应用PTC电阻精确控温的实验研究

程文龙 宋嘉梁 吴万范

（中国科学技术大学热科学和能源工程系，合肥 230027）

1 引言

热控分系统是保障星上仪器设备在良好温度环境内工作、维持卫星正常运行的重要组成部分。随着航天技术的不断发展，某些星载有效载荷对其工作温度控制精度、温度稳定度提出了更高的要求［1-3］。因此，对精确温度控制技术进行研究具有重要的意义。

卫星温度控制采用被动热控与主动热控相结合的方式。被动热控制技术是一种开环控制，在控制过程中被控对象的温度无反馈作用［4］。近年来，随着航天器对温度控制精度的要求越来越高，利用电加热的主动热控技术在航天器热控中日渐重要。但是，目前采用普通电阻材料作为热源的主动热控系统，即使采用先进、复杂的控制算法，有时也很难达到所需要的控温精度［5-7］。

正温度系数（Positive Temperature Coefficient，PTC）电阻是一种具有正温度系数的热敏半导体材料，材料的电阻值在一定的范围内保持基本不变或仅有较小变化，而当温度达到某个特定温度时，材料的电阻值随着温度的升高发生突变，在一个很小的温度范围（通常为几摄氏度到十几摄氏度）内迅速增大到原来的103～105倍，此特定温度被称为居里温度。如果主动热控系统利用PTC 电阻代替普通电阻，当电压一定时，一旦被控温度超过居里温度，则其加热功率随着温度的升高急剧降低，就可以将其温度控制在一个略高于其居里温度的水平。根据被加热仪器设备的特点，选择具有特定温度-电阻特性的PTC电阻及其物理尺寸，从而有可能实现自适应、高精度温度控制的目的［8-9］；同时，利用PTC电阻的主动热控系统也具有结构简单、无需复杂控制器的优点，可以减轻控温系统的重量。因此，PTC电阻在主动温度控制领域具有广阔的潜在应用前景。但是目前关于PTC 电阻控温特性的研究还比较匮乏，所以该方面的工作显得尤为重要。本文建立了电加热主动温度控制实验系统，基于此系统对PTC电阻控温特性进行了研究，并与普通电阻的热控性能进行了对比分析。

2 主动温度控制实验系统

主动温度控制实验系统的示意图如图1所示，受控物体为一个28 mm×22 mm×20 mm 的铝合金长方体以模拟电子器件，分别采用PTC铝片电阻和普通康铜丝作为加热元件。PTC 电阻额定电压为12V，尺寸为28mm×22mm×5mm，如图2所示。实验所用PTC电阻由湖北宇峰电子公司提供，其居里温度为60 ℃（由于目前市场上的陶瓷基PTC材料主要应用在家用电器加热等领域，其居里温度多集中在50～400 ℃之间，鲜有能够将居里温度控制在常温段附近的PTC 电阻［10］）。为了对比两种加热元件的热控效果，将PTC电阻和康铜丝夹在两块尺寸一样的铝块之间，保证两者的实验条件相同。接触表面均匀涂上导热硅脂，并将其作为整体置于恒温水浴箱中，水浴箱顶用泡沫与外界绝热，恒温水浴用来改变被控铝块所处环境温度。

图2 PTC电阻实物图Fig．2 Physical map of PTC resistance

将T 型热电偶固定于铝块表面及水浴箱壁面分别测量被控铝块的表面温度及环境温度，使用直流稳压电源作为加热源。主动温度控制实验系统实物图如图3所示。

图3 主动温度控制实验系统实物图Fig．3 Physical map of active temperature-control system

为了更好地研究PTC电阻的控温特性，本主动温度控制系统采用开关控制作为控制方式，系统的控温方式如下：热电偶实时测量铝块的温度，与计算机中设定温度值进行比较，向其LPT 口输出高低电平来控制继电器的通断：设定温度高于实测温度时继电器接通，通过直流稳压电源对铝块进行加热；设定温度低于实测温度时继电器断开，不对铝块加热。从而通过改变设定温度值来达到控制铝块温度的目的。

3 实验结果与分析

3．1 PTC电阻-温度曲线

实验需要首先测量PTC电阻的电阻-温度特性。将PTC电阻置于恒温水浴箱中，热电偶测量其表面温度，数据采集仪测量其电阻，通过改变水浴的温度，得到其电阻-温度曲线如图4所示。从图中可以看出，实验所测PTC电阻的居里温度与实际吻合，在60℃左右。居里温度后其电阻值随温度（T）的升高急剧变大，此时，电阻（RT）与温度近似成指数关系。将居里温度时的电阻-温度数据进行拟合，其近似关系如下

图4 居里温度为60 ℃的PTC电阻-温度曲线Fig．4 PTC resistance-temperature curve

3．2 PTC电阻控温特性及与普通电阻控温精度对比

为了研究PTC 电阻的控温特性，综合考虑PTC电阻在居里温度附近的加热功率以及铝块向环境的散热，在加热电压为12V，环境温度为45 ℃和55 ℃时对被控铝块进行了控温实验。图5、6分别为环境温度45 ℃和55 ℃，在不同控制温度下的被控物体温度变化曲线。

