NTC熱敏電阻原理及應(yīng)用

　　NTC熱敏電阻是指具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。是使用單一高純度材料、具有接近理論密度結(jié)構(gòu)的高性能陶瓷。因此，在實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí)，還具有電阻值、溫度特性波動(dòng)小、對(duì)各種溫度變化響應(yīng)快的特點(diǎn)，可進(jìn)行高靈敏度、高精度的檢測(cè)。本公司提供各種形狀、特性的小型、高可靠性產(chǎn)品，可滿足廣大客戶的應(yīng)用需求。

　　NTC負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻工作原理

　　NTC是NegativeTemperatureCoefficient的縮寫,意思是負(fù)的溫度系數(shù),泛指負(fù)溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件，所謂NTC熱敏電阻器就是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器。它是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料，采用陶瓷工藝制造而成的。這些金屬氧化物材料都具有半導(dǎo)體性質(zhì)，因?yàn)樵趯?dǎo)電方式上完全類似鍺、硅等半導(dǎo)體材料。溫度低時(shí)，這些氧化物材料的載流子（電子和孔穴）數(shù)目少，所以其電阻值較高；隨著溫度的升高，載流子數(shù)目增加，所以電阻值降低。NTC熱敏電阻器在室溫下的變化范圍在10O~1000000歐姆，溫度系數(shù)-2%~-6.5%。NTC熱敏電阻器可廣泛應(yīng)用于溫度測(cè)量、溫度補(bǔ)償、抑制浪涌電流等場(chǎng)合。

　　NTC負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻專業(yè)術(shù)語(yǔ)

　　零功率電阻值RT（Ω）

　　RT指在規(guī)定溫度T時(shí)，采用引起電阻值變化相對(duì)于總的測(cè)量誤差來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)的測(cè)量功率測(cè)得的電阻值。

　　電阻值和溫度變化的關(guān)系式為：

　　RT=RNexpB(1/T–1/TN)

　　RT：在溫度T（K）時(shí)的NTC熱敏電阻阻值。

　　RN：在額定溫度TN（K）時(shí)的NTC熱敏電阻阻值。

　　T：規(guī)定溫度（K）。

　　B：NTC熱敏電阻的材料常數(shù)，又叫熱敏指數(shù)。

　　exp：以自然數(shù)e為底的指數(shù)（e=2.71828…）。

　　該關(guān)系式是經(jīng)驗(yàn)公式，只在額定溫度TN或額定電阻阻值RN的有限范圍內(nèi)才具有一定的精確度，因?yàn)椴牧铣?shù)B本身也是溫度T的函數(shù)。

　　額定零功率電阻值R25（Ω）

　　根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定，額定零功率電阻值是NTC熱敏電阻在基準(zhǔn)溫度25℃時(shí)測(cè)得的電阻值R25，這個(gè)電阻值就是NTC熱敏電阻的標(biāo)稱電阻值。通常所說(shuō)NTC熱敏電阻多少阻值，亦指該值。

　　材料常數(shù)（熱敏指數(shù)）B值（K）

　　B值被定義為：

　　RT1：溫度T1（K）時(shí)的零功率電阻值。

　　RT2：溫度T2（K）時(shí)的零功率電阻值。

　　T1，T2：兩個(gè)被指定的溫度（K）。

　　對(duì)于常用的NTC熱敏電阻，B值范圍一般在2000K～6000K之間。

　　零功率電阻溫度系數(shù)（αT）

　　在規(guī)定溫度下，NTC熱敏電阻零動(dòng)功率電阻值的相對(duì)變化與引起該變化的溫度變化值之比值。

　　αT：溫度T（K）時(shí)的零功率電阻溫度系數(shù)。

　　RT：溫度T（K）時(shí)的零功率電阻值。

　　T：溫度（T）。

　　B：材料常數(shù)。

　　耗散系數(shù)（δ）

　　在規(guī)定環(huán)境溫度下，NTC熱敏電阻耗散系數(shù)是電阻中耗散的功率變化與電阻體相應(yīng)的溫度變化之比值。

　　δ：NTC熱敏電阻耗散系數(shù)，（mW/K）。

　　△P：NTC熱敏電阻消耗的功率（mW）。

　　△T：NTC熱敏電阻消耗功率△P時(shí)，電阻體相應(yīng)的溫度變化（K）。

　　熱時(shí)間常數(shù)(τ)

　　在零功率條件下，當(dāng)溫度突變時(shí)，熱敏電阻的溫度變化了始未兩個(gè)溫度差的63.2%時(shí)所需的時(shí)間，熱時(shí)間常數(shù)與NTC熱敏電阻的熱容量成正比，與其耗散系數(shù)成反比。

