Саморегулирующийся нагреватель

Нагревательный элемент с положительным температурным коэффициентом (PTC-нагревательный элемент), или саморегулирующийся нагреватель , представляет собой электрический резистивный нагреватель , сопротивление которого значительно увеличивается с температурой. Название саморегулирующийся нагреватель происходит от тенденции таких нагревательных элементов поддерживать постоянную температуру при подаче заданного напряжения.

Нагревательные элементы PTC представляют собой разновидность термистора .

Нагревательные элементы PTC имеют большие положительные температурные коэффициенты сопротивления , что означает, что если подано постоянное напряжение, элемент производит большое количество тепла, когда его температура низкая, и меньшее количество тепла, когда его температура высокая. Для сравнения, большинство электрических нагревательных элементов также имеют положительные температурные коэффициенты, но эти коэффициенты настолько малы, что элементы производят примерно одинаковое количество тепла независимо от температуры. ^[1]

Некоторые нагревательные элементы PTC разработаны для резкого изменения сопротивления при определенной температуре. Эти элементы называются саморегулирующимися , поскольку они имеют тенденцию поддерживать эту температуру даже при изменении приложенного напряжения ^[1] или тепловой нагрузки ^[2] . Ниже этой температуры элемент вырабатывает большое количество тепловой мощности, что имеет тенденцию повышать температуру нагревательного элемента. Выше этой температуры элемент вырабатывает мало тепловой мощности, что имеет тенденцию позволять ему остывать.

В некоторых приложениях эта саморегулирующаяся характеристика позволяет использовать нагреватели PTC без термостатов или цепей защиты от перегрева. ^[1] Одним из очень важных применений саморегулирующихся нагревательных элементов является обеспечение того, чтобы нагревательный элемент не стал настолько горячим, чтобы повредить себя или другие части нагревателя. В некоторых приложениях, где нагревательный элемент напрямую подключен к нагреваемому предмету, саморегулирующийся нагреватель может также обеспечить адекватный контроль температуры нагреваемого предмета.

Однако во многих приложениях требуется контроль двух температур. Например, обогреватели используют нагревательные элементы, температура которых намного выше, чем температура обогреваемого помещения. В таких приложениях термостат может лучше определять и контролировать температуру нагреваемого предмета. Тем не менее, саморегулирующийся нагревательный элемент все равно может использоваться для предотвращения повреждения нагревательного элемента или других частей обогревателя.

Если известно количество тепла, необходимое для поддержания желаемой температуры, можно выбрать нагревательный элемент PTC, который обеспечит правильное количество тепла при желаемой температуре. Такой нагревательный элемент будет нагреваться быстро, поскольку он производит больше тепла при низких температурах. Напротив, обычный нагревательный элемент, который производит правильное количество тепла при желаемой температуре, будет производить то же количество тепла при низкой температуре, что приведет к длительному времени нагрева.

В некоторых приложениях желательно регулировать выход тепла (обычно измеряемый в ваттах) вместо регулирования температуры. Выход тепла любого электрического нагревательного элемента можно регулировать, регулируя входную электрическую мощность. Нагревательные элементы PTC также можно регулировать косвенно. Например, нагревательный элемент PTC с резким изменением сопротивления при определенной температуре может быть оснащен источником постоянного напряжения и вентилятором с переменной скоростью. При низкой настройке вентилятора нагревательный элемент потребляет лишь небольшое количество тока, что приводит к низкой тепловой мощности. При высокой настройке вентилятора воздух отводит больше тепла, и нагревательный элемент реагирует, производя больше тепла. ^{[ необходима цитата ]}

Если возможность регулировать температуру важнее, чем поддержание фиксированной температуры, то можно использовать материал PTC, сопротивление которого плавно изменяется с температурой. Температуру, которую такой материал стремится удерживать, можно регулировать, изменяя приложенное напряжение.

Нагревательные элементы PTC могут быть изготовлены в большем количестве форм, чем обычные нагревательные элементы. Обычные нагревательные элементы ограничены тем, чтобы быть длинными и тонкими (часто свернутыми в спираль для экономии места), чтобы предотвратить захват тока . Если элемент был сделан толстым или неправильной формы, то для электрического тока будет более одного пути. Путь с наименьшим сопротивлением будет иметь тенденцию нагреваться больше, чем остальная часть элемента. В тяжелых случаях это может вызвать каскадный отказ, когда путь с наименьшим сопротивлением перегревается и выходит из строя, перенаправляя ток в другие части элемента, что также приводит к их перегреву и выходу из строя.

Элементы PTC могут быть выполнены толстыми или иметь неправильную форму, поскольку если один путь через элемент нагревается больше остальных, сопротивление пути увеличится, перенаправляя электрический ток без перегрева. ^{[ необходима цитата ]}

Одним из применений нагревательного элемента особой формы является увеличение площади поверхности нагревательного элемента. Большая площадь поверхности означает, что элемент может работать при более низкой температуре и при этом вырабатывать большое количество тепла. Более низкая температура может сделать нагреватель более безопасным. Однако другие меры безопасности могут гарантировать безопасность обычных нагревателей. ^{[ необходима цитата ]}

Другое применение нагревательного элемента специальной формы — точное соответствие форме нагреваемого предмета, что помогает гарантировать, что температура объекта будет близка к температуре нагревательного элемента. ^{[ необходима цитата ]}

Нагревательные элементы с положительным температурным коэффициентом могут быть изготовлены из различных материалов.

Хотя наиболее распространенные керамические материалы являются электроизоляторами, некоторые из них проводят электричество с положительным температурным коэффициентом. Такие нагревательные элементы PTC-керамики часто называют «камнями». ^{[1] [3]}

Некоторые полимеры подходят в качестве нагревательных материалов PTC. Они обладают полезным свойством, которое заключается в том, что их можно изготавливать в виде чернил. Нагревательные элементы сложной формы можно легко изготавливать с использованием технологий печати. ​​Если чернила напечатаны на гибкой подложке, то весь нагревательный элемент может быть гибким. ^[4]

Одним из типов полимеров является резина PTC , которая является разновидностью силиконовой резины.

Поскольку нагревательные элементы PTC являются своего рода термистором, они имеют одинаковые принципы работы. Детали зависят от типа материала, но класс широко используемых материалов — это кристаллическая керамика. В процессе производства добавляются легирующие примеси , чтобы придать материалу полупроводниковые свойства. Эти материалы имеют несколько отрицательные температурные коэффициенты при низких и высоких температурах, однако между ними существует температурный диапазон, в котором они имеют полезные положительные температурные коэффициенты. Эти материалы имеют критическую температуру, при которой удельное сопротивление изменяется довольно заметно. Эта температура называется температурой Кюри , потому что магнитные свойства материала также заметно изменяются.

Температурный коэффициент нагревательного элемента PTC обычно является функцией температуры. Уравнение Стейнхарта–Харта часто используется для аппроксимации этой функции. В некоторых приложениях, где нагреватель используется только в узком диапазоне температур, может быть достаточно простого линейного уравнения.

На Викискладе есть медиафайлы по теме Термисторы .