从图5可以发现，环境温度45 ℃时，控温点在低于居里温度时的控温精度不高，控制温度的波动有0．05℃；控温点在居里温度时由于此时加热功率急剧降低，控制温度的波动减小到0．03 ℃；控温点高于居里温度时，随着控温点的升高，加热功率进一步降低，控制温度的波动只有0．01 ℃。从图6可以看出，环境温度55 ℃时，控温点低于居里温度时，控制温度的波动有0．1℃，精度较差。这是由于此时加热功率较大而被控物体表面与环境温差只有3℃，向环境的散热损失小；控温点在居里温度时由于加热功率的降低，控制温度的波动减小到0．07℃；设定温度高于居里温度时，加热功率进一步降低，控制温度的变化幅度逐渐减小，控温精度显著提高。当环境温度55 ℃，控制温度65 ℃时到达一个比较好的控温点，精度能达到±0．03 ℃，如图6（c）所示。

图5 环境温度45 ℃时被控物体在不同工况下的温度变化曲线Fig．5 Temperature curve of controlled object in different conditions when ambient temperature is 45℃

图6 环境温度55 ℃时被控物体在不同工况下的温度变化曲线Fig．6 Temperature curve of controlled object in different conditions when ambient temperature is 55℃

随着控制温度的继续升高，加热功率越来越小，向环境的散热越来越多，直至热流密度不足以维持向环境的散热而达到热平衡状态。

为了研究PTC电阻控温性能的优势，与使用普通电阻的直接电加热控温进行了对比。实验条件为两者在60℃温度时的加热功率相同。以此热流密度匹配一定电压和电阻值的康铜丝来对被控铝块进行加热。

控温对象在不同环境和不同控制温度下的温度变化曲线如图7、8所示。图7所示两者控温精度比较接近，这是由于普通电阻与PTC 电阻在60 ℃时热流密度相同，而环境温度也相同，被控物体温度的变化是由电阻的加热功率和其向环境的散热共同作用的结果。当环境温度不变时，由于普通电阻不具备PTC电阻的正温度系数特性，随着被控温度的升高，控制温度以上的温度波动不会有太大的变化；而由之前的PTC电阻控温特性看出PTC电阻在居里温度之后控温精度随控制温度的升高而明显提高。如图8所示，当环境温度55 ℃、控制温度65 ℃时，PTC电阻的控温精度明显优于同情况下的普通电阻控温精度。可以发现，居里温度后随着控制温度的升高PTC电阻控温精度必定优于相同控制温度下的普通电阻控温精度。

图7 环境温度45 ℃，控制温度60 ℃时的控温对比Fig．7 Temperature control comparison when ambient temperature is 45℃and set temperature is 60℃

图8 环境温度55 ℃，控制温度65 ℃时的控温对比Fig．8 Temperature control comparison when ambient temperature is 55℃and set temperature is 65℃

3．3 与普通电阻自适应控温能力的对比

为了探讨PTC电阻控温的自适应能力，使继电器接通路，不断给被控铝块加热直至其达到热平衡状态，在不同环境温度下分别使用PTC电阻与本文3．2所用普通电阻时被控铝块的最终平衡温度如表1所示。从表1 可以看出，在环境温度变化10 ℃时，使用PTC 电阻方式，由于居里温度之后电阻值急剧变大，加热功率急剧降低，加热的热流密度不足以维持铝块向环境的散热，铝块平衡温度较低且变化为4．3℃；而使用普通电阻方式时，铝块平衡温度较高且变化为11．7 ℃。采用普通电阻方式时被控物体平衡温度的变化远大于PTC 电阻方式。由此可以看出，由于PTC材料的自适应特性使得被控物体的温度稳定性增强。

表1 不同环境温度下分别使用PTC电阻与普通电阻加热时被控铝块的平衡温度Table 1 Equilibrium temperature of the controlled object using PTC and ordinary resistance in different ambient temperatures

4 结论

本文搭建了电加热主动温度控制实验系统，基于该系统对PTC 电阻和普通电阻的控温性能进行了对比研究。研究结果对于利用PTC 电阻实现航天器载荷部件的精确控温具有一定的指导意义。主要结论如下：

（1）使用PTC 电阻给被控物体进行电加热控温，电压不变时，在其高于居里温度时，控温精度比低于居里温度时显著提高。

（2）高于居里温度时，PTC电阻对被控物体的控温精度较使用普通电阻的直接电加热系统明显提高。

（3）PTC电阻的自适应控温能力较普通电阻显著增强，使用PTC电阻加热时被控物体的温度稳定性大大提高。

（4）制备居里温度在不同温度段的PTC 材料，以适合各种温度控制需要，尚有待于进一步的研究。

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