November 2010

SMD-PTC zur thermischen Überwachung

Alle Hotspots im Griff

Eine Serie neu entwickelter EPCOS PTC-Thermistoren eignet sich insbesondere für das thermische Management von IT-Geräten. Diese Superior Series ist für unterschiedliche Ansprechtemperaturen verfügbar.

TDK-EPC hat sein Produktportfolio um eine neue Serie von SMD-Grenztemperaturfühlern von EPCOS auf PTC-Basis erweitert. Diese Superior Series ist in den Baugrößen 0805, 0603 sowie 0402 erhältlich und deckt einen Temperaturbereich von 70 °C bis 145 °C ab. Im Vergleich zur Standard-Serie wird bei den neuen Bauelementen ein homogeneres Keramikmaterial verwendet, was einerseits die Zuverlässigkeit verbessert, andererseits die Verarbeitung in Reflow- und Wellenlötprozessen bis 280 °C erlaubt. Dank dieser Eigenschaften sind die Superior Series-PTCs nach AEC-Q200, Rev. C qualifiziert und erfüllen damit die strengen Anforderungen für den Einsatz in der Automobil-Elektronik.

PTC-Thermistoren weisen eine nicht lineare Kennlinie auf: Bei geringen Temperaturen wie der Raumtemperatur ist ihr Widerstand gering. Steigt die Temperatur, erhöht sich der Widerstand abhängig vom verwendeten Keramikmaterial schlagartig. Dieser Schwellenwert wird auch als auch Referenz- oder Grenztemperatur bezeichnet. Abbildung 1 zeigt die typische Kennlinie eines PTC-Thermistors.

Abbildung 1: Unterschiedliche Widerstandskurven von PTC-Thermistoren

Der sprunghafte Anstieg des Widerstands bei unterschiedlichen Grenztemperaturen ist deutlich zu erkennen. Die verschiedenen Grenztemperaturen sowie die Steilheiten werden von der Keramikmischung der PTC-Thermistoren bestimmt.

Bei Normaltemperatur bleibt der PTC-Sensor niederohmig. Sein Widerstand liegt typischerweise unter 1 kΩ. Mit steigenden Temperaturen beginnt jedoch der Widerstand anzusteigen. Bei Erreichen der spezifizierten Grenztemperatur Tsense nimmt der Widerstand einen Wert von 4,7 kΩ an. Die Genauigkeit beträgt dabei ± 5 °C. Nimmt die Temperatur um weitere 15 K zu, verzehnfacht sich der PTC-Widerstand auf 47 kΩ und wächst somit exponentiell zur Temperatursteigerung. Gerade durch den sprunghaften Anstieg des Widerstands eignen sich die PTC-Thermistoren ideal als Grenztemperaturfühler, um eine kritische Temperatur empfindlicher Elektronikkomponenten rechtzeitig zu erkennen. Dazu sollte er möglichst nah an dem zu schützenden Bauelement angebracht sein. Auf diese Weise wird einerseits ein guter thermischer Kontakt und andererseits eine schnelle Ansprechzeit erzielt.

Wie in Abbildung 2 dargestellt, wird der PTC-Thermistor normalerweise gemeinsam mit einem Festwiderstand in einer Spannungsteilerschaltung verbaut. Daraus resultiert eine temperaturabhängige Ausgangsspannung Vout. Sie ändert sich entsprechend der Kennlinie des PTC-Sensors sprungartig und steuert beispielsweise direkt einen Schalttransistor oder Komperator an. Dieser wiederum löst entsprechende Funktionen aus, um eine Überhitzung und damit Schädigung zu vermeiden. So kann sehr kostengünstig zum Beispiel ein Lüfter eingeschaltet oder Lasten und Systemkomponenten abgeschaltet werden.

Abbildung 2: Schaltung zur Übertemperaturerkennung

Mit dieser einfachen Schaltung kann ein einzelner Hotspot kostengünstig und zuverlässig überwacht werden.

