什么是NTC熱敏電阻、原理及作用

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什么是NTC熱敏電阻、原理及作用

什么是NTC熱敏電阻？

NTC熱敏電阻是以Negative Temperature Coefficient的首字母縮寫命名的熱敏電阻。通常，“熱敏電阻”一詞指代的就是NTC熱敏電阻。1833年，當(dāng)時正在研究硫化銀半導(dǎo)體的邁克爾·法拉第將其發(fā)現(xiàn)，塞繆爾·魯本于20世紀30年代實現(xiàn)其商業(yè)化。NTC熱敏電阻是一種由錳（Mn）、鎳（Ni）和鈷（Co）組成的氧化物半導(dǎo)體陶瓷。 它在我們的生活中隨處可見。由于阻值隨溫度的升高而降低的特性，它不僅被用作溫度計、空調(diào)中的溫度感應(yīng)裝置，抑或是智能手機、熱水壺及熨斗中的溫度控制裝置，還被用于電源設(shè)備中的電流控制。最近，隨著車輛電動化程度的提高，熱敏電阻也越來越多地被用于車載產(chǎn)品。 ?

工作原理

通常，金屬的阻值隨著溫度的升高而增加。這是由于，熱加劇了晶格振動，自由電子的平均移動速度隨之降低。 與之相對，半導(dǎo)體中自由電子和空穴由于熱的傳導(dǎo)而增加，該部分的比例大于速度減小的部分的比例，故電阻值減小。 此外，由于半導(dǎo)體內(nèi)能帶間隙的存在，當(dāng)被外部加熱時，價帶中的電子移動到導(dǎo)帶上并進行導(dǎo)電。也就是說，電阻值會隨著溫度的升高而降低。

圖1 : 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性

用途

負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻隨溫度變化，電阻值會產(chǎn)生3～5%/°C的變化。它經(jīng)常作為一般的溫度傳感器用于電子設(shè)備中。 例，智能手機。
在使用智能手機時，您有“手機怎么變熱了”這樣的經(jīng)歷么?
可以說薄且高功能的智能手機就是一臺小型電腦。但由于手機沒有安裝電腦的散熱風(fēng)扇等，因此機身會變熱。所以，對熱很敏感的精密元件可能會有損壞的危險。 在此，負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻登場！
運用負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻測量智能手機內(nèi)部的溫度，再使用這一溫度信息對溫度進行各種控制。 ? ?

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NTC熱敏電阻基本特性

電阻-溫度特性（R-T特性）

NTC熱敏電阻的電阻值是在有足夠低的自熱（由于施加的電流而產(chǎn)生的熱）的電流下測量的。作為標準，建議使用最大工作電流。
并且，電阻值需要與溫度成對表示。

特性曲線由以下公式描述。

圖1 : NTC熱敏電阻的R-T特性

B常數(shù)

B常數(shù)是表征NTC熱敏電阻的單個值。B常數(shù)的調(diào)節(jié)總是需要兩點。B常數(shù)描述了兩個點的斜率。
如果選擇的兩點不同，B常數(shù)也會不同，所以比較時請注意。（見圖2）

圖2 : 2點選擇的不同B常數(shù)

將上式（參考電阻 ? 溫度特性）變形后

如圖3所示，1/T（T為絕對溫度）與阻值成對數(shù)比例關(guān)系?？梢钥闯?，該關(guān)系近似于直線。

圖3 : 橫軸為1/T的溫度特性

伏安特性（V-I特性）

NTC熱敏電阻的V-I特性如圖4所示。

圖4 : NTC熱敏電阻的V-I特性

在電流較小的區(qū)域中，隨著電流的逐漸上升，歐姆接觸的電壓也逐漸上升。通過從熱敏電阻表面和其它部位散熱，電流流經(jīng)造成的自發(fā)熱不會造成電阻溫度的升高。
然而，當(dāng)發(fā)熱量較大時，熱敏電阻自身的溫度上升，電阻值減小。在這樣的區(qū)域中，電流與電壓之間的比例關(guān)系不再成立。

