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熱敏電阻器是敏感元件的一類,按照溫度係數不同分為正溫度係數熱敏電阻器(PTC)和負溫度係數熱敏電阻器(NTC)。熱敏電阻器的典型特點是對溫度敏感,不同的溫度下表現出不同的電阻值。正溫度係數熱敏電阻器(PTC)在溫度越高時電阻值越大,負溫度係數熱敏電阻器(NTC)在溫度越高時電阻值越低,它們同屬於半導體器件。


1 熱敏電阻 -簡介

熱敏電阻是開發早、種類多、發展較成熟的敏感元器件.熱敏電阻由半導體陶瓷材料組成,利用的原理是溫度引起電阻變化.若電子和空穴的濃度分別為n、p,遷移率分別為μn、μp,則半導體的電導為:σ=q(nμn pμp)因為n、p、μn、μp都是依賴溫度T的函數,所以電導是溫度的函數,因此可由測量電導而推算出溫度的高低,並能做出電阻-溫度特性曲線。

熱敏電阻熱敏電阻
電阻值隨溫度變化的半導體感測器。它的溫度係數很大,比溫差電偶和線繞電阻測溫元件的靈敏度高几十倍,適用於測量微小的溫度變化。熱敏電阻體積小、熱容量小、響應速度快,能在空隙和狹縫中測量。它的阻值高,測量結果受引線的影響小,可用於遠距離測量。它的過載能力強,成本低廉。但熱敏電阻的阻值與溫度為非線性關係,所以它只能在較窄的範圍內用於精確測量。熱敏電阻在一些精度要求不高的測量和控制裝置中得到廣泛應用。熱敏電阻按電阻溫度特性分為三類。①負溫度係數熱敏電阻(NTC):在工作溫度範圍內溫度係數一般為-(1~6)%/C°;②正溫度係數熱敏電阻(PTC):又分為開關型和緩變型,開關型在居里點的溫度係數大約為(10~60)%/C°,緩變型一般為(0.5~8)%/C°;③臨界負溫度係數熱敏電阻(CTR)。 NTC熱敏電阻可用於溫度計、溫差計、熱輻射計、紅外探測器和比熱計中作為檢測元件。測溫範圍為-60~+300℃,在更高的溫度時其穩定性開始變差。NTC熱敏電阻的標稱阻值一般在1歐至100兆歐之間。採用精密電阻和熱敏電阻的各種組合網路可擴大測量溫度線性範圍。用熱敏電阻製成的探頭有珠狀、棒桿狀、片狀和薄膜等形式,封裝外殼多用玻璃、鎳和不鏽鋼管等套管結構。測溫時安裝方法會影響測量精度。

2 熱敏電阻 -基本結構

熱敏電阻熱敏電阻

 



3 熱敏電阻 -工作原理

熱敏電阻將長期處於不動作狀態;當環境溫度和電流處於c區時,熱敏電阻的散熱功率與發熱功率接近,因而可能

熱敏電阻熱敏電阻
動作也可能不動作。熱敏電阻在環境溫度相同時,動作時間隨著電流的增加而急劇縮短;熱敏電阻在環境溫度相對較高時具有更短的動作時間和較小的維持電流及動作電流。

1、ptc效應是一種材料具有ptc(positivetemperaturecoefficient)效應,即正溫度係數效應,僅指此材料的電阻會隨溫度的升高而增加。如大多數金屬材料都具有ptc效應。在這些材料中,ptc效應表現為電阻隨溫度增加而線性增加,這就是通常所說的線性ptc效應。

2、非線性PTC效應  經過相變的材料會呈現出電阻沿狹窄溫度範圍內急劇增加幾個至十幾個數量級的現象,即非線性ptc效應,相當多種類型的導電聚合體會呈現出這種效應,如高分子ptc熱敏電阻。這些導電聚合體對於製造過電流保護裝置來說非常有用。

3、高分子ptc熱敏電阻用於過流保護  高分子ptc熱敏電阻又經常被人們稱為自恢復保險絲(下面簡稱為熱敏電阻),由於具有獨特的正溫度係數電阻特性,因而極為適合用作過流保護器件。熱敏電阻的使用方法象普通保險絲一樣,是串聯在電路中使用。