Lokale Überhitzungen vermeiden


In IT-Geräten wie Notebooks müssen etliche Systemkomponenten thermisch überwacht werden, da eine Konvektionskühlung hier nicht ausreicht. Statt einer zentralen Stromversorgung, die über ein Bussystem eine oder mehrere Versorgungsspannungen liefert, sind hier lokale DC/DC-Wandler, so genannte POLs (Point of Load), über die ganze Platine verteilt und erzeugen so die erforderliche Spannung in der Nähe der Last. Obwohl heutige POLs einen hohen Wirkungsgrad haben, erzeugen sie immer noch Verlustwärme.

Um lokale Überhitzungen zu vermeiden, werden POLs häufig thermisch überwacht. Gleiches gilt für den Prozessor, das Chipset der Grafikkarte, den Akku, Laufwerke sowie den Arbeitsspeicher und andere Systemeinheiten. Abbildung 3 zeigt eine typische Konfiguration eines Notebooks sowie die zu überwachenden Hotspots.

Abbildung 3: Notebook mit möglichen Hotspots

Durch eine einfache Serienschaltung von PTC-Thermistoren können Hotspots in Notebooks überwacht werden.

Die steile und schnelle Veränderung des Widerstands von PTC-Sensoren mit der Temperatur gestattet es, mehrere Hotspots mit einer einfachen Schaltung zu überwachen. Sind beispielsweise sieben unterschiedliche Stellen auf einer Leiterplatte oder in einem Gerät gleichzeitig zu kontrollieren, bietet sich dafür die in Abbildung 4 dargestellte Schaltung an. An jedem zu überwachenden Punkt befindet sich ein einzelner PTC. Wegen der charakteristisch steilen Kennlinie ist es möglich, sämtliche PTCs in Reihe zu schalten und trotzdem eine zuverlässige Überwachung jedes einzelnen Hotspots zu realisieren.

Abbildung 4: Temperaturerfassung an mehreren Hotspots

Trotz der Serienschaltung ist eine zuverlässige Erfassung von Übertemperaturen an jedem der Hotspots möglich. Diese Schaltungstopologie gestattet ein kostengünstiges, platzsparendes und sicheres Temperaturmanagement.

Neben dem einfachen und trotzdem zuverlässigen Aufbau bietet diese Schaltung noch einen weiteren erheblichen Vorteil: Da die PTC-Thermistoren der Superior Series für Grenztemperaturen Tsense von 75 °C bis 145 °C in Abstufungen von 10 K verfügbar sind, kann jeder Hotspot mit einer für ihn spezifischen Ansprechtemperatur überwacht werden. Tabelle 1 zeigt die wesentlichen Kenndaten der Superior Series.

Tabelle 1: Kenndaten der EPCOS Superior Series

EIA
case
size      
RR
(V ≤ Vmax)
[Ω]

ΔRR    

[%]

Tsense, 1
{@ 4.7 kΩ}  
[°C]
Tsense, 2
{@ 47 kΩ}  
[°C]
    Ordering code
0402470± 5075 ± 5B59421A0075A062
0402470± 5085 ± 5B59421A0085A062
0402470± 5095 ±5B59421A0095A062
0402470± 50105 ± 5B59421A0105A062
0402470± 50115 ± 5B59421A0115A062
0402470± 50125 ± 5B59421A0125A062
0402470± 50135 ± 5B59421A0135A062
0603470± 5075 ± 590 ± 7B59641A0075A062
0603470± 5085 ± 5100 ± 7B59641A0085A062
0603470± 5095 ± 5110 ± 7B59641A0095A062
0603470± 50105 ± 5120 ± 7B59641A0105A062
0603470± 50115 ± 5130 ± 7B59641A0115A062
0603470± 50125 ± 5140 ± 7B59641A0125A062
0603470± 50135 ± 5150 ± 7B59641A0135A062
0603470± 50145 ± 5B59641A0145A062
EIA
case
size
RR
(V ≤ Vmax)
[Ω]

ΔRR

[%]

Tsense, 1

[°C]

