क्षेत्र में वोल्टेज और धारा के बीच संबंध मूल रूप से ओम के नियम के अनुरूप होता है, बिना किसी महत्वपूर्ण अरैखिक परिवर्तन के, जिसे गैर क्रिया क्षेत्र के रूप में भी जाना जाता है।

Vk और Vmax के बीच के क्षेत्र को जंप ज़ोन कहा जाता है। इस समय, PTC थर्मिस्टर के स्व-हीटिंग के कारण, प्रतिरोध मान में उछाल आता है, और वोल्टेज की वृद्धि के साथ धारा कम हो जाती है। इसलिए, इस क्षेत्र को एक्शन ज़ोन के रूप में भी जाना जाता है। इस क्षेत्र में धारा और वोल्टेज का अवशिष्ट उत्पाद स्थिर रहता है, जो एक स्थिर शक्ति विशेषता प्रदर्शित करता है। स्थिर शक्ति विशेषता क्षेत्र में विस्तृत वोल्टेज रेंज के कारण, भले ही वोल्टेज बदल जाए, PTC थर्मिस्टर अभी भी एक निश्चित तापमान बनाए रखता है।

VD से ऊपर के क्षेत्र को ब्रेकडाउन ज़ोन कहा जाता है। इस समय, वोल्टेज की वृद्धि के साथ धारा बढ़ती है, और PTC थर्मिस्टर का प्रतिरोध तेजी से घटता है। इसलिए, वोल्टेज और धारा जितनी अधिक होगी, PTC थर्मिस्टर का तापमान उतना ही अधिक होगा, और प्रतिरोध उतना ही कम होगा। यह जल्दी से PTC थर्मिस्टर के थर्मल ब्रेकडाउन की ओर ले जाता है।

पीटीसी घटक टूटने का तंत्र

सिरेमिक पीटीसी घटकों के टूटने को मुख्य रूप से ग्रेन सीमा टूटने और थर्मल टूटने में विभाजित किया जाता है।

5.1 दानों की सीमा का टूटना: दानों की असामान्य वृद्धि या असमान वितरण के कारण कुछ दानों की सीमाओं पर लगाए गए अत्यधिक वोल्टेज के कारण होने वाले टूटने को दानों की सीमा का टूटना कहा जाता है।

1963 जी गुडमैन ने बताया कि सिंगल क्रिस्टल BaTiO3 सिंगल सेमीकंडक्टर डोपिंग PTC प्रभाव प्रदर्शित नहीं करता है, जबकि पॉलीक्रिस्टलाइन BaTiO3 सिरेमिक डोपिंग PTC प्रभाव प्रदर्शित करता है। तब से, PTC को आमतौर पर अंतरराष्ट्रीय स्तर पर अनाज सीमा घटना के रूप में वर्गीकृत किया गया है। PTC घटकों में, अनाज अर्धचालकों से संबंधित होते हैं, और अनाज की सीमाएं इन्सुलेटिंग परत से संबंधित होती हैं, जो संभावित अवरोध है। बाहरी विद्युत क्षेत्र मुख्य रूप से अनाज सीमा परत पर लागू होता है। अनाज का आकार जितना छोटा होता है, प्रति इकाई मोटाई में उतनी ही अधिक अनाज सीमाएँ होती हैं, और प्रत्येक अनाज सीमा को आवंटित प्रभावी वोल्टेज उतना ही कम होता है, जिसके परिणामस्वरूप पीज़ोरेसिस्टिव प्रभाव में कमी और वोल्टेज प्रतिरोध में वृद्धि होती है। यदि अनाज का आकार अधिक असमान है, तो सिरेमिक में कुछ बड़े या असामान्य अनाज होना संभव है, जो कम प्रतिरोधकता वाले चैनल बनाते हैं और वोल्टेज प्रतिरोध को कम करते हैं। कुछ योजकों को ठीक से जोड़ने और वास्तविक उत्पादन में सिंटरिंग प्रक्रिया की हीटिंग स्थितियों में सुधार करने से असामान्य अनाज की पीढ़ी को प्रभावी ढंग से रोका जा सकता है। वास्तविक उत्पादन में, असामान्य कणों वाली पीटीसी सिरेमिक शीट का पता 600V अंतर-ध्रुव वोल्टेज परीक्षण के माध्यम से लगाया जा सकता है।

थर्मल ब्रेकडाउन: पीटीसी घटकों का कार्य बिंदु प्रतिरोध तापमान विशेषताओं के उच्चतम बिंदु को पार करता है और एनटीसी चरण में प्रवेश करता है, जिससे तापमान में तेज वृद्धि होती है और थर्मल ब्रेकडाउन होता है। थर्मल ब्रेकडाउन को प्रभावित करने वाले कारक मुख्य रूप से वोल्टेज प्रभाव, कार्य तापमान, पर्यावरणीय वातावरण और इंटर पोल वोल्टेज परीक्षण विधि से संबंधित हैं।