熱敏電阻熱敏電阻

當電路正常工作時,熱敏電阻溫度與室溫相近、電阻很小,串聯在電路中不會阻礙電流通過;而當電路因故障而出現過電流時,熱敏電阻由於發熱功率增加導致溫度上升,當溫度超過開關溫度(ts,見圖1)時,電阻瞬間會劇增,迴路中的電流迅速減小到安全值.為熱敏電阻對交流電路保護過程中電流的變化示意圖。熱敏電阻動作后,電路中電流有了大幅度的降低,圖中t為熱敏電阻的動作時間。由於高分子ptc熱敏電阻的可設計性好,可通過改變自身的開關溫度(ts)來調節其對溫度的敏感程度,因而可同時起到過溫保護和過流保護兩種作用,如kt16-1700dl規格熱敏電阻由於動作溫度很低,因而適用於鋰離子電池和鎳氫電池的過流及過溫保護。環境溫度對高分子ptc熱敏電阻的影響 高分子ptc熱敏電阻是一種直熱式、階躍型熱敏電阻,其電阻變化過程與自身的發熱和散熱情況有關,因而其維持電流(ihold)、動作電流(itrip)及動作時間受環境溫度影響。當環境溫度和電流處於a區時,熱敏電阻發熱功率大於散熱功率而會動作;當環境溫度和電流處於b區時發熱功率小於散熱功率,高分子ptc熱敏電阻由於電阻可恢復,因而可以重複多次使用。圖6為熱敏電阻動作后,恢復過程中電阻隨時間變化的示意圖。電阻一般在十幾秒到幾十秒中即可恢復到初始值1.6倍左右的水平,此時熱敏電阻的維持電流已經恢復到額定值,可以再次使用了。面積和厚度較小的熱敏電阻恢復相對較快;而面積和厚度較大的熱敏電阻恢復相對較。

4 熱敏電阻 -基本特性

熱敏電阻電阻—溫度特性
熱敏電阻的電阻-溫度特性可近似地用下式表示:R=R0exp{B(1/T-1/T0)}:R:溫度T(K)時的電阻值、Ro:溫度T0、(K)時的電阻值、B:B值、*T(K)=t(ºC)+273.15。

實際上,熱敏電阻的B值並非是恆定的,其變化大小因材料構成而異,最大甚至可達5K/°C。因此在較大的溫度範圍內應用式1時,將與實測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計算時,則可降低與實測值之間的誤差,可認為近似相等。

BT=CT2+DT+E,上式中,C、D、E為常數。另外,因生產條件不同造成的B值的波動會引起常數E發生變化,但常數C、D不變。因此,在探討B值的波動量時,只需考慮常數E即可。常數C、D、E的計算,常數C、D、E可由4點的(溫度、電阻值)數據(T0,R0).(T1,R1).(T2,R2)and(T3,R3),通過式3∼6計算。首先由式樣3根據T0和T1,T2,T3的電阻值求出B1,B2,B3,然後代入以下各式樣。

電阻值計算例:試根據電阻-溫度特性表,求25°C時的電阻值為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)根據電阻-溫度特性表,求常數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)將數值代入R=5exp{(BT1/T-1/298.15)},求R。*T:10+273.15~30+273.15。

5 熱敏電阻 -技術參數

①標稱阻值Rc:一般指環境溫度為25℃時熱敏電阻器的實際電阻值。
②實際阻值RT:在一定的溫度條件下所測得的電阻值。

熱敏電阻熱敏電阻
③材料常數:它是一個描述熱敏電阻材料物理特性的參數,也是熱靈敏度指標,B值越大,表示熱敏電阻器的靈敏度越高。應注意的是,在實際工作時,B值並非一個常數,而是隨溫度的升高略有增加。
④電阻溫度係數αT:它表示溫度變化1℃時的阻值變化率,單位為%/℃。
⑤時間常數τ:熱敏電阻器是有熱慣性的,時間常數,就是一個描述熱敏電阻器熱慣性的參數。它的定義為,在無功耗的狀態下,當環境溫度由一個特定溫度向另一個特定溫度突然改變時,熱敏電阻體的溫度變化了兩個特定溫度之差的63.2%所需的時間。τ越小,表明熱敏電阻器的熱慣性越小。
⑥額定功率PM:在規定的技術條件下,熱敏電阻器長期連續負載所允許的耗散功率。在實際使用時不得超過額定功率。若熱敏電阻器工作的環境溫度超過 25℃,則必須相應降低其負載。
⑦額定工作電流IM:熱敏電阻器在工作狀態下規定的名義電流值。
⑧測量功率Pc:在規定的環境溫度下,熱敏電阻體受測試電流加熱而引起的阻值變化不超過0.1%時所消耗的電功率。
⑨最大電壓:對於NTC熱敏電阻器,是指在規定的環境溫度下,不便熱敏電阻器弓起熱失控所允許連續施加的最大直流電壓;對於PTC熱敏電阻器,是指在規定的環境溫度和靜止空氣中,允許連續施加到熱敏電阻器上並保證熱敏電阻器正常工作在PCT特性部分的最大直流電壓。
⑩最高工作溫度Tmax:在規定的技術條件下,熱敏電阻器長期連續工作所允許的最高溫度。
⑾開關溫度tb:PCT熱敏電阻器的電阻值開始發生躍增時的溫度。
⑿耗散係數H:溫度增加1℃時,熱敏電阻器所耗散的功率,單位為mW/℃。

