Merkmale von PTC-Heizelementen
Die Abkürzung PTC steht für "Positive Temperature Coefficient" und bedeutet, dass der Widerstand des Bauteils mit steigender Temperatur zunimmt. Dementsprechend sind Strom und elektrische Leistung ebenfalls abhängig von der Temperatur: wird das Heizelement heißer und der elektrische Widerstand größer, reduziert sich der Strom bzw die Leistung immer weiter bis zu einem stabilen Wert, der abhängig ist von Einbausituation, Umgebungstemperatur und Kühlung. Wegen dieses Effekts wird die Temperatur auch ohne jede Kühlung einen gewissen materialspezifischen Wert nicht überschreiten, der bei den von uns angebotenen PTC-Heizelementen bei ca 200°C liegt.
PTC-Kurve: Zusammenhang zwischen Widerstand und Temperatur
Die PTC-Kurve lässt sich in drei wesentliche Bereiche unterteilen:
1. Niederohmiger Bereich:
Nicht im gesamten Temperaturbereich hat ein PTC-Widerstand einen positiven Temperaturkoeffizienten. Zunächst nimmt der Widerstand sogar ab, bis der tiefste Widerstandswert Rmin erreicht ist. Erst ab diesem Punkt beginnt das eigentliche PTC-Verhalten.
2. Anstieg :
Ab der Nenn- oder Curie-Temperatur TC nimmt der Widerstand stark zu. Zwischen der Curie- und der Endtemperatur TE liegt der eigentliche Arbeitsbereich eines PTC-Elements.
3. Hochohmiger Bereich:
Ab einer bestimmten Temperatur wird der Widerstand so groß, dass der Stromfluss stark reduziert oder nahezu unterbrochen wird. Dieser Effekt der Selbstregelung sorgt dafür, dass keine Überhitzung auftritt.
Stromverlauf: der Einschaltstrom
Beim Einschalten ist der PTC zunächst kalt und sein Widerstand niedrig. Durch den Stromfluss erwärmt sich der Widerstand, und er durchläuft seine charakteristische PTC-Kurve.
Nach wenigen Sekunden, wenn der niedrigste Widerstandswert Rmin erreicht ist, fließt der höchste Strom. Danach steigt der Widerstand stark an, und der Effekt der Selbstregelung setzt ein.
Schließlich pendelt sich der PTC in einem stabilen thermischen und elektrischen Gleichgewicht ein.
Dieser stabile Betriebspunkt hängt von den Umgebungsbedingungen ab, wie z. B. der Umgebungstemperatur und der Belüftung.
Der anfänglich hohe Einschaltstrom eines PTC-Widerstands muss bei der Wahl der Sicherung berücksichtigt werden, um unerwünschte Abschaltungen zu vermeiden. Als Faustregel gilt: dimensionieren Sie Ihren Schaltkreis für das Doppelte des Nennstroms.
Warum dürfen PTCs nicht in Serie geschaltet werden?
In einer Serienschaltung teilt sich die Spannung auf die Widerstände auf, und es fließt durch alle PTC-Heizelemente derselbe Strom. Geringfügigste Unterschiede des Anfangswiderstands, z.B. durch Fertigungstoleranzen oder die Einbausituation, führen dazu, dass sich eines der Elemente schneller aufheizt als die anderen. Sein Widerstand steigt an und damit die Spannung, die an ihm abfällt. Dadurch erhöht sich wiederum die Leistung an diesem Bauteil, es wird noch heißer usw.
Im Gleichgewichtszustand wird fast die gesamte Spannung an diesem heißesten Element mit dem höchsten Widerstand abfallen, die anderen Elemente des Spannungsteilers bleiben niederohmig. Eines der Heizelemente wird überlastet, die anderen tragen nicht zur Heizleistung bei.
Im Gegensatz dazu kann in einer Parallelschaltung jedes Element unabhängig arbeiten und seine Selbstregelungsfunktion beibehalten.
Spannungsabhängigkeit von PTC-Heizelementen
Der elektrische Widerstand eines PTC-Heizelements hängt primär nicht von der angelegten Spannung ab, sondern im Wesentlichen von seiner Temperatur. Diese wiederum wird im Betrieb hauptsächlich durch die aufgenommene Leistung bestimmt, die ihrerseits von der Spannung abhängt. Dadurch ergibt sich – bei gleichbleibenden Parametern wie Kühlung und Umgebungsbedingungen – ein charakteristischer Zusammenhang zwischen der angelegten Spannung und der Heizleistung des Heizelements.
Im Arbeitsbereich rund um die Nennspannung zeigt sich ein deutlich flacherer Verlauf der Heizleistung als die typische quadratische Abhängigkeit eines ohm'schen Verbrauchers. Wird die Spannung beispielsweise um 10% gegenüber der Nennspannung erhöht, steigt die Leistung lediglich um ca 5%. Bei einer Überspannung von 20% beträgt der Leistungsanstieg nur ca 10%. Bei ohm'schem Verhalten würde die Leistung bei denselben Spannungserhöhungen um 21 % bzw. 44 % steigen. Ebenso nimmt die Heizleistung bei Spannungen unterhalb der Nennspannung nur langsam ab.
Dank dieses Verhaltens können unsere DC-Heizelemente über einen weiten Spannungsbereich eingesetzt werden, bei annähernd gleichbleibender Heizleistung. Zudem sind sie besonders geeignet für Anwendungen, bei denen Spannungsschwankungen auftreten können
Welche Heizung ist die richtige für mich?
Wenn die Betriebsspannung einer Anwendung nicht genau zur Nennspannung des Heizelements passt, stellt sich die Frage nach der Wahl des passenden Bauelements. Prinzipiell können unsere DC-Heizelemente über einen weiten Spannungsbereich eingesetzt werden. Die Nennspannung kann um bis zu 20% überschritten werden, ein Betrieb bei Unterspannung ist immer möglich.
Die DC-Heizelemente sind in den Betriebsspannungen 24V, 48V, 80V und 120V erhältlich. Als fertig montierte Heizlösung sind sie in die Gebläseheizungen der Caldo-Serie integriert.
Die Modelle und ihre Bezeichnungen sind:
| Heizelement | Gebläseheizung | Nennspannung | Heizleistung | ||||||||||||||||
| HE24/2 | Caldo24/2 | 24V | 1700W | ||||||||||||||||
| HE48/2 | Caldo48/2 | 48V | 1900W | ||||||||||||||||
| HE80/2 | Caldo80/2 | 80V | 1900W | ||||||||||||||||
| HE120 | Caldo120 | 120V | 1000W | ||||||||||||||||
| HE120/2 | Caldo120/2 | 120V | 1700W |
Die beiden unteren Abbildungen zeigen den Zusammenhang zwischen der angelegten Spannung und der Heizleistung unserer PTC-Heizungen bzw. Heizelemente unter typischen Anwendungsbedingungen. In den Diagrammen werden jeweils zwei Modelle mit aufeinanderfolgenden Nennspannungen gegenübergestellt: Das erste Diagramm vergleicht die Varianten mit 48V und 80V Nennspannung, während im zweiten Diagramm die Modelle mit 80V und 120V Nennspannung dargestellt sind.
Anhand dieser Diagramme kann abgeschätzt werden, welche Heizung bzw welches Heizelement am besten zur jeweiligen Anwendung passt und welche Heizleistung unter den gegebenen Betriebsbedingungen erreicht werden kann.
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