चित्र में वक्र A में PTC का प्रतिरोध तापमान अभिलक्षणिक वक्र दिखाया गया है, जो दर्शाता है कि जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, प्रतिरोध मान चरण दर चरण बढ़ता है। 250 डिग्री के क्यूरी बिंदु वाला PTC लगभग 320 डिग्री (जिसे विभक्ति बिंदु तापमान के रूप में जाना जाता है) पर अपने अधिकतम मान पर पहुँचता है, जो लगभग कई सौ किलोओम या उससे अधिक होता है। यदि विभक्ति बिंदु पर पहुँचने के बाद तापमान फिर से बढ़ जाता है, तो घटक की RT विशेषताएँ NTC विशेषताएँ प्रदर्शित करती हैं, अर्थात जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, प्रतिरोध घटता जाता है।

उपरोक्त वक्र को शून्य शक्ति की स्थिति में PTC द्वारा मापा गया था, अर्थात, परीक्षण धारा 2mA से कम है (यह धारा PTC को गर्म नहीं करेगी), जो एक स्थैतिक RT विशेषता है। वास्तव में, जब PTC को वोल्टेज से लोड किया जाता है, तो तापमान के साथ प्रतिरोध परिवर्तन का आयाम (प्रतिरोध अनुपात में वृद्धि) काफी कम हो जाएगा, और प्रतिरोध तापमान विशेषता वक्र सपाट हो जाएगा, जैसा कि आंकड़े में वक्र बी में दिखाया गया है। यह तथाकथित वोल्टेज प्रभाव है। वोल्टेज जितना अधिक होगा, PTC का वोल्टेज प्रभाव उतना ही अधिक स्पष्ट होगा। इसलिए 500V वोल्टेज परीक्षण प्रक्रिया के दौरान, खराब प्रदर्शन वाले PTC सिरेमिक शीट टूटने के लिए प्रवण होते हैं, और परीक्षण वोल्टेज जितना अधिक होता है, टूटने की संभावना उतनी ही अधिक होती है।

पीटीसी पर एक निश्चित वोल्टेज लागू करने के बाद, स्वयं द्वारा उत्पन्न ऊष्मा बाहरी ऊष्मा विनिमय के साथ संतुलन अवस्था में पहुँच जाती है और इस संतुलन अवस्था में तापमान को कार्यशील तापमान कहा जाता है। कार्यशील तापमान को प्रभावित करने वाले कारक लागू वोल्टेज और ऊष्मा अपव्यय की स्थितियों से संबंधित होते हैं। 250 डिग्री के क्यूरी बिंदु वाले सिरेमिक पीटीसी को एक उदाहरण के रूप में लेते हुए जब कुछ वेंटिलेशन स्थितियों के तहत परीक्षण किया जाता है, तो 220V वोल्टेज लागू होने पर सिरेमिक पीटीसी का कार्यशील तापमान 258 डिग्री होता है। जैसे-जैसे वोल्टेज बढ़ता है, इसका कार्यशील तापमान भी बढ़ता है। जब 500V वोल्टेज लागू होता है, तो सिरेमिक पीटीसी का कार्यशील तापमान 281 डिग्री होता है, जो 320 डिग्री के टर्निंग पॉइंट तापमान के करीब होता है। सिरेमिक पीटीसी के टूटने का खतरा होता है इसलिए, 220V के रेटेड वोल्टेज और 250 डिग्री के क्यूरी पॉइंट वाले सिरेमिक PTC हीटर के लिए, रेटेड वोल्टेज को बिना वेंटिलेशन के 500V के झेलने वाले वोल्टेज के तहत परखा जाता है, इसलिए रेटेड वोल्टेज 500V है। 220V और 250 डिग्री के क्यूरी पॉइंट वाले PTC सिरेमिक शीट का चयन, और कमरे के तापमान R25 प्रतिरोधकों के लिए विशिष्ट चयन सीमा

गर्मी अपव्यय की स्थिति में एल्यूमीनियम पाइप और स्ट्रिप्स का आकार, नालीदार प्लेटों के बीच की दूरी, एयर कंडीशनर के अंदर पीटीसी इलेक्ट्रिक हीटर की स्थापना की स्थिति और क्या एयर डक्ट उचित है जैसे कारक शामिल हैं। एल्यूमीनियम ट्यूब और एल्यूमीनियम स्ट्रिप का आकार जितना बड़ा होगा, गर्मी अपव्यय की स्थिति उतनी ही बेहतर होगी। नालीदार प्लेटों के बीच की दूरी को उचित रूप से कम करने से नालीदार प्लेटों का क्षेत्र बढ़ सकता है, जिससे गर्मी अपव्यय की स्थिति में सुधार होता है। एयर कंडीशनर के अंदर पीटीसी इलेक्ट्रिक हीटर का इंस्टॉलेशन एंगल नालीदार प्लेटों से गुजरने वाले एयरफ्लो के लिए अधिक अनुकूल होता है, जिससे गर्मी अपव्यय की स्थिति में सुधार होता है। एयर कंडीशनर का एयर डक्ट डिज़ाइन एयरफ्लो के संचलन के लिए जितना अधिक अनुकूल होगा, पीटीसी की गर्मी अपव्यय की स्थिति उतनी ही बेहतर होगी।

