Un elemento calefactor de coeficiente de temperatura positivo (PTC), o calentador autorregulador , es un calentador de resistencia eléctrica cuya resistencia aumenta significativamente con la temperatura. El nombre de calentador autorregulador proviene de la tendencia de estos elementos calefactores a mantener una temperatura constante cuando se les suministra un voltaje determinado.
Los elementos calefactores PTC son un tipo de termistor .
Los elementos calefactores PTC tienen coeficientes de temperatura positivos de resistencia elevados , lo que significa que, si se aplica un voltaje constante, el elemento produce una gran cantidad de calor cuando su temperatura es baja y una cantidad menor cuando su temperatura es alta. En comparación, la mayoría de los elementos calefactores eléctricos también tienen coeficientes de temperatura positivos, pero esos coeficientes son tan pequeños que los elementos producen aproximadamente la misma cantidad de calor independientemente de la temperatura. [1]
Algunos elementos calefactores PTC están diseñados para tener un cambio brusco de resistencia a una temperatura particular. Estos elementos se denominan autorreguladores porque tienden a mantener esa temperatura incluso si cambia el voltaje aplicado [1] o la carga térmica [2] . Por debajo de esa temperatura, el elemento produce una gran cantidad de potencia calorífica, lo que tiende a elevar la temperatura del elemento calefactor. Por encima de esa temperatura, el elemento produce poca potencia calorífica, lo que tiende a permitir que se enfríe.
En algunas aplicaciones, esta característica de autorregulación permite que los calentadores PTC se utilicen sin termostatos ni circuitos de protección contra sobretemperatura. [1] Un uso muy importante de los elementos de calentamiento autorregulables es asegurar que el elemento de calentamiento no se caliente tanto como para dañarse a sí mismo o a otras partes del calentador. En algunas aplicaciones en las que el elemento de calentamiento está conectado directamente al elemento que se está calentando, un calentador autorregulable también puede proporcionar un control adecuado de la temperatura del elemento que se va a calentar.
Sin embargo, muchas aplicaciones requieren el control de dos temperaturas. Por ejemplo, los calentadores de ambiente utilizan elementos de calentamiento mucho más calientes que la habitación que se está calentando. En estas aplicaciones, un termostato puede ser más capaz de detectar y controlar la temperatura del elemento que se está calentando. No obstante, se puede seguir utilizando un elemento de calentamiento autorregulable para evitar que el elemento de calentamiento se dañe a sí mismo o a otras partes del calentador.
Si se conoce el calor necesario para mantener la temperatura deseada, se puede seleccionar un elemento calefactor PTC para proporcionar la cantidad correcta de calor a la temperatura deseada. Un elemento calefactor de este tipo se calentará rápidamente porque produce más calor a bajas temperaturas. Por el contrario, un elemento calefactor convencional que produce la cantidad correcta de calor a la temperatura deseada producirá la misma cantidad de calor a baja temperatura, lo que dará como resultado tiempos de calentamiento prolongados.
En algunas aplicaciones es deseable regular la salida de calor (normalmente medida en vatios) en lugar de regular la temperatura. La salida de calor de cualquier elemento calefactor eléctrico se puede regular regulando la entrada de energía eléctrica. Los elementos calefactores PTC también se pueden regular indirectamente. Por ejemplo, un elemento calefactor PTC con un cambio brusco de resistencia a una temperatura particular se puede equipar con una fuente de voltaje constante y un ventilador de velocidad variable. Con el ventilador en una configuración baja, el elemento calefactor consume solo una pequeña cantidad de corriente, lo que da como resultado una baja salida de calor. Con el ventilador en una configuración alta, el aire absorbe más calor y el elemento calefactor responde produciendo más calor. [ cita requerida ]
Si poder ajustar la temperatura es más importante que mantener una temperatura fija, se puede utilizar un material PTC cuya resistencia cambie suavemente con la temperatura. La temperatura que tiende a mantener un material de este tipo se puede ajustar modificando el voltaje aplicado.
Los elementos calefactores PTC se pueden fabricar en más formas que los elementos calefactores convencionales. Los elementos calefactores convencionales están limitados a ser largos y delgados (a menudo enrollados para ahorrar espacio) para evitar el acaparamiento de corriente . Si el elemento fuera grueso o de forma irregular, habría más de un camino para la corriente eléctrica. El camino con la menor resistencia tendería a calentarse más que el resto del elemento. En casos graves, esto causaría una falla en cascada donde el camino de menor resistencia se sobrecalienta y falla, redirigiendo la corriente a otras partes del elemento, lo que hace que también se sobrecalienten y fallen.
Los elementos PTC pueden construirse gruesos o con forma irregular, porque si un camino a través del elemento se calienta más que el resto, la resistencia del camino aumentará, redirigiendo la corriente eléctrica sin sobrecalentarse. [ cita requerida ]
Una de las aplicaciones de un elemento calefactor de forma especial es aumentar la superficie del mismo. Una superficie grande significa que el elemento puede funcionar a una temperatura más baja y aun así proporcionar una gran cantidad de calor. La temperatura más baja puede hacer que un calefactor sea más seguro. Sin embargo, otras medidas de seguridad pueden garantizar la seguridad de los calefactores convencionales. [ cita requerida ]
Otra aplicación de un elemento calefactor de forma especial es que coincida estrechamente con la forma del elemento que se está calentando, lo que ayuda a garantizar que el objeto se mantenga cerca de la misma temperatura del elemento calefactor. [ cita requerida ]
Los elementos calefactores con coeficiente de temperatura positivo pueden estar hechos de varios materiales.
Aunque los materiales cerámicos más comúnmente disponibles son aislantes eléctricos, algunos conducen la electricidad con un coeficiente de temperatura positivo. Estos elementos de calentamiento cerámicos PTC suelen denominarse "piedras". [1] [3]
Algunos polímeros son adecuados como materiales de calentamiento PTC. Tienen la propiedad útil de que se pueden fabricar en forma de tintas. Los elementos de calentamiento de formas complejas se pueden fabricar fácilmente utilizando técnicas de impresión. Si las tintas se imprimen sobre un sustrato flexible, entonces todo el elemento de calentamiento puede ser flexible. [4]
Un tipo de polímero es el caucho PTC , que es un tipo de caucho de silicona.
Dado que los elementos calefactores PTC son un tipo de termistor, comparten los mismos principios de funcionamiento. Los detalles dependen del tipo de material, pero una clase de materiales ampliamente utilizados son las cerámicas cristalinas. Durante la fabricación, se añaden dopantes para dar al material propiedades semiconductoras. Estos materiales tienen coeficientes de temperatura algo negativos a bajas temperaturas y a altas temperaturas, sin embargo, existe un rango de temperatura intermedio en el que tienen coeficientes de temperatura positivos útiles. Estos materiales tienen una temperatura crítica en la que la resistividad cambia bastante marcadamente. Esta temperatura se llama temperatura de Curie porque las propiedades magnéticas del material también cambian notablemente.
El coeficiente de temperatura de un elemento calefactor PTC generalmente es una función de la temperatura. La ecuación de Steinhart-Hart se utiliza a menudo para aproximar esta función. En algunas aplicaciones en las que el calentador se utiliza solo en un rango de temperatura estrecho, una ecuación lineal simple puede ser adecuada.