　　τ：熱時(shí)間常數(shù)（S）。

　　C：NTC熱敏電阻的熱容量。

　　δ：NTC熱敏電阻的耗散系數(shù)。

　　額定功率Pn

　　在規(guī)定的技術(shù)條件下，熱敏電阻器長(zhǎng)期連續(xù)工作所允許消耗的功率。在此功率下，電阻體自身溫度不超過(guò)其最高工作溫度。

　　最高工作溫度Tmax

　　在規(guī)定的技術(shù)條件下，熱敏電阻器能長(zhǎng)期連續(xù)工作所允許的最高溫度。即:

　　T0-環(huán)境溫度。

　　測(cè)量功率Pm

　　熱敏電阻在規(guī)定的環(huán)境溫度下，阻體受測(cè)量電流加熱引起的阻值變化相對(duì)于總的測(cè)量誤差來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)時(shí)所消耗的功率。

　　一般要求阻值變化大于0.1%，則這時(shí)的測(cè)量功率Pm為：

　　電阻溫度特性

　　NTC熱敏電阻的溫度特性可用下式近似表示：

　　式中：

　　RT：溫度T時(shí)零功率電阻值。

　　A：與熱敏電阻器材料物理特性及幾何尺寸有關(guān)的系數(shù)。

　　B：B值。

　　T：溫度（k）。

　　更精確的表達(dá)式為：

　　式中：RT：熱敏電阻器在溫度T時(shí)的零功率電阻值。

　　T：為絕對(duì)溫度值，K；

　　A、B、C、D：為特定的常數(shù)。

　　熱敏電阻的基本特性電阻－溫度特性熱敏電阻的電阻－溫度特性可近似地用式1表示。

　　(式1)R=Roexp{B(I/T-I/To)}

　　R

　　   

　　:溫度T(K)時(shí)的電阻值

　　Ro

　　   

　　:溫度T0(K)時(shí)的電阻值

　　B

　　   

　　:B值

　　*T(K)=t(ºC)+273.15

　　但實(shí)際上，熱敏電阻的B值并非是恒定的，其變化大小因材料構(gòu)成而異，最大甚至可達(dá)5K/°C。因此在較大的溫度范圍內(nèi)應(yīng)用式1時(shí)，將與實(shí)測(cè)值之間存在一定誤差。

　　此處，若將式1中的B值用式2所示的作為溫度的函數(shù)計(jì)算時(shí)，則可降低與實(shí)測(cè)值之間的誤差，可認(rèn)為近似相等。

　　(式2)BT=CT2+DT+E

　　上式中，C、D、E為常數(shù)。

　　另外，因生產(chǎn)條件不同造成的B值的波動(dòng)會(huì)引起常數(shù)E發(fā)生變化，但常數(shù)C、D不變。因此，在探討B(tài)值的波動(dòng)量時(shí)，只需考慮常數(shù)E即可。

　　•常數(shù)C、D、E的計(jì)算

　　常數(shù)C、D、E可由4點(diǎn)的(溫度、電阻值)數(shù)據(jù)(T0,R0).(T1,R1).(T2,R2)and(T3,R3)，通過(guò)式3～6計(jì)算。

　　首先由式樣3根據(jù)T0和T1,T2,T3的電阻值求出B1,B2,B3,然后代入以下各式樣。

　　•電阻值計(jì)算例

　　試根據(jù)電阻－溫度特性表，求25°C時(shí)的電阻值為5(kΩ)，B值偏差為50(K)的熱敏電阻在10°C～30°C的電阻值。

　　•步驟

　　(1)根據(jù)電阻－溫度特性表，求常數(shù)C、D、E。

　　To=25+273.15T1=10+273.15T2=20+273.15T3=30+273.15(2)代入BT=CT2+DT+E+50，求BT。

　　(3)將數(shù)值代入R=5exp{(BTI/T-I/298.15)}，求R。

　　*T:10+273.15～30+273.15

　　•電阻－溫度特性圖如圖1所示

　　電阻溫度系數(shù)所謂電阻溫度系數(shù)(α)，是指在任意溫度下溫度變化1°C(K)時(shí)的零負(fù)載電阻變化率。電阻溫度系數(shù)(α)與B值的關(guān)系，可將式1微分得到。

　　這里α前的負(fù)號(hào)(－)，表示當(dāng)溫度上升時(shí)零負(fù)載電阻降低。

　　散熱系數(shù)(JIS-C2570)散熱系數(shù)(δ)是指在熱平衡狀態(tài)下，熱敏電阻元件通過(guò)自身發(fā)熱使其溫度上升1°C時(shí)所需的功率。

　　在熱平衡狀態(tài)下，熱敏電阻的溫度T1、環(huán)境溫度T2及消耗功率P之間關(guān)系如下式所示。

　　產(chǎn)品目錄記載值為下列測(cè)定條件下的典型值。

　　(1)