6 熱敏電阻 -特徵表示

熱敏電阻熱敏電阻










7 熱敏電阻 -分類

按照溫度係數不同分為正溫度係數熱敏電阻器(PTC)和負溫度係數熱敏電阻器(NTC)和CTR熱敏電阻

PTC熱敏電阻
PTC是PositiveTemperatureCoefficient的縮寫,意思是正的溫度係數,泛指正溫度係數很大的半導體材料或元器件。通常提到的PTC是指正溫度係數熱敏電阻,簡稱PTC熱敏電阻。PTC熱敏電阻是一種典型具有溫度敏感性的半導體電阻,超過一定的溫度(居里溫度)時,它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的增高。PTC(PositiveTemperatureCoeff1Cient)是指在某一溫度下電阻急劇增加、具有正溫度係數的熱敏電阻現象或材料,可專門用作恆定溫度感測器.該材料是以BaTiO3或SrTiO3或PbTiO3為主要成分的燒結體,其中摻入微量的Nb、Ta、Bi、Sb、Y、La等氧化物進行原子價控制而使之半導化,常將這種半導體化的BaTiO3等材料簡稱為半導(體)瓷;同時還添加增大其正電阻溫度係數的Mn、Fe、Cu、Cr的氧化物和起其他作用的添加物,採用一般陶瓷工藝成形、高溫燒結而使鈦酸鉑等及其固溶體半導化,從而得到正特性的熱敏電阻材料.其溫度係數及居里點溫度隨組分及燒結條件(尤其是冷卻溫度)不同而變化.

熱敏電阻熱敏電阻
陶瓷材料通常用作高電阻的優良絕緣體,而陶瓷PTC熱敏電阻是以鈦酸鋇為基,摻雜其它的多晶陶瓷材料製造的,具有較低的電阻及半導特性。通過有目的的摻雜一種化學價較高的材料作為晶體的點陣元來達到的:在晶格中鋇離子或鈦酸鹽離子的一部分被較高價的離子所替代,因而得到了一定數量產生導電性的自由電子。對於PTC熱敏電阻效應,也就是電阻值階躍增高的原因,在於材料組織是由許多小的微晶構成的,在晶粒的界面上,即所謂的晶粒邊界(晶界)上形成勢壘,阻礙電子越界進入到相鄰區域中去,因此而產生高的電阻,這種效應在溫度低時被抵消:在晶界上高的介電常數和自發的極化強度在低溫時阻礙了勢壘的形成並使電子可以自由地流動。而這種效應在高溫時,介電常數和極化強度大幅度地降低,導致勢壘及電阻大幅度地增高,呈現出強烈的PTC效應。鈦酸鋇晶體屬於鈣鈦礦型結構,是一種鐵電材料,純鈦酸鋇是一種絕緣材料.在鈦酸鋇材料中加入微量稀土元素,進行適當熱處理后,在居里溫度附近,電阻率陡增幾個數量級,產生PTC效應,此效應與BaTiO3晶體的鐵電性及其在居里溫度附近材料的相變有關.鈦酸鋇半導瓷是一種多晶材料,晶粒之間存在著晶粒間界面.該半導瓷當達到某一特定溫度或電壓,晶體粒界就發生變化,從而電阻急劇變化.鈦酸鋇半導瓷的PTC效應起因於粒界(晶粒間界).對於導電電子來說,晶粒間界面相當於一個勢壘.當溫度低時,由於鈦酸鋇內電場的作用,導致電子極容易越過勢壘,則電阻值較小.當溫度升高到居里點溫度(即臨界溫度)附近時,內電場受到破壞,它不能幫助導電電子越過勢壘.這相當於勢壘升高,電阻值突然增大,產生PTC效應.鈦酸鋇半導瓷的PTC效應的物理模型有海望表面勢壘模型、丹尼爾斯等人的鋇缺位模型和疊加勢壘模型,它們分別從不同方面對PTC效應作出了合理解釋.

PTC熱敏電阻除用作加熱元件外,同時還能起到「開關」的作用,兼有敏感元件、加熱器和開關三種功能,稱之為「熱敏開關」,電流通過元件后引起溫度升高,即發熱體的溫度上升,當超過居里點溫度后,電阻增加,從而限制電流增加,於是電流的下降導致元件溫度降低,電阻值的減小又使電路電流增加,元件溫度升高,周而復始,因此具有使溫度保持在特定範圍的功能,又起到開關作用.利用這種阻溫特性做成加熱源,作為加熱元件應用的有暖風器、電烙鐵、烘衣櫃、空調等,還可對電器起到過熱保護作用.

