Un elemento calefactor con coeficiente de temperatura positivo (elemento calefactor PTC), o calentador autorregulador , es un calentador de resistencia eléctrica cuya resistencia aumenta significativamente con la temperatura. El nombre de calentador autorregulable proviene de la tendencia de dichos 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 grandes coeficientes de resistencia de temperatura positivos , 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 de calor 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 de calor [2] . Por debajo de esa temperatura, el elemento produce una gran cantidad de potencia calefactora, 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 utilizar calentadores PTC sin termostatos ni circuitos de protección contra sobretemperatura. [1] Un uso muy importante de los elementos calefactores autorreguladores es asegurar que el elemento calefactor no se caliente tanto como para dañarse a sí mismo o a otras partes del calentador. En algunas aplicaciones donde el elemento calefactor está conectado directamente al artículo que se está calentando, un calentador autorregulador también puede proporcionar un control de temperatura adecuado del artículo que se va a calentar.
Sin embargo, muchas aplicaciones requieren el control de dos temperaturas. Por ejemplo, los calentadores portátiles utilizan elementos calefactores mucho más calientes que la habitación que se calienta. En estas aplicaciones, un termostato puede detectar y controlar mejor la temperatura del artículo que se está calentando. Sin embargo, aún se puede utilizar un elemento calefactor autorregulador para evitar que el elemento calefactor 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 producción de calor (normalmente medida en vatios) en lugar de regular la temperatura. La producción 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 en la resistencia a una temperatura particular puede equiparse con una fuente de voltaje constante y un ventilador de velocidad variable. Con el ventilador en una posición baja, el elemento calefactor consume sólo una pequeña cantidad de corriente, lo que da como resultado una baja producción de calor. Con el ventilador en posición alta, el aire extrae más calor y el elemento calefactor responde produciendo más calor. [ cita necesaria ]
Si poder ajustar la temperatura es más importante que mantener una temperatura fija, entonces se puede utilizar un material PTC cuya resistencia cambie suavemente con la temperatura. La temperatura que dicho material tiende a mantener se puede ajustar cambiando el voltaje aplicado.
Los elementos calefactores PTC se pueden fabricar en más formas que los elementos calefactores convencionales. Los elementos calefactores convencionales están obligados 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, entonces habría más de un camino para la corriente eléctrica. El camino con menor resistencia tendería a calentarse más que el resto del elemento. En casos severos, 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 también las lleva a sobrecalentarse y fallar.
Los elementos PTC pueden construirse gruesos o de 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 necesaria ]
Una aplicación de un elemento calefactor de forma especial es aumentar el área superficial del elemento calefactor. Una gran superficie significa que el elemento puede funcionar a una temperatura más baja y aun así generar una gran cantidad de calor. La temperatura más baja puede hacer que el calentador sea más seguro. Sin embargo, otras medidas de seguridad pueden garantizar la seguridad de los calentadores convencionales. [ cita necesaria ]
Otra aplicación de un elemento calefactor de forma especial es adaptarse estrechamente a la forma del artículo que se está calentando, lo que ayuda a garantizar que el objeto se mantenga cerca de la misma temperatura del elemento calefactor. [ cita necesaria ]
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 calefactores cerámicos PTC se denominan a menudo "piedras". [1] [3]
Algunos polímeros son adecuados como materiales calefactores PTC. Éstos tienen la útil propiedad de que pueden fabricarse en forma de tintas. Los elementos calefactores de forma compleja se pueden fabricar fácilmente utilizando técnicas de impresión. Si las tintas se imprimen sobre un sustrato flexible, entonces todo el elemento calefactor 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 una especie de termistor, comparten los mismos principios de funcionamiento. Los detalles dependen del tipo de material, pero una clase de materiales muy utilizados son las cerámicas cristalinas. Durante la fabricación, se añaden dopantes para darle al material propiedades semiconductoras. Estos materiales tienen coeficientes de temperatura algo negativos a bajas y altas temperaturas; sin embargo, hay un rango de temperatura intermedio en el que tienen útiles coeficientes de temperatura positivos. Estos materiales tienen una temperatura crítica donde 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 función de la temperatura. La ecuación de Steinhart-Hart se utiliza a menudo para aproximar esta función. En algunas aplicaciones donde el calentador se utiliza sólo en un rango de temperatura estrecho, una ecuación lineal simple puede ser adecuada.