　　   

　　25°C靜止空氣中。

　　(2)

　　   

　　軸向引腳、經(jīng)向引腳型在出廠狀態(tài)下測(cè)定。

　　額定功率(JIS-C2570)在額定環(huán)境溫度下，可連續(xù)負(fù)載運(yùn)行的功率最大值。

　　產(chǎn)品目錄記載值是以25°C為額定環(huán)境溫度、由下式計(jì)算出的值。

　　(式)額定功率=散熱系數(shù)×（最高使用溫度－25）

　　最大運(yùn)行功率最大運(yùn)行功率=t×散熱系數(shù)…(3.3)

　　這是使用熱敏電阻進(jìn)行溫度檢測(cè)或溫度補(bǔ)償時(shí)，自身發(fā)熱產(chǎn)生的溫度上升容許值所對(duì)應(yīng)功率。(JIS中未定義。)容許溫度上升t°C時(shí)，最大運(yùn)行功率可由下式計(jì)算。

　　應(yīng)環(huán)境溫度變化的熱響應(yīng)時(shí)間常數(shù)(JIS-C2570)指在零負(fù)載狀態(tài)下，當(dāng)熱敏電阻的環(huán)境溫度發(fā)生急劇變化時(shí)，熱敏電阻元件產(chǎn)生最初溫度與最終溫度兩者溫度差的63.2%的溫度變化所需的時(shí)間。

　　熱敏電阻的環(huán)境溫度從T1變?yōu)門2時(shí)，經(jīng)過(guò)時(shí)間t與熱敏電阻的溫度T之間存在以下關(guān)系。

　　T=

　　   

　　(T1-T2)exp(-t/τ)+T2......(3.1)

　　   

　　(T2-T1){1-exp(-t/τ)}+T1.....(3.2)

　　常數(shù)τ稱熱響應(yīng)時(shí)間常數(shù)。

　　上式中，若令t=τ時(shí)，則(T-T1)/(T2-T1)=0.632。

　　換言之，如上面的定義所述，熱敏電阻產(chǎn)生初始溫度差63.2%的溫度變化所需的時(shí)間即為熱響應(yīng)時(shí)間常數(shù)。

　　經(jīng)過(guò)時(shí)間與熱敏電阻溫度變化率的關(guān)系如下表所示。

　　產(chǎn)品目錄記錄值為下列測(cè)定條件下的典型值。

　　(1)

　　   

　　靜止空氣中環(huán)境溫度從50°C至25°C變化時(shí)，熱敏電阻的溫度變化至34.2°C所需時(shí)間。

　　(2)

　　   

　　軸向引腳、徑向引腳型在出廠狀態(tài)下測(cè)定。

　　另外應(yīng)注意，散熱系數(shù)、熱響應(yīng)時(shí)間常數(shù)隨環(huán)境溫度、組裝條件而變化。

　　NTC負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻R-T特性

　　B值相同，阻值不同的R-T特性曲線示意圖

　　相同阻值，不同B值的NTC熱敏電阻R-T特性曲線示意圖

　　溫度測(cè)量、控制用NTC熱敏電阻器

　　外形結(jié)構(gòu)

　　環(huán)氧封裝系列NTC熱敏電阻

　　玻璃封裝系列NTC熱敏電阻

　　應(yīng)用電路原理圖

　　溫度測(cè)量（惠斯登電橋電路）

　　溫度控制

　　應(yīng)用設(shè)計(jì)

　　·電子溫度計(jì)、電子萬(wàn)年歷、電子鐘溫度顯示、電子禮品；

　　·冷暖設(shè)備、加熱恒溫電器；

　　·汽車電子溫度測(cè)控電路；

　　·溫度傳感器、溫度儀表；

　　·醫(yī)療電子設(shè)備、電子盥洗設(shè)備；

　　·手機(jī)電池及充電電器。

　　溫度補(bǔ)償用NTC熱敏電阻器

　　產(chǎn)品概述

　　許多半導(dǎo)體和ICs有溫度系數(shù)而且要求溫度補(bǔ)償，以在較大的溫度范圍中達(dá)到穩(wěn)定性能的作用，由于NTC熱敏電阻器有較高的溫度系數(shù)，所以廣泛應(yīng)用于溫度補(bǔ)償。

　　主要參數(shù)

　　額定零功率電阻值R25(Ω)

　　R25允許偏差（%）

　　B值(25/50℃)/（K）

　　時(shí)間常數(shù)≤30S

　　耗散系數(shù)≥6mW/℃

　　測(cè)量功率≤0.1mW

　　額定功率≤0.5W

　　使用溫度范圍-55℃~+125℃

　　降功耗曲線：