R
{Tsense, 1

-5 °C}
[kΩ]

R
{Tsense, 1 +5 °C}
[kΩ]
R
{Tsense, 1 +15 °C}
[kΩ]
Ordering code
0805680± 5070≤ 5,7≤ 5,7B59721A0070A062
0805680± 5080≤ 5,7≤ 5,7≥ 40B59721A0080A062
0805680± 5090≤ 5,5≤ 13,3≥ 40B59721A0090A062
0805680± 50100≤ 5,5≤ 13,3≥ 40B59721A0100A062
0805680± 50110≤ 5,5≤ 13,3≥ 40B59721A0110A062
0805680± 50120≤ 5,5≤ 13,3≥ 40B59721A0120A062
0805680± 50130≤ 5,5≤ 13,3≥ 40B59721A0130A062

Solange alle sieben PTC-Thermistoren in der Beispielschaltung unterhalb der Grenztemperatur bleiben, wird der Gesamtwiderstand aller in Reihe geschalteten PTC-Thermistoren unter 10 kΩ liegen. Selbst wenn nur ein einziger der in Reihe geschalteten PTC-Thermistoren seine Grenzwerttemperatur übersteigt, steigt der Widerstand der Widerstandskette auf Werte deutlich über 10 kΩ. Aus diesem Grund lässt sich auch hier ein Spannungsteiler zur Übertemperaturerkennung nutzen (Abbildung 4).

Diese Schaltung kann auch für andere Systeme wie zum Beispiel Stromversorgungen, USV, Frequenzumrichter, Server, Lichtsteuerungen und Systeme der Automobil-Elektronik verwendet werden. Sehr oft sind Leistungshalbleiter wie MOSFETs oder IGBTs die Hotspots, an denen durch die Verlustleistungen Übertemperaturen auftreten können. Aber auch Induktivitäten, Transformatoren, Kondensatoren und Motoren zählen zu den möglichen Hotspots.

Hervorragende Materialeigenschaften


Die in der Superior Series verwendete Keramik ist äußerst homogen. Die Schnittbilder des 0603-Chip-Sensors von EPCOS und zweier vergleichbarer Produkte des Wettbewerbs in Abbildung 5 zeigen deutliche Unterschiede. Die Homogenität des neuen Produkts ist sichtbar besser. Eng verbunden mit der Homogenität der Keramik ist ihre Bruchfestigkeit. Testergebnisse in Abbildung 6 bestätigen diesen Zusammenhang: Die durchschnittliche Bruchfestigkeit der Konkurrenzprodukte beträgt ~115 N/mm2, wohingegen alle Materialproben der Superior Series einer Druckbelastung von >150 N/mm2 standhalten.

Abbildung 5: Keramik-Vergleich der EPCOS Superior Series mit PTC-Thermistoren von Wettbewerbern

Querschnittsvergleich von PTC-Thermistoren mit Tsense = 95 °C: Die Keramik des EPCOS Bauelements (rechts) ist feinporiger als die der beiden Konkurrenzprodukte (links, Mitte). Außerdem sind die Poren des EPCOS PTC gleichmäßiger in der Keramik verteilt. Die Unterschiede in Porosität und Porengröße sind in der Vergrößerung deutlich erkennbar.

Homogenität und Bruchfestigkeit sind wichtige Parameter für die Performance und Zuverlässigkeit eines Bauelements. Die Performance der Produkte der Superior Series ist exzellent. Deutlich wird dies, wenn man das zugesicherte Verhalten der PTC Chips im Wellenlötbad vergleicht. Dank ihrer hohen Homogenität kann die Superior Serie hier mit Spitzentemperaturen bis zu 280 °C verarbeitet werden. Bei vergleichbaren Bauelementen mit einer geringeren Homogenität der Keramikmasse können sich wegen des Temperaturschocks Risse bilden, wodurch sie unbrauchbar werden. Die Wellenlötbarkeit von Konkurrenzprodukten ist teilweise nicht spezifiziert oder nur mit Spitzentemperaturen von 250 °C möglich.

