В большинстве стран с производственной экономикой набирает популярность концепция «умного производства». Для ускорения процессов автоматизации и повышения эффективности работы предприятий многие европейские страны перенимают опыт Германии по переходу к принципам Индустрии 4.0. Производители видят экономические выгоды в более гибкой организации производства, поэтому потребность в промышленном оборудовании для автоматизации производства значительно возросла. Однако необходимо учитывать тот факт, что вместе с увеличением количества проводных соединений между контроллером и датчиками повышается вероятность их неправильного подключения. Это может привести к чрезмерно высоким пусковым токам и, как следствие, повреждению оборудования.
Задачи защиты электрооборудования от перегрузок, включая электродвигатели, ПЛК-контроллеры, датчики и силовые приводы, обычно возлагаются на терморезистор или компоненты с положительным температурным коэффициентом. Современные ПТК-терморезисторы имеют функцию сброса для восстановления нормальной работы после устранения неисправности и обеспечивают высокую надёжность работы. В будущем надёжность ПТК-терморезисторов станет ещё более важной, поскольку ожидается рост частоты возникновения аномальных скачков по току. В этой статье будут рассмотрены особенности применения керамического терморезистора с ПТК для автоматизации производства.
В таблице приведены некоторые виды используемых устройств защиты и указаны их преимущества и недостатки. ПТК-терморезисторы увеличивают сопротивление экспоненциально по мере нагрева проходящим через них током. ПТК-терморезистор работает аналогично предохранителю – в нормальном режиме работы сопротивление устройства остаётся постоянным. При броске пускового тока, проходящий ток увеличивает температуру устройства, что, в свою очередь, вызывает экспоненциальное увеличение его сопротивления. При увеличении сопротивления сила тока существенно падает, и питающая линия остаётся неповреждённой (см. рис. 1).
На рынке можно найти ПТК-терморезисторы, изготовленные из полимера или керамики. При выборе ПТК-терморезистора следует учитывать ряд факторов, включая изменение характеристик ПТК при пайке оплавлением, надёжность и используемую конструкцию.
Из двух материалов полимер наиболее подвержен изменению ПТК-сопротивления при нагреве. Во время выполнения двух операций пайки оплавлением возможно изменение сопротивления от 100 до 190%. Полимерные резисторы имеют очень большую погрешность величины номинального сопротивления. Керамика, напротив, имеет более стабильные характеристики. Типичное изменение сопротивления во время двух операций пайки оплавлением составляет примерно от –1 до 0,5%, что делает их применение предпочтительным. Кроме того, керамический ПТК-терморезистор надёжнее, чем полимерный аналог. На рисунке 2 показаны результаты испытаний терморезисторов с пульсирующей нагрузкой при комнатной температуре.
Другое существенное различие между двумя типами ПТК-терморезисторов заключается в изменении характеристик резистора из-за продолжительной ненормальной нагрузки. Сопротивление полимерного ПТК-терморезистора может увеличиться более чем на 100%, если условие перегрузки сохраняется в течение более 100 ч. После такого режима работы полимерный ПТК-терморезистор может функционировать неправильно из-за увеличенного значения сопротивления среды. Керамика является более стабильным материалом, и в аналогичных условиях сопротивление практически не изменяется.
На рисунке 3 показаны конструкция керамических и полимерных ПТК-терморезисторов и зависимость сопротивления от температуры. Несмотря на сходные характеристики, принципы работы этих резисторов различаются. Керамический ПТК-терморезистор меняет свои характеристики из-за химического воздействия, вызванного изменениями удельного сопротивления керамической стенки. В состоянии отключения, когда сопротивление увеличивается экспоненциально, вместе с ростом температуры значительно увеличивается сопротивление керамической стенки. По мере уменьшения тока и снижения температуры сопротивление керамического элемента возвращается к нормальному состоянию без явлений гистерезиса.
Исследования поведения полимерного ПТК-терморезистора показали, что изменение удельного сопротивления зависит от механических свойств материала. Терморезистор состоит из полимерной смолы и углеродной цепи. При увеличении температуры ПТК-терморезистор слегка расширяется, что приводит к разъединению углеродных цепей и увеличению общего сопротивления. По мере снижения тока и температуры смола сжимается, и углеродная цепь снова соединяется. Однако не все углеродные цепи восстанавливают соединение, что приводит к появлению некоторого гистерезиса у ПТК-терморезистора. Поэтому характеристики такого терморезистора при долговременной эксплуатации могут быть нестабильными.
На рисунке 4 показано несколько вариантов использования керамических ПТК-терморезисторов в промышленных системах автоматизации, например в ПЛК-контроллерах, сервоприводах и датчиках. Как было показано ранее, керамические ПТК-терморезисторы гораздо надёжнее и обеспечивают более высокие результаты в ходе всего цикла изготовления и развёртывания промышленных систем автоматизации.
В качестве примера рекомендованных керамических ПТК-терморезисторов можно привести серию Murata PRG. Модель PTC PRG21BC3R3MM1RK имеет типичное номинальное сопротивление 3,3 Ом, максимальное напряжение 30 В, ток удержания 180 мА при +25°C и диапазон рабочих температур от –40 до +85°С.
