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NTC热敏电阻应用


NTC 热敏电阻的原理及应用
1、原理 、

NTC 热敏电阻是指负温度系数热敏电阻。 它是以锰(Mn)、 钴(Co)、 镍(Ni)、 铜(Cu) 和铝(Al)等金属氧化物为主要材料,采用陶瓷工艺制造而成的。这些金属氧化物 材料都具有半导体性质, 因为在导电方式上类似锗、 硅等半导体材料。 温度低时, NTC 热敏电阻材料的载流子(电子-空穴)数目少

,所以其电阻值较高;随着温 度的升高,受热激发跃迁到较高能级而产生新的电子-空穴,使参加导电的载流 子数目增加,所以电阻值降低。NTC 热敏电阻的阻值在室温下的变化范围为 1 欧 姆 - 106 欧姆,温度系数为-2% - -6%。利用 NTC 热敏电阻器的不同特性,可广 泛应用在温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等场合。 1.1、主要参数 主要参数 零功率电阻(Rt):“零功率”一词容易使人费解,因为物理含义上的零功率检测 是不存在的, 工程含义是自热导致的电阻值变化相对于总的测量误差可以忽略不 计。通常,对 NTC 热敏电阻的零功率测量是在恒温槽中进行,影响总的测量误差 有二个主要因素:一是通过 NTC 热敏电阻的电流,二是恒温槽精度。一般说来, 减少通过 NTC 热敏电阻的电流的方法比较多,一但电流下降到一定程度,影响测 量误差的往往是恒温槽的精度。

B 值: 热敏电阻器的材料常数(热敏指数), NTC 可以通过测量 NTC 热敏电阻在 25℃ 和 50℃(或 85℃)时的电阻值后计算得出。B 值是与电阻温度系数成正比的, 也就是说 B 值越大,其电阻温度系数也就越大。但不能简单地说 B 值是大好还是 小好,作温度测量使用时,B 值大则在测量低温和常温时灵敏度高,而在测量高 温时灵敏度低,B 值小则相反;作温度补偿使用时,则要根据需补偿的元件特性 选择合适的 B 值;作抑制浪涌使用时,B 值大则通过电流能力强、残余电阻小、 消耗功耗低。B 值被定义为:
式中,RT1 :温度 T1 ( K )时的零功率电阻值; RT2 :温度 T2 ( K )时的零功率电阻值; T1、T2 :两个被指定的温度( K )

自热:当我们对 NTC 热敏电阻进行测量和运用时总会通过一定量的电流,这一电 流使 NTC 热敏电阻自身产生热量。NTC 热敏电阻的自热会导致其阻值下降,在测 量及应用过程中出现动态变化,所以控制自热是运用 NTC 热敏电阻的关键。当 NTC 用于温度测量时,应当尽量避免自热,而当 NTC 热敏电阻用于抑制浪涌电流 时,则是利用其自热。

热时间常数(τa):NTC 热敏电阻在稳定的温度 Ta 下,迅速进入设定(和要求

介质) 的温度 Tb 环境内, 测量其温度上升规定幅度 T?所需要的时间。 温度 T? 的 上升幅度为室温 Ta 至设定温度 Tb 差值的 63.2%。需要注意的是在不同的介质和 条件(如介质是静止还是流动)下,τa 的数值差异有可能是很大的,如在静止 的空气中和流动的液体中此常数可相差一个数量级,τa 反映 NTC 热敏电阻在测 量温度时的响应速度,一般情况下热时间常数与 NTC 热敏电阻的体积成正比例。

耗散系数(δ):使 NTC 热敏电阻的温度上升 1K 所消耗的功率称为耗散系数。 可见,NTC 热敏电阻温度的上升指的是自热温度。从另外一个角度看,自热造成 的温升可以利用 δ 计算出来。 例如:已知 δ 为 0.1 W/℃,测量功率为 0.5 W, 则:0.5/0.1℃=5℃,自热使 NTC 热敏电阻高于环境温度 5℃。

