Was ist PTC?
Ein PTC oder Halbleiter ist ein elektrisches Bauteil auf Keramikbasis mit temperaturabhängigem Widerstand, welches als Heizelement verwendet wird. Sein positiver Temperaturkoeffizient (engl.: positive temperature coefficient) lässt den Strom bei niedrigen Temperaturen besser fließen als bei hohen. Mit steigender Temperatur erhöht sich somit der Eigenwiderstand des PTC, die Stromleitfähigkeit und Leistungsabgabe sinkt, bis eine Art Gleichgewichtszustand erreicht ist und kaum noch Strom fließt. Das ist der sogenannte PTC Effekt. PTC Heizelemente können dank dieser selbstregelnden Eigenschaft nicht überhitzen, was diese Heiztechnologie besonders sicher und zuverlässig macht.
Charakteristische PTC-Kurve
Der typische Widerstandsverlauf eines Halbleiters in Abhängigkeit der Temperatur wird als PTC-Kurve bezeichnet. Der Anfangswiderstand des PTC nimmt mit steigender Temperatur zunächst etwas ab bis der tiefste Widerstandswert Rmin erreicht ist. Nun beginnt das eigentliche PTC-Verhalten und der Widerstand steigt bis zur Nenntemperatur Tc nichtlinear an. Ab diesem Punkt, auch als Curie-Temperatur bezeichnet, nimmt der Widerstand stark zu. Der Arbeitsbereich des PTC erstreckt sich von der Nenntemperatur Tc bis zur maximalen Endtemperatur Te, wo kaum noch Storm fließt. Die maximale Temperatur eines PTC ist abhängig von der Zusammensetzung der Keramik und lässt sich daher im Vorfeld genau bestimmen. Eine weitere Besonderheit ist der Einschaltstrom. Da der PTC im Rmin seinen geringsten Widerstand besitzt, fließt dort besonders viel Strom, wodurch er bei jedem Einschalten für wenige Sekunden einen erhöhten Einschaltstrom durchläuft.
680
PTC Typen
25
Watt pro cm²
1200
Volt
240
Grad Celcius
PTC Eigenschaften
Mehrspannungsfähigkeit
Durch den PTC Effekt und dem daraus resultierenden, variablen Widerstand sind die Halbleiter in einem definierten Bereich mehrspannungsfähig. So können beispielsweise die meisten PTC Heizer bei 230 V, als auch bei 400 V betrieben werden, ohne dass dies eine signifikante Änderung der Leistung zur Folge hat.
Dynamische Leistungsanpassung
Die Leistung eines PTC Heizelements ist abhängig von der Wärmeauskopplung. Wird dem Halbleiter viel Wärme entzogen, regelt er seine Temperatur selbstständig nach und erhöht seine Leistung. Sobald er seine maximale Temperatur erreicht, nimmt die Leistung wieder ab und es fließt kaum noch Strom. Diese dynamische Leistungsanpassung macht PTC Heizelemente besonders energieeffizient.
Selbstbegrenzungseffekt
Aufgrund des logarithmischen Anstiegs des PTC Eigenwiderstands im Verhältnis zur Temperatur begrenzt sich der PTC selbst. Sobald die maximale Temperatur Te erreicht ist, wird der Halbleiter zum Nichtleiter und regelt sich aufgrund des physikalischen Effekts ab. Dieser Effekt macht den PTC zu einem besonders sicheren Heizelement, welches keine zusätzliche Sicherung benötigt.
Einschaltstrom
PTC Heizer durchlaufen bei jedem Einschalten für einige Sekunden einen erhöhten Einschaltstrom. Zur Absicherung der Anwendung empfehlen wir deshalb die Verwendung einer trägen Sicherung.
Strombelastung bei Niedervoltanwendung
Bei Niedervoltanwendungen sind die Ströme aufgrund des Ohmschen Gesetzes wesentlich höher als bei Haushaltsapplikationen (230 V). Daher ist auf einen ausreichenden Leiterquerschnitt zu achten.
Leistung stark abhängig von PTC Temperatur
Die Leistung eines PTC Heizers ist von zwei Komponenten abhängig: der Temperaturdifferenz dT und der wärmeauskoppelnden Fläche A. Diese Beziehung wird durch die Formel P = α * A * (dT) beschrieben. Dabei steht α für den Wärmeübergangskoeffizienten. Bei einem Luftheizer steht dT für den Temperaturunterschied zwischen der Luft und der Oberfläche des Heizers.
Durch höhere PTC Temperaturen (dT) können höhere Leistungsabgaben ermöglicht werden. Für die meisten Applikationen empfiehlt sich jedoch eine Temperatur zwischen 180°C und 240°C.
Durch Vergrößern der wärmeauskoppelnden Fläche lässt sich ebenfalls die Leistung steigern.
Kundenseitige Applikationsprüfung
Wir empfehlen bei der Verwendung von PTC Heizelementen grundsätzlich die ordnungsgemäße und sichere Funktion in der Kundenapplikation zu überprüfen und mittels geeigneter Messungen zu validieren.
PTC Anwendungsbeispiele
Heizlösungen für Bahntechnik - Zug, Schienen und Weichen
PTC Heizelemente eignen sich hervorragend für Anwendungen rund um den Schienenverkehr. Mit einer limitierten Temperatur unter 200°C sind sie laut Brandschutznorm einfacher zu handhaben und können darüber hinaus Spannungsschwankungen ohne eine signifikante Änderung der Heizleistung ausgleichen.
Vorheizregister für Wärmetauscher in Lüftungssystemen
Isolierte PTC Heizregister wurden speziell für die Anwendung in Lüftungssystemen entwickelt. Dank modularem Aufbau passen sie sich dem Querschnitt des Lüftungskanals an und haben durch die Deltarippe einen geringen Druckverlust. Aufgrund der geringen Strahlung und der geringen Temperaturüberschwingung im Fehlerfall können PTC Heizregister selbst in EPP/EPS Gehäusen verwendet werden.
Konvektionsheizung für Schaltschränke und elektrische Gehäuse
Durch den selbstregelnden Effekt lassen sich PTC Heizelemente in Verbindung mit Aluminiumprofilen optimal als Konvektionsheizer verwenden. Je nach Außentemperatur stellt der Heizer die Leistung dynamisch ein und schützt Bauteile in elektrischen Gehäusen vor Frost und Feuchtigkeit. Mithilfe von thermischen Simulationen wurde ein besonders effizientes Aluminiumprofil entwickelt, welches trotz kompakter Baugröße hohe Leistungen erreicht.
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