負溫度係數熱敏電阻器
NTC是NegativeTemperatureCoefficient的縮寫,意思是負的溫度係數,泛指負溫度係數很大的半導體材料或元器件。通常我們提到的NTC是指負溫度係數熱敏電阻,簡稱NTC熱敏電阻。NTC熱敏電阻是一種典型具有溫度敏感性的半導體電阻,它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的減小。NTC熱敏電阻是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料,採用陶瓷工藝製造而成的.這些金屬氧化物材料都具有半導體性質,因為在導電方式上完全類似鍺、硅等半導體材料。溫度低時,這些氧化物材料的載流子(電子和孔穴)數目少,所以其電阻值較高;隨著溫度的升高,載流子數目增加,所以電阻值降低。

熱敏電阻熱敏電阻
NTC熱敏電阻器的發展經歷了漫長的階段。1834年,科學家首次發現了硫化銀有負溫度係數的特性.1930年,科學家發現氧化亞銅-氧化銅也具有負溫度係數的性能,並將之成功地運用在航空儀器的溫度補償電路中.隨後,由於晶體管技術的不斷發展,熱敏電阻器的研究取得重大進展.1960年研製出了N1C熱敏電阻器.NTC熱敏電阻器廣泛用於測溫、控溫、溫度補償等方面.下面介紹一個溫度測量的應用實例,NTC熱敏電阻測溫用原理如圖4所示.它的測量範圍一般為-10~ 300℃,也可做到-200~ 10℃,甚至可用於 300~ 1200℃環境中作測溫用.RT為NTC熱敏電阻器;R2和R3是電橋平衡電阻;R1為起始電阻;R4為滿刻度電阻,校驗表頭,也稱校驗電阻;R7、R8和W為分壓電阻,為電橋提供一個穩定的直流電源.R6與表頭(微安表)串聯,起修正表頭刻度和限制流經表頭的電流的作用.R5與表頭並聯,起保護作用.在不平衡電橋臂(即R1、RT)接入一隻熱敏元件RT作溫度感測探頭.由於熱敏電阻器的阻值隨溫度的變化而變化,因而使接在電橋對角線間的表頭指示也相應變化.這就是熱敏電阻器溫度計的工作原理.熱敏電阻器溫度計的精度可以達到0.1℃,感溫時間可少至10s以下.它不僅適用於糧倉測溫儀,同時也可應用於食品儲存、醫藥衛生、科學種田、海洋、深井、高空、冰川等方面的溫度測量。

CTR熱敏電阻
臨界溫度熱敏電阻CTR(Crit1CalTemperatureResistor)具有負電阻突變特性,在某一溫度下,電阻值隨溫度的增加激劇減小,具有很大的負溫度係數.構成材料是釩、鋇、鍶、磷等元素氧化物的混合燒結體,是半玻璃狀的半導體,也稱CTR為玻璃態熱敏電阻.驟變溫度隨添加鍺、鎢、鉬等的氧化物而變.這是由於不同雜質的摻入,使氧化釩的晶格間隔不同造成的.若在適當的還原氣氛中五氧化二釩變成二氧化釩,則電阻急變溫度變大;若進一步還原為三氧化二釩,則急變消失.產生電阻急變的溫度對應於半玻璃半導體物性急變的位置,因此產生半導體-金屬相移.CTR能夠作為控溫報警等應用。
  
熱敏電阻的理論研究和應用開發已取得了引人注目的成果.隨著高、精、尖科技的應用,對熱敏電阻的導電機理和應用的更深層次的探索,以及對性能優良的新材料的深入研究,將會取得迅速發展。

8 熱敏電阻 -應用

熱敏電阻熱敏電阻
熱敏電阻也可作為電子線路元件用於儀錶線路溫度補償和溫差電偶冷端溫度補償等。利用NTC熱敏電阻的自熱特性可實現自動增益控制,構成RC振蕩器穩幅電路,延遲電路和保護電路。在自熱溫度遠大於環境溫度時阻值還與環境的散熱條件有關,因此在流速計、流量計、氣體分析儀、熱導分析中常利用熱敏電阻這一特性,製成專用的檢測元件。PTC熱敏電阻主要用於電器設備的過熱保護、無觸點繼電器、恆溫、自動增益控制、電機啟動、時間延遲、彩色電視自動消磁、火災報警和溫度補償等方面。

9 熱敏電阻 -主要缺點

熱敏電阻熱敏電阻
①阻值與溫度的關係非線性嚴重;

②元件的一致性差,互換性差;

③元件易老化,穩定性較差;

④除特殊高溫熱敏電阻外,絕大多數熱敏電阻僅適合0~150℃範圍,使用時必須注意


10 熱敏電阻 -圖片展示

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