最大稳态电流:在环境温度为 25℃时允许施加在 NTC 热敏电阻器上的最大连续电 流。该数值越大则表明热敏电阻可通过的电流能力越强,一般来说最大稳态电流 与 NTC 热敏电阻体积成正比, NTC 热敏电阻的阻值成反比。 与 在其他条件相同时, 该数值越大则 NTC 热敏电阻的抑制浪涌电流性能越好。 2、应用 2.1、 2.1、抑制浪涌电流 开关电源电路、照明电路等电路在开机瞬间都会有极大的浪涌电流,浪涌电流是 由于电路中大电容器的充电引起。在开关打开时,交流部分的线路上会呈现非常 低的阻抗值,此时线路中若没有保护元件的话,其浪涌电流可达正常工作电流的 10-100 倍,可高达数百安培,这是非常危险的,会烧坏元器件(如一些 MOS 器 件)或将保险丝烧断。利用 NTC 热敏电阻的电流-电压特性和电流-时间特性将它 与负载串联,可有效地抑制浪涌电流。 NTC 热敏电阻可在交流线路上或是在桥式整流器的直流输出处串联使用(见下 图),达到抑制开机浪涌电流作用。原理是:当电源开关打开时,NTC 热敏电阻 处于冷态状态,电阻值较大,可有效抑制流经电阻体的浪涌脉冲电流,在浪涌脉 冲电流和工作电流的双重作用下,NTC 热敏电阻温度就会上升,由于其本身具有 负温度系数之特性,所以温度升高,电阻值急剧下降。在稳态负载电流下,其电 阻值将会很小,只有冷态状态下的 1/20-1/50 左右,对电流的限制作用会较小, 消耗的功率很小,不会影响到整个电源的效率。所以在电源回路中使用功率型 NTC 热敏电阻,是抑制开机浪涌电流保护电子设备免遭破坏的最为简便最为有效 的措施。在抑制浪涌方面具体应用的如 MF72、MF73、MF74 系列 NTC 热敏电阻。

随着电子技术的发展, 对抑制浪涌电流的 NTC 热敏电阻的要求是小体积、 大功率、 低功耗、高可靠性。所以热敏电阻的发展方向是,一、在相同的阻值和稳态电流 下,体积更小,二、在相同的阻值和体积下,稳态电流更大,并具有更强耐电流

冲击的能力。 在此方面南京时恒电子科技有限公司利用其技术及工艺方面的优质, 率先在国内推出了两种具有国际一流水平的最新产品。 以常规的功率型热敏电阻 5D20 产品为例(阻值为 5Ω,最大稳态电流是 7A,外形直径 20mm),一种新产 品是相同阻值相同稳态电流,但体积更小的产品(阻值为 5Ω,稳态电流 7A,但 直径只有原来的一半 10mm),另一种新产品是相同的阻值相同的体积,但稳态 电流更大的产品(阻值为 5Ω,外形直径 20mm,但稳态电流却达到原来的二倍 14A) 相信新产品的推出, 。 给电源用户在抑制浪涌保护方面带来更多更好选择。 2.2、 2.2、温度补偿 在各种交直流电路中,大部分的元器件都是正温度系数特性的,如线圈、LCD 显 示屏、晶体管、石英振荡器等。精密电路或对温度特别敏感的元器件,受到温度 影响后,会产生零点温度漂移或灵敏度温度漂移,而要在相当广的温度范围内获 得良好的工作状态,选用一个或多个 NTC 热敏电阻与之配合使用,利用 NTC 热敏 电阻的负温度特性, 可抵消温度对电路中元件特性的影响, 起到温度补偿的作用, 使电路在较宽的温度范围下可稳定工作, NTC 热敏电阻器在温度补偿中现出来的稳定性、跟踪性、可靠性,可减化温度补 偿电路设计的复杂性,降低电路成本,使元件获得良好的温度适应性。如石英振 荡器(TCXO)温度的高低会使频率出现波动,造成性能的不稳定。在石英振荡器 电路中,使用一个 NTC 热敏电阻作温度补偿元件,来消除冷、热对晶体振荡器性 能的影响。LCD 显示屏中的液晶对温度具有敏感性,温度较高时,造成 LCD 对比 度太强,温度较低时,LCD 的透射会减弱,引起图像模糊。利用 NTC 热敏电阻的 阻温特性,可以在较低温度下提供较高工作电压给 LCD,在较高温度下提供较低 的工作电压,使 LCD 在高低温下均能稳定可靠地工作。在温度补偿方面具体应用 的如 SMD 系列和 MF11 系列 NTC 热敏电阻。 2.3、 2.3、温度测量

NTC 热敏电阻的阻温特性是指 NTC 热敏电阻的阻值与温度之间的关系,其关系是 近似符合指数函数规律的,并可做出电阻-温度特性曲线,因此可由测量电阻值 而推算出温度的高低,它是 NTC 热敏电阻测温的基础。NTC 热敏电阻在测温中应 用的主要特点是: ①灵敏度较高, 其电阻温度系数要比铂、 铜电阻大 10~50 倍, 能较容易地检测出 0.1%℃的温度变化;②工作温度范围宽,常温器件适用于 -55℃~300℃温度范围;③体积小,能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体 及生物体内血管的温度;④使用方便,电阻值可在 102~106Ω 间任意选择;⑤ 易加工成复杂的形状,可大批量生产;⑥稳定性好,价格低廉。 2.3.1、 2.3.1、测温方法 NTC 热敏电阻具有价格低廉、阻值随温度变化显著的特点,而广泛运用于温度测 量和温度控制。目前常用的是采用电桥和单片机测量的方法。

