热敏电阻介绍和相关应用指导



热敏电阻

摘要

热敏电阻的电阻值会随温度增加呈线性上升,外型为为轴向引线玻璃封装结构,具有体积小、结构坚固、外形标准化、高精度和快速反应等优点,并具有极强的稳定性、复现性,重复百万次特性曲线不变,可在高温和高湿的恶劣环境下使用,常用于通讯、汽车、仪表、计算器、家电等行业的温度测量和控制,本文将介绍热敏电阻并介绍其相关应用。


关键词:热敏电阻


一、        简介:


热敏电阻(Thermistor, Thermal Resistor 之缩写,简称 TSR),它是一种对温度(热)相当敏感的电阻,主要功能都是提供断电功能,類似于保险丝,与保险丝的差别在于,保险丝在电流过大而断电后无法恢復通电功能,需要更换新的保险丝;热敏电阻因电流異常而断电后,若电流及温度再次回復正常,即会自动恢復通电功能,不必更换零件即可重复使用,达到保护电子组件之目的。[2]热敏电阻使用范围相当广,譬如:各類消费性电子、玩具、家用电器、工业测量产品以及个人计算机必须具备之量测设备,而「热敏电阻器」则是最容易取得的温度感测组件。「热敏电阻器」能因环境温度高低而改变电阻器值大小。如果我们能了解它的特性,改进它的缺点,减少讀取温度误差加强其准确度,将可减少电路损坏,不仅可降低厂商成本,更可拓展其应用領域,广泛应用在电子、信息、通讯、家电、汽車、生医、航天等相关产业。[3]热敏电阻如同 RTD,均为感热性的半导体,且其电阻将随温度产生变化。热敏电阻是由金属氧化半导体 (MOS) 材料所构成,并封闭于玻璃或环氧树脂中。同时,热敏电阻的额定电阻 (Nominal resistance) 值一般均高于 RTD (从 2,000 ~ 10,000 Ù),且可使用于较低的电流。[


二、        热敏电阻种类及特性:


热敏电阻是一种电阻值对温度极为敏感的半导体组件,因材质不同,它可分为正温度系數(PTC, Positive Temperature Coefficient)及负温度系數(NTC, Negative Temperature Coefficient)热敏电阻兩种。[3]

(一)        正温度系數(PTC):依其所使用原料可分为陶瓷正温度系數(CPTC,Ceramic PTC)热敏电阻及高分子正温度系數(PPTC,Polymeric PTC)热敏电阻兩類。 CPTC 热敏电阻是由钛酸钡、二氧化钛等材料添加少量稀土元素经高温烧制成,这种组件于某段温度范围会维持稳定的低电阻值,直至温度高于材料承受的温度时,其阻值就会大幅增加。

PPTC 热敏电阻主要是由聚乙稀及具导电性的碳黑微粒所制成。当有过大电流流过该器件时,它会因发热而膨胀;其膨胀将使碳微粒分散开,阻抗增加。这使器件更快地发热并膨胀得更大,阻抗再次增加,使电路中的电流明显地减少。当电源和故障解除后,它将收缩到其原來的形狀,并恢復为低阻抗狀态。

(二)        负温度系數(NTC) 

NTC 是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为材料制造的半导体陶瓷组件,因这些金属氧化物材料都具有半导体性质,其导电方式類似锗、硅等半导体,在温度低时,这些氧化物材料的载流子(电子)數目较少,所以电阻值较高;随着温度上升,载流子數目增加,电阻值随之下降。根据用途不同,NTC 热敏电阻器之形狀区分为圆球型、圆片型、棒球型、二极管型或片式等形狀。大部分都具有高耐热性、高可靠性、高精度。用來作为温度测定、温度控制或电路的温度补偿。


三、        使用注意事项:


(一)        自热问题 

由于热敏电阻器是一个电阻器,电流流过它时会产生一定的热量,因此电路设计人员应确保串聯电阻器足够大,以防止热敏电阻器自热过度,否则系统测量的是热敏电阻器发出的热,而不是周围环境的温度。

(二)        热跑脱(Thermal runaway)现象 

例如使用NTC的时候,电阻随温度上升而下降,将使流经NTC的电流增加,此时NTC的功率损耗,电流便以平方倍使功率损耗快速增加,功率损耗增加后,产生的热效应变大,温度就随之上升,使得NTC的的电阻值再次下降,电流接着又增加,如此循环,最后因超过NTC负荷之瓦特數而烧掉。

(三)        累积误差 

热敏电阻器的电阻会随温度而变化。为求准确度,设计电路时要注意组件的精度,包括电阻器、參考电压及热敏电阻器本身,仔细算出所有组件的累积误差,以便和热敏电阻器的精度相配合。

