NTC热敏电阻基础

硬件笔记本 2024-02-29 07:47

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01

什么是NTC热敏电阻、原理及作用




什么是NTC热敏电阻?


NTC热敏电阻是以Negative Temperature Coefficient的首字母缩写命名的热敏电阻。通常,“热敏电阻”一词指代的就是NTC热敏电阻。1833年,当时正在研究硫化银半导体的迈克尔·法拉第将其发现,塞缪尔·鲁本于20世纪30年代实现其商业化。NTC热敏电阻是一种由锰(Mn)、镍(Ni)和钴(Co)组成的氧化物半导体陶瓷。
它在我们的生活中随处可见。由于阻值随温度的升高而降低的特性,它不仅被用作温度计、空调中的温度感应装置,抑或是智能手机、热水壶及熨斗中的温度控制装置,还被用于电源设备中的电流控制。最近,随着车辆电动化程度的提高,热敏电阻也越来越多地被用于车载产品。


工作原理


通常,金属的阻值随着温度的升高而增加。这是由于,热加剧了晶格振动,自由电子的平均移动速度随之降低。
与之相对,半导体中自由电子和空穴由于热的传导而增加,该部分的比例大于速度减小的部分的比例,故电阻值减小。
此外,由于半导体内能带间隙的存在,当被外部加热时,价带中的电子移动到导带上并进行导电。也就是说,电阻值会随着温度的升高而降低。


图1 : 半导体的导电性


用途


负温度系数(NTC)热敏电阻随温度变化,电阻值会产生3~5%/°C的变化。它经常作为一般的温度传感器用于电子设备中。
例,智能手机。
在使用智能手机时,您有“手机怎么变热了”这样的经历么?
可以说薄且高功能的智能手机就是一台小型电脑。但由于手机没有安装电脑的散热风扇等,因此机身会变热。所以,对热很敏感的精密元件可能会有损坏的危险。
在此,负温度系数(NTC)热敏电阻登场!
运用负温度系数(NTC)热敏电阻测量智能手机内部的温度,再使用这一温度信息对温度进行各种控制。


02

NTC热敏电阻基本特性



电阻-温度特性(R-T特性)


NTC热敏电阻的电阻值是在有足够低的自热(由于施加的电流而产生的热)的电流下测量的。作为标准,建议使用最大工作电流。
并且,电阻值需要与温度成对表示。

特性曲线由以下公式描述。

图1 : NTC热敏电阻的R-T特性



B常数

B常数是表征NTC热敏电阻的单个值。B常数的调节总是需要两点。B常数描述了两个点的斜率。
如果选择的两点不同,B常数也会不同,所以比较时请注意。(见图2)

图2 : 2点选择的不同B常数

将上式(参考电阻 − 温度特性)变形后



如图3所示,1/T(T为绝对温度)与阻值成对数比例关系。可以看出,该关系近似于直线。

图3 : 横轴为1/T的温度特性


伏安特性(V-I特性)

NTC热敏电阻的V-I特性如图4所示。

图4 : NTC热敏电阻的V-I特性


在电流较小的区域中,随着电流的逐渐上升,欧姆接触的电压也逐渐上升。通过从热敏电阻表面和其它部位散热,电流流经造成的自发热不会造成电阻温度的升高。
然而,当发热量较大时,热敏电阻自身的温度上升,电阻值减小。在这样的区域中,电流与电压之间的比例关系不再成立。

通常,在自发热尽可能低的区域范围内使用热敏电阻。作为标准,建议工作电流保持在最大工作电流以下。

在超过电压顶点的区域中使用,可能会导致重复发热和电阻值降低等热失控反应,造成热敏电阻发红、破损,请避免在该范围使用。


电阻温度系数(α)

NTC热敏电阻在单位温度下的变化率为温度系数,由以下公式计算。


Ex)靠近50°C,B常数为3380K时



由此,电阻温度系数由下所示。


热耗散常数(δ)

环境温度为T1的情况下,当热敏电阻消耗电功率P(mw)后其温度变为T2,则以下的公式成立。

热耗散常数δ是指在自发热条件下提高1°C温度所需的功率。
热耗散常数δ由“功耗导致的自热”和“散热”之间的平衡来决定,因此根据热敏电阻工作环境的不同而变化显著。
Murata定义了“单位元件的热耗散常数”这一概念。


图5 : 贴片NTC热敏电阻的散热状态热时间常数(τ)


当一个保持在温度T0的热敏电阻突然被改变到环境温度T1时,它改变到目标温度T1所需的时间被称为热时间常数(τ)。通常,该值是指达到T0和T1之间温差的63.2%所需的时间。


当保持在一个温度(T0)的热敏电阻暴露在另一个温度(T1)时,温度是呈指数变化的,经过时间(t)时的温度(T)表示如下。


这就是为什么τ被规定为达到63.2%温差的时间。

图6 : NTC热敏电阻的热时间常数


最大电压(Vmax)

可直接施加到热敏电阻的最大电压。当施加的电压超过最大电压时会造成产品性能恶化甚至毁坏。
此外,由于自发热,元件的温度上升。需要注意元件的温度不能超过工作温度范围。

图7 : NCU15型最大电压降额



最大工作电流(Iop)、最大工作电压(Vop)


Murata将最大工作电流、最大工作电压定义为施加时自发热为0.1℃的电流和电压。参考该值,热敏电阻能够实现更准确的测温。

故施加电流 /电压超过最大工作电流 / 电压时并不会造成热敏电阻的性能退化。但请注意元件的自发热会带来检测上的误差。

图8 : 散热差异导致的最大工作电流 / 电压的变化

如何计算最大工作电流

  • 计算最大工作电流时,需要使用单位元件定义的热耗散常数(1mW/°C)。热耗散常数表示散热的程度,但散热状态随工作环境的不同有较大的差异。

  • 其中工作环境包括基板的材料,厚度,结构,焊接区域尺寸,热板接触,树脂封装等。单位元件定义的使用,排除了环境的干扰因素。

  • 而根据经验来看,实际使用中的热耗散常数约为单位元件的3~4倍。假设,实际的热耗散常数为3.5倍,那么最大工作电流如图中蓝色曲线所示。与1mW/°C的情况相比,现在是1.9倍(√3.5倍)。



零负载电阻值

在自发热可忽略不计的电流(电压)下测量的电阻值。作为标准,建议使用最大工作电流。

图9 : Murata的电阻值测量方法



03

NTC热敏电阻测温回路




电路图


输出电压可能因NTC热敏电阻接线图而异。
可在以下URL中进行模拟。

SimSurfing : NTC Thermistor Simulator(murata.co.jp)

图1 : 电阻接地和热敏电阻接地电路的输出特性



R1(分压电阻)、R2(并联电阻)、R3(串联电阻)的调整


输出电压可根据线路图而变化。


图2 : R值的调整和输出特性的变化


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