इसके अलावा, शक्ति का चयन भी गर्मी अपव्यय की स्थिति को प्रभावित करने वाला एक महत्वपूर्ण कारक है। हीटर की हीटिंग पावर में सुधार करने के लिए, पीटीसी घटकों की संख्या में वृद्धि का उपयोग किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप प्रत्येक घटक अपनी हीटिंग पावर का पूरी तरह से उपयोग नहीं कर पाता है और आंतरिक कार्य तापमान में वृद्धि होती है। मुख्य कारण यह है कि पीटीसी इलेक्ट्रिक हीटर डिजाइन के आकार का निर्धारण होने के बाद, इसका गर्मी अपव्यय क्षेत्र भी निर्धारित किया जाता है। जैसे-जैसे पीटीसी घटकों की संख्या बढ़ती है, पीटीसी घटकों की प्रति इकाई औसत गर्मी अपव्यय क्षेत्र घटता जाता है, जिससे पीटीसी सिरेमिक शीट के थर्मल घनत्व में वृद्धि होती है। उदाहरण के लिए, XX * 580 के आकार वाले एक पीटीसी इलेक्ट्रिक हीटर में 32 * 12 * 2.4 मिमी सिरेमिक प्लेटों का उपयोग किया जाता है। 14 प्लेटों की शक्ति 900W तक पहुंच सकती है, लेकिन 20 प्लेटों की शक्ति केवल 1000W तक पहुंच सकती है। यह इंगित करता है कि सिरेमिक प्लेटों की वृद्धि के साथ इकाई ताप अपव्यय क्षेत्र कम हो जाता है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च ताप घनत्व और कठोर कार्य वातावरण होता है, जिससे टूटने की संभावना आसानी से बढ़ सकती है।

पीटीसी की आंतरिक संरचना अनाज और अनाज की सीमाओं से बनी होती है। पीटीसी का प्रतिरोध भी अनाज और अनाज की सीमा प्रतिरोध से बना होता है। कमरे के तापमान पर पीटीसी का प्रतिरोध अनाज द्वारा निर्धारित किया जाता है, और प्रतिरोध बहुत छोटा होता है। अनाज की सीमाएँ सुचालक होती हैं। जब तापमान क्यूरी तापमान से अधिक हो जाता है, तो अनाज की सीमा प्रतिरोध तेजी से बढ़ जाता है, जो कई सौ किलोओम या मेगाओम तक पहुँच जाता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि पीटीसी की सिंटरिंग और कूलिंग प्रक्रिया के दौरान, अनाज की सीमाएँ ऑक्सीजन के वातावरण में पर्याप्त ऑक्सीजन परमाणुओं को अवशोषित करती हैं, जिससे अनाज की सीमाओं पर अवरोध परत की ऊँचाई बढ़ जाती है और परिणामस्वरूप उत्कृष्ट पीटीसी विशेषताएँ प्राप्त होती हैं। उपयोग के दौरान, यदि पीटीसी स्थित वातावरण में ऑक्सीजन का आंशिक दबाव कम है, तो अनाज की सीमाओं पर ऑक्सीजन परमाणुओं की उच्च सांद्रता धीरे-धीरे फैल जाएगी और बाहर कम सांद्रता में बह जाएगी, जिससे पीटीसी का अनाज सीमा प्रतिरोध कम हो जाएगा, लिफ्ट से ड्रैग अनुपात कम हो जाएगा, और पीटीसी विशेषताएँ गंभीर रूप से खराब हो जाएँगी, जिससे अंततः खराब वोल्टेज प्रतिरोध और पीटीसी टूटना होगा।

सिरेमिक पीटीसी शीट की गुणवत्ता वोल्टेज प्रतिरोध और ब्रेकडाउन का निर्धारण करने में एक महत्वपूर्ण कारक है। विश्वसनीय आपूर्तिकर्ताओं का चयन किया जाना चाहिए, और उच्च वोल्टेज प्रतिरोध और उच्च तापमान गुणांक वाली पीटीसी शीट का चयन करने के लिए सिरेमिक पीटीसी शीट की सख्त इनकमिंग स्क्रीनिंग की जानी चाहिए

हीटिंग प्रक्रिया के दौरान पीटीसी हीटरों और कम करने वाले वायुमंडलों के बीच संपर्क को कम करने के लिए, उद्योग में ऑक्सीजन परमाणुओं के प्रसार को कम करने और पीटीसी सिरेमिक शीट के किनारों को चिपकने वाले पदार्थ से लेपित करके संपीड़न शक्ति में सुधार करने की एक विधि है।

⑶ डिजाइन पीटीसी इलेक्ट्रिक हीटिंग पावर