(四)        反应速度不同 

不同型号的热敏电阻器因温度不同,所造成的电阻器变化速度亦不同,故必须因应不同的用途,选择不同型号的热敏电阻器。


四、        相关功能:


(一)        保护组件

例如高分子正温度系數热敏电阻(PPTC)是利用特殊的高分子混合导电的颗粒而形成导电高分子,在正常的环境温度下,材料内部的导电颗粒含形成低阻抗的结构,当温度上升至材料的转换温度以上时,高分子的结构由结晶狀态变成非结晶态,并伴随着体积增加使导电颗粒分开而使阻抗急遽增高当电路中电流突然增加, PPTC 热敏电阻温度亦随之上升,当温度上升超过转折温度(Tt)时,急遽增加的阻抗可**突波电流的大小,进而达到保护组件的目的。

(二)        温度补偿 

因负温度系數热敏电阻(NTC)的电阻值可以随温度的上升而下降,将负温度系數热敏电阻放入电路,没有负温度系數热敏电阻前之电路总阻值含随温度上升(Rc),而加上负温度系數热敏电阻做补偿后,电路总阻值RTotal 不随温度改变而有明显变化。

(三)        液位传感器 

当电流增加,NTC 热敏电阻产生的热使组件本身的温度上升,并与环境进行热交换。液位传感器,是利用 NTC 热敏电阻在液体和空气中的热散失差異,当电流增加,NTC 热敏电阻通以电流后产生焦耳热而升温,其热量传导至周围介质,平衡温度将随介质种類而不同。利用此方法可检知 NTC 热敏电阻在液体中或空气中,以适时启动警示灯。


五、        相关应用:

(一)        在电池电路中使用热敏电阻,就可以检测过量的电流或电流的过热,从而调整充电的速率。其结果是,电池开始充电时的电流会比较大,这样,在比较短的时间内就可以以较大的充电电流快速充电。而当将要达到临界电流或临界温度时,可以控制充电的速度使之降低,然后,再比较平稳地完成充电。

(二)        笔记本计算机越来越小的尺寸也对工程师进出了挑战。计算机的主板对温度是非常敏感的,而主板又是非常接近发热的电源电路,不断提高的CPU主频不仅提高了CPU的速度,也使得它的工作温度更高了。在这种场合,表面封装式热敏电阻既可以快速响应来进行过热的保护,也比较容易使用,但有时也无法将热敏电阻安装在需要的位置。将表面封装式热敏电阻结合一种特殊形状的带状线可以将温度敏感组件放在特定的敏感点,从而进一步提高了保护的能力。

(三)        食品和药品工业在运输过程中也使用温度控制来保证产品的质量。为了防止部分或全部地损失药品的有效性,有不少药品在运输中要精确地控制温度和温度。在运输过程中温度记录器不断地管理着运输的条件。典型的记录器可能是一组放在不同位置的测试卡,它可以包含内部热敏电阻组件,外部热敏电阻探针,或两者兼而有之。

六、        讨论及结论:


长期以来,热敏电阻广泛地用来测量水的温度。现在,则有许多新的应用,这些应用中有许多是应用在豪华轿车中的,而且这将很快成为热敏电阻的一种主流的应用。 现在对热敏电阻工业提出了更高的要求:更小的尺寸、更高的稳定性、更好的高温测试性能,等等,在这些方面现在都取得了进展。在这些进展的基础上将会有许多更新的应用:包括更精确的患者温度的监控、微小温差传感器、用来改进燃料效率的汽车中的高温传感器,等等,。回顾热敏电阻应用200年来的进展,可以相信,现在热敏电阻工业和研究的进展一定可以满足电子工业现在和将来对于热敏传感所提出的各种需求。


(一)        热敏电阻器的种類及特性 

1、正温度系數(PTC)热敏电阻,其阻值随着温度上升而上升。 

2、负温度系數(NTC)热敏电阻,其阻值随着温度上升而下降。

(二)        使用热敏电阻器须注意的地方 

1、注意电流量 

      热敏电阻器有自热效应,加在热敏电阻器上的电压不可太高,避免误差产生,所以只能用微弱电流驱动。

2、注意自热现象 

   不可将 PTC 热敏电阻器与其他组件串聯來获得更高的电压或功率,因自热

现象,会使兩端电压过高,导致热敏电阻器的击穿。

3、热敏电阻的保护方法

      不可将无保护之热敏电阻器用于导电液体或浸蚀在还原气体中,因为会使热敏电阻器之特性发生变化。

4、热敏电阻的靈敏度 

   热敏电阻器可以并聯电阻器使用,以改善热敏电阻器对温度

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