Ein Vergleich der Ergebnisse verschiedener Zuverlässigkeitstests der Superior Serie mit Bauelementen des Wettbewerbs zeigt Abbildung 6. Im Detail wurde die Lebensdauer sowie das Verhalten der PTCs bei Thermistorenschocks und Feuchte getestet. Deutlich ist das hervorragende Verhalten der Superior Serie zu erkennen.

Abbildung 6:  Performance-Vergleich der EPCOS Superior Series mit PTC-Thermistoren von Wettbewerbern

  • Bruchfestigkeit (links oben):
    Die durchschnittliche Bruchfestigkeit der Konkurrenzprodukte beträgt ~115 N/mm2, während alle Proben des EPCOS Superior Series Belastungen von >150 N/mm2 verkraften.
  • Lebensdauer (links unten):
    Vergleich der Widerstandsänderung nach 1000 h Testdauer bei Vmax und TOP,max.
    Die durchschnittliche Veränderung beträgt für die EPCOS Superior Series rund 1%, bei den beiden Konkurrenzprodukten durchschnittlich mehr als 2%.
  • Temperaturschock (rechts oben):
    Vergleich der Widerstandsänderung nach 1000 Temperaturschock-Zyklen bei einer Lufttemperatur zwischen -55° C und +125° C. Test von AEC-Q200 abgeleitet. Die durchschnittliche Veränderung liegt bei der EPCOS Superior Series bei <1%, während die Vergleichsproben um durchschnittlich 5 bis 7% vom Normalwert abweichen.
  • Luftfeuchtigkeit (rechts unten):
    Vergleich der Widerstandsänderung nach 1000 h Testdauer bei 80 °C und 85% relativer Luftfeuchtigkeit. Der Widerstand der EPCOS Superior Series nimmt um rund 2% ab, während er bei den Konkurrenzprodukten um durchschnittlich mehr als 4% zunimmt.

PTC-Thermistoren als Allrounder

Wegen ihrer Kennliniencharakteristik lassen sich PTC-Thermistoren vielseitig einsetzen: wie hier vorgestellt als Grenztemperaturfühler sowie als Strombegrenzer und Heizelement.

Strombegrenzer

PTC-Thermistoren werden so ausgelegt, dass sie bei der Nenntemperatur nur einen sehr geringen Widerstand im Bereich weniger Ohm aufweisen. Überschreitet der Strom einen gewissen genau definierten Grenzwert, so erhöht sich die Verlustleistung und der PTC-Thermistor erwärmt sich. Dadurch steigt sein Widerstand entsprechend der Kennlinie schlagartig an und begrenzt damit den Strom. Erst wenn das Bauelement abgekühlt ist, kehrt es wieder in den niederohmigen Zustand zurück. Mit diesem Verhalten eignen sich PTCThermistoren als Strombegrenzer und selbstrückstellende Sicherungen.

TDK-EPC bietet hier ein breites Spektrum an Bauelementen in bedrahteter Ausführung oder als SMD. Haupteinsatzgebiete sind der Überstrom- und Kurzschlussschutz von Telekommunikationsleitungen und Stromversorgungen.

 

Heizelemente

Mit PTC-Thermistoren lässt sich auch gezielt Wärme erzeugen. Der besondere Vorteil dabei ist ihre Selbstregulierung: Erwärmt sich das Heizelement, steigt der Widerstand und es fließt ein konstanter Strom, der proportional zur abgegebenen Heizleistung ist. Diese Heizer werden etwa in Zusatzheizungen von Fahrzeugen und zur Beheizung von Kraftstoffleitungen und -filtern oder Waschdüsen eingesetzt. Dank eines von EPCOS entwickelten Verfahrens können diese Heizer auch als Spritzgussteile gefertigt werden. Dadurch ergibt sich eine enorme Vielfalt an Gestaltungsmöglichkeiten auch komplexer dreidimensionaler Formen. Möglich sind etwa Heizdüsen in Heißklebepistolen oder Rotorblätter in Heizlüftern.

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