电桥,将 NTC 热敏电阻器置于需要测量的环境中,将 NTC 热敏电阻器作为惠斯登 电桥的一脚(见图 1),环境温度的变化将导致 NTC 热敏电阻器阻值的变化,通 过毫安表可以知道阻值的变化情况。 利用 NTC 热敏电阻器阻值随温度变化的特性, 通过阻值的测量来提供温度信号,配合相应的电路路进行温度指示或控制。

单片机,通常采用一只精密电阻与 NTC 串联(见图 2),NTC 阻值的变化转变为 电压变化直接进入单片机的 A/D 的输入接口,不必经过放大处理,电路构成极为 简单。只要测量出相应的 NTC 热敏电阻的阻值,根据 NTC 热敏电阻的阻温特性, 经过运算就可以得到温度的数值。 在运用 NTC 热敏电阻测量温度时,除了选择合适的 R 值和 B 值之外,还应当考虑 到测量速度及精度。

选择合适的 τa :τa 值直接反映 NTC 热敏电阻测量温度的响应速度,但不是越小越好,确定 τa 值需 要比较与权衡。因为 τa 值与它的封装尺寸和封装材料有关,一般来说,NTC 热 敏电阻的封装尺寸小,则 τa 值小,机械强度低;封装尺寸大,则 τa 值大,机 械强度高。

确定电流范围:可利用耗散系数来确定工作电流的范围。利用耗散系数确定电流 范围的方法是先确定 NTC 热敏电阻精度,再确定允许的自热功耗。例如,NTC 热 敏电阻的精度为 0.1℃,则自热温度不超过 0.1℃就能够满足精度要求,也就是 说,小于 0.1δ 的功率为不产生自热的功率。 另外一个不能忽视的问题是,NTC 热敏电阻测量温度的长期稳定性。要不受时间 点的限制,今天的测量结果和若干年的测量结果是一致的,这就需要 NTC 热敏电 阻的年漂移度要小,最好是年阻值和 B 值漂移均小于 0.1%。南京时恒电子科技 有限公司凭借独特的工艺方法和领先技术生产出测温型 NTC 系列产品, 具有高精 度、高可靠性、高稳定性等突出优势,处于国内领先水平。 2.3.2 测温运用 NTC 热敏电阻温度传感器的主要用途是温度检测和控制;随着家电、日常用品、 办公用品的智能化及自动化,各种测量和控制更为精密和高效率,人们工作更方 便、生活更舒适,在这中间温度信息的获取非常重要,以下就 NTC 热敏电阻在 测控温方面的一些应用。 数字温度计,是利用数字单片机与 NTC 热敏电阻结合的产物,在-55℃-125℃温 度范围内,测温精度达到±3℃,可以简单快捷地显示出环境、水温、食物等温 度的数值。在此方面具体运用的如 MF52 和 MF58 系列产品。

热水器,热水器需要设置最佳水温,采用的 NTC 热敏电阻已经可以将水中的时 间常数控制在 5 秒以下,同时在进水口和出水口处设置温度传感器,根据进水的 温度自动调节燃气或电加热功率的大小,达到既满足需要又节能的目的;另外还 在燃烧室或电加热管处设置温度传感器,防止干烧。在此方面具体运用的如带金 属外壳的 CWF 温度传感器产品。 空调,空调使用的 NTC 热敏电阻通常使用树脂包封和铜壳灌封两种结构,较好 地满足了防潮、耐久等需要,一般空调单机用量 2-3 只,变频空调 5-6 只。在此 方面具体运用的如 MF52D 系列及金属外壳的 CWF 温度传感器产品。 厨房设备,随着模糊逻辑技术的普及,电磁炉、微波炉、电烤箱、咖啡炉、电冰 箱等厨房设备,采用灵敏、价廉、耐热冲击、体积小、无污染的 NTC 热敏电阻温 度传感器,具有按设定程序控制、升温、保温、降温、断电等功能。在此方面具 体运用的如 MF58 系列产品。 可充电电池,随着手机、照相机、笔记本电脑等便携式数码产品的普及,可充电 的电池(如锂离子电池、镍氢电池等)被大量使用,而在充放电过程中电池温度 会升高,甚至会引起爆炸,造成重大的损失。引入 NTC 热敏电阻对温度进行检测 及控制,防止出现意外。在此方面具体运用的如 MF52B 和 MF52D 产品。

3、结论 、 NTC 热敏电阻器可以用于浪涌抑制、温度补偿、精密测温、温服控制等领域,产 品广泛应用于工业电子设备、电源设备、通讯、电子、交通、医疗电子、汽车电 子、家用电子、测试仪器仪表等,具有广阔的市场应用和销售前景。


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