PTC定温发热体的特点与选用

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PTC(正温度系数)定温发热体是在钛酸钡材料成分中引入微量稀土元素而制成的一种半导体陶瓷。钛酸钡的居里点为120℃,当加入居里点移动剂时,通常其居里点可在(-20℃~300℃)之间变化。习惯上,将120℃以上的称为高温PTC,反之,称为低温PTC。做定温发热体多数选用高温PTC。

特点

PTC发热体与镍、铬丝或红外线管等发热体相比具有以下的特点:

1.具有恒温、调温和精确自动控温的特殊功能。

当PTC发热体两端施加交流或直流电压升温时,刚开始,PTC处于居里温度以下,电阻率低,耗散功率逐步上升,当PTC自热温升使之超越居里温度时,电阻率突然增加几个数量级,使电流下降至稳定值,电阻体表面温度达到并保持定值,不同居里点的发热体其稳定值有异。这就使得PTC发热体有恒温、控温和调温的作用。

2.无明火、安全可靠

PTC只发热,不发红,无明火,不易燃烧。将纸屑类放于其上也不会燃烧。这是由于PTC发热体的自动恒温作用,其功率自动下降至平衡值,使温度不会上升。

3.对电源无特殊要求

用镍、铬丝作发热元件时其发热量与电源电压的平方成正比(∝V\(^{2}\)/R)故电源电压变化对发热量影响很大,对电源稳定性有一定要求。而PTC元件作发热体时,其电源无论是交流还是直流,电压从3V~440V均可使用。当然,对PTC元件来说,选择正确的工作电压值也是至关重要的。

4.热交换率高,节约能源

PTC发热体其能量输入采用比例式(热交换率80~90%),有限流作用,环境温度上升时,PTC元件的发热量将减少,反之则增加。它与镍、铬丝等发热元件的开关式能量输入(热交换率<60%)相比,要节约大量的能源。

5.相应时间快

PTC发热体是内在的体发热,一般情况下,热容量小,热传导迅速,只要传热和散热媒介选择合适,结构设计合理,通电数秒即可达到预定温度。

6.寿命长

由于PTC发热体属半导体陶瓷类,无镍、铬丝在高温时易氧化的弊病,也没有远红外石英管易破碎的现象,其寿命属半永久性的。

7.满足外形各异、设计复杂的要求

PTC发热体是采用一般传统陶瓷工艺生产的,根据不同用途、特别场合可加工成各种规格尺寸、结构复杂、外形各异的PTC定温发热体。

正因为PTC定温发热体具有以上一系列优点,因而这种元件发展较快,应用面广,已涉及到工农业生产、家用电器、医疗卫生等各个领域。

表1列出了常见的几种PTC发热体外形图和它们的应用范围,供读者参考。

图1
图1 🔍原图 (1089×932)

选用

首先,使用温度是至关重要的条件。要确定使用温度必须选定PTC发热体的的居里点温度,而居里点温度与使用温度并非一一对应的关系。大多数用户往往只注意使用温度,忽略了传热媒介(散热结构装置、风速)等耗散条件,使生产厂家无法提供相应的、符合实际应用的PTC发热体。

其次,要确定常温或标称阻值范围。通常依据工作电压和工作电流就可计算出电阻,但PTC发热体在居里点以前有一段负阻温特性,尤其是高温PTC发热体这一特性更为明显。故欧姆定律不能真实地反映PTC发热体的实际情况。一般做法是,接欧姆定律计算出的阻值乘上2~3的放大系数。此时的阻值为最低值,然后根据实际情况和价格确定阻值范围。掌握的原则是,阻值范围太宽,产品一致性欠佳;阻值范围太窄,生产成本升高。

再者,耐电压值的选定也是关系到PTC定温发热体能否长期有效工作的重要参数之一。所谓耐电压,是指在PTC发热体电极两端所加的高于最大工作电压(Umax)一点几至几倍的电压,加压时间在一分钟到几分钟不等。加压后的PTC发热体应无击穿、飞弧、碎裂等异常现象。当然,PTC发热体的耐电压值与其阻值(R\(_{PTC}\))成正比,与其电流(IPTC)成反比。我们选择时不可带有盲目性。

下面举一实例来说明。

某厂欲开发药液驱蚊器,选用环形PTC发热体加热,其结构设计见图1,驱蚊器电路见图2,设计参数见表2。

图2
图2 🔍原图 (767×722)
图3
图3 🔍原图 (278×225)
图4
图4 🔍原图 (616×302)

由设计参数和结构图我们就可计算和选定PTC发热体的电、热参数了。

1.居里点的选定

选择居里点一般根据下列三点综合考虑:①使用温度;②外形结构;③使用环境温度。因该药液挥发温度为120℃,故PTC发热体居里点应高于120℃,高多少为宜呢?这就由结构设计和环境温度来决定了。由结构图可看出,PTC发热环和电极引出铜片均固定在酚醛塑料盒中,其热传导率低,但热耗散系数小,也就是说,达到药液挥发温度所需时间略长,但自身结构的热量损失较小,又由于夏季室内温度较高,外界环境的热损失也很小,但不等于没有热损耗。要计算出热损耗的准确值是一项繁杂的工作。据经验,在这种热损耗小的情况下,一般选定PTC发热体的居里点要高于使用温度20℃左右,即该液体驱蚊器的环形PTC发热体的居里点温度为140℃左右。

需要指出的是由于PTC发热体的各生产厂的技术水平有高低,工艺设备不同,原材料有别,所生产出的PTC定温发热体α系数有差异,满足同一使用温度时,其PTC发热体的居里点就有高低之分。在选用时,要求生产厂提供样品,经试验、组装合格后再定。

2.阻值范围的确定

根据式R\(_{0}\)=α×V/Imax计算

式中R\(_{0}\)——PTC零功率下常温阻值;α——放大系数(2~3倍); V——工作电压;Imax——最大工作电流;

如设计参数中,工作电压为220V,Imax为1A,则R0则为500Ω,此时计算出的阻值为最低值,综合考虑后确定PTC发热体的阻值范围为500Ω~2k。

3.耐电压(V\(_{耐}\))值的计算

由式V\(_{耐}\)=Umax×β计算

式中Umax——最大工作电压;β——安全系数(1.5~3倍);

若最大工作电压为250V,β为1.7,则耐电压值定为420Vrms,持续时间为2分钟。

经过以上过程,该液体驱蚊器的PTC定温发热体技术条件就确定了,经样品试用符合要求后就可订货。

使用中应注意事项

1.PTC发热体在真空、或在含有还原性气体及有害气体环境中使用(如 CO\(_{2}\)、CO、 CL2、S、水蒸气等),PTC效应会明显下降,致使可靠性降低。

2.在灰尘严重、纤绒较多的环境中不可使用,这些杂质吸附于PTC发热体表面使PTC的热量不易传出,造成元件功能降低或失效。

3.不可在浴室或有露水的环境中使用,一方面水雾或露水聚集在PTC表面,使PTC发热体处于居里点以下的工作状态,时间略长就使PTC失效,另一方面,PTC元件的两电极较近,水雾或露水较易造成短路,给人身带来不必要的伤害。

4.同样PTC发热体也不可浸于水、油或其它化学品的液体中。

5.不能在有金属粉末的环境中使用,因为金属粉末积落于PTC发热体上,会造成短路,引起事故。

6.PTC元件在高频下使用,尤其在1MHz时,便会失去正温度特性,这一点往往被人忽视了。所以有必要提请注意:PTC元件应在低频下使用。(何学元)