通常，在自發(fā)熱盡可能低的區(qū)域范圍內(nèi)使用熱敏電阻。作為標準，建議工作電流保持在最大工作電流以下。

在超過電壓頂點的區(qū)域中使用，可能會導(dǎo)致重復(fù)發(fā)熱和電阻值降低等熱失控反應(yīng)，造成熱敏電阻發(fā)紅、破損，請避免在該范圍使用。

電阻溫度系數(shù)（α）

NTC熱敏電阻在單位溫度下的變化率為溫度系數(shù)，由以下公式計算。

Ex）靠近50°C，B常數(shù)為3380K時

由此，電阻溫度系數(shù)由下所示。

熱耗散常數(shù)（δ）

環(huán)境溫度為T1的情況下，當(dāng)熱敏電阻消耗電功率P（mw）后其溫度變?yōu)門2，則以下的公式成立。

熱耗散常數(shù)δ是指在自發(fā)熱條件下提高1°C溫度所需的功率。

熱耗散常數(shù)δ由“功耗導(dǎo)致的自熱”和“散熱”之間的平衡來決定，因此根據(jù)熱敏電阻工作環(huán)境的不同而變化顯著。

Murata定義了“單位元件的熱耗散常數(shù)”這一概念。

圖5 : 貼片NTC熱敏電阻的散熱狀態(tài)熱時間常數(shù)（τ）

當(dāng)一個保持在溫度T0的熱敏電阻突然被改變到環(huán)境溫度T1時，它改變到目標溫度T1所需的時間被稱為熱時間常數(shù)（τ）。通常，該值是指達到T0和T1之間溫差的63.2%所需的時間。

當(dāng)保持在一個溫度（T0）的熱敏電阻暴露在另一個溫度（T1）時，溫度是呈指數(shù)變化的，經(jīng)過時間（t）時的溫度（T）表示如下。

這就是為什么τ被規(guī)定為達到63.2%溫差的時間。

圖6 : NTC熱敏電阻的熱時間常數(shù)
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最大電壓（Vmax）

可直接施加到熱敏電阻的最大電壓。當(dāng)施加的電壓超過最大電壓時會造成產(chǎn)品性能惡化甚至毀壞。
此外，由于自發(fā)熱，元件的溫度上升。需要注意元件的溫度不能超過工作溫度范圍。

圖7 : NCU15型最大電壓降額

最大工作電流（Iop）、最大工作電壓（Vop）

Murata將最大工作電流、最大工作電壓定義為施加時自發(fā)熱為0.1℃的電流和電壓。參考該值，熱敏電阻能夠?qū)崿F(xiàn)更準確的測溫。

故施加電流 /電壓超過最大工作電流 / 電壓時并不會造成熱敏電阻的性能退化。但請注意元件的自發(fā)熱會帶來檢測上的誤差。

圖8 : 散熱差異導(dǎo)致的最大工作電流 / 電壓的變化

如何計算最大工作電流

計算最大工作電流時，需要使用單位元件定義的熱耗散常數(shù)（1mW/°C）。熱耗散常數(shù)表示散熱的程度，但散熱狀態(tài)隨工作環(huán)境的不同有較大的差異。

其中工作環(huán)境包括基板的材料，厚度，結(jié)構(gòu)，焊接區(qū)域尺寸，熱板接觸，樹脂封裝等。單位元件定義的使用，排除了環(huán)境的干擾因素。

而根據(jù)經(jīng)驗來看，實際使用中的熱耗散常數(shù)約為單位元件的3～4倍。假設(shè)，實際的熱耗散常數(shù)為3.5倍，那么最大工作電流如圖中藍色曲線所示。與1mW/°C的情況相比，現(xiàn)在是1.9倍（√3.5倍）。

零負載電阻值

在自發(fā)熱可忽略不計的電流（電壓）下測量的電阻值。作為標準，建議使用最大工作電流。

圖9 : Murata的電阻值測量方法

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NTC熱敏電阻測溫回路

電路圖

輸出電壓可能因NTC熱敏電阻接線圖而異。

可在以下URL中進行模擬。

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

圖1 : 電阻接地和熱敏電阻接地電路的輸出特性

R1（分壓電阻）、R2（并聯(lián)電阻）、R3（串聯(lián)電阻）的調(diào)整

輸出電壓可根據(jù)線路圖而變化。

圖2 : R值的調(diào)整和輸出特性的變化

審核編輯：黃飛

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