热敏电阻之探讨,热敏电阻的种类、应用和发展-华巨电子


     温度传感器,是各类消费性电子、玩具、家用电器、工业测量产品以及个人计算机 必须具备之量测设备,而热敏电阻则是最容易取得的温度感测组件。


    热敏电阻能因环境温度高低而改变电阻器值大小。如果我们能了解它的特 性,改进它的缺点,减少读取温度误差加强其准确度,将可减少电路损坏,不仅 可降低厂商成本,更可拓展其应用领域,广泛应用在电子、信息、通讯、家电、 汽车、生医、航天等相关产业。

    在我们的日常生活中许多电器及电子产品都使用了保险丝或保护组件,作用是保 护产品及避免造成危险。上基础电子学实习课时,老师告诉我们热敏电阻对温度 非常「灵敏」,如果我们能利用热敏电阻的特性感应热源,当电流或电压出现不 正常状况时,能够自动将过高电压降至安全值,那么许多电子产品就能快速测量 目前的热度并能适时关闭电源或打开抽风机或发出警示,就不会有火警发生,产 品的零件就不会受到损坏,百姓的生命财产就能受到保障,制造商也就不必担心 巨额赔偿问题。


二、研究目的


1、探讨热敏电阻之种类及特性。

2、如何将热敏电阻应用于日常生活中。

3、探讨未来发展之趋势。


三、研究方法


1、何谓热敏电阻


热敏电阻(Thermistor,Thermal Resistor 之缩写,简称 TSR), 它是一种对温度(热) 相当敏感的电阻,主要功能都是提供断电功能,类似于保险丝,与保险丝的差别在于,保险丝在电流过大而断电后无法恢复通电功能,需要更换新的保险丝;热敏电阻因电流异常而断电后,若电流及温度再次回复正常,即会自动恢复通电功 能,不必更换零件即可重复使用,达到保护电子组件之目的。


2、热敏电阻之种类及特性 热敏电阻是一种电阻值对温度极为敏感的半导体组件,因材质不同,它可分为正温度系数(PTC, Positive Temperature Coefficient)及负温度系数(NTC, NegativeTemperature Coefficient)热敏电阻两种。


A、正温度系数(PTC)


依其所使用原料可分为陶瓷正温度系数(CPTC,Ceramic PTC)热敏电阻及高分子 正温度系数(PPTC,Polymeric PTC)热敏电阻两类(如图一)。

CPTC 热敏电阻是由钛酸钡、二氧化钛等材料添加少量稀土元素经高温烧制成, 这种组件于某段温度范围会维持稳定的低电阻值,直至温度高于材料承受的温度 时,其阻值就会大幅增加。


PPTC 热敏电阻主要是由聚乙稀及具导电性的碳黑微粒所制成。当有过大电流流 过该器件时,它会因发热而膨胀;其膨胀将使碳微粒分散开,阻抗增加。这使器 件更快地发热并膨胀得更大,阻抗再次增加,使电路中的电流明显地减少。当电 源和故障解除后,它将收缩到其原来的形状,并恢复为低阻抗状态。

PPTC 热敏电阻与 CPTC热敏电阻都是可重复使用的过电流保护组件,电阻器值 会随着温度上升而上升。常用来侦测电器用品过热现象或温度检测,已被广泛使 用在日常生活中(如电冰箱的温度控制和自动除霜、彩色电视机映像管自动消磁等)。

图一    正温度系数(PTC)热敏电阻器


 

B、 负温度系数(NTC)

NTC 是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为材料制造的半导体陶瓷组件,因这些 金属氧化物材料都具有半导体性质,其导电方式类似锗、硅等半导体,在温度低 时,这些氧化物材料的载流子(电子)数目较少,所以电阻值较高;随着温度上升, 载流子数目增加,电阻值随之下降(如图二)。

根据用途不同,NTC热敏电阻器之形状区分为圆球型、圆片型、棒球型、二极 管型或片式等形状。大部分都具有高耐热性、高可靠性、高精度。常用来作为温 度测定、温度控制或电路的温度补偿。

 

3、使用热敏电阻之注意事项

A、自热问题 由于热敏电阻器是一个电阻器,电流流过它时会产生一定的热量,因此电路设计人员应确保串联电阻器足够大,以防止热敏电阻器自热过度,否则系统测量的是热敏电阻器发出的热,而不是周围环境的温度。

B、 热跑脱(Thermal runaway)现象 例如使用NTC的时候,电阻随温度上升而下降,将使流经NTC的电流增加,此时NTC的功率损耗  ( P = I 2 R )  电流便以平方倍使功率损耗快速增加,功率损耗增加 后,产生的热效应变大,温度就随之上升,使得NTC的的电阻值再次下降,电流 接着又增加,如此循环(如图三),最后因超过NTC负荷之瓦特数而烧掉。

 

 

C、 累积误差



 

热敏电阻器的电阻会随温度而变化。为求准确度,设计电路时要注意组件的精度,包括电阻器、参考电压及热敏电阻器本身,仔细算出所有组件的累积误差, 以便和热敏电阻器的精度相配合。



D、非线性的温度曲线 在所有被动式温度感测组件中,热敏电阻器的灵敏度(即温度每变化 1 度时,电阻器的变化量)最高,但热敏电阻器的电阻器一温度曲线是非线性的(如图四),所以误差比较大。目前热敏电阻已大量生产且价格便宜,使用热敏电阻之前,必 须先做好非线性修正(如图五),再使用于感测系统中。

 

 

E、 反应速度不同

图六为 4 种不同型号的热敏电阻器的电阻器之反应速度曲线。不同型号的热敏电 阻器因温度不同,所造成的电阻器变化速度亦不同,故必须因应不同的用途,选择不同型号的热敏电阻器。

 

4、热敏电阻之应用 A、保护组件 例如高分子正温度系数热敏电阻(PPTC)是利用特殊的高分子混合导电的颗粒而形成导电高分子,在正常的环境温度下,材料内部的导电颗粒含形成低阻抗的 结构(如图七),当温度上升至材料的转换温度以上时,高分子的结构由结晶状态 变成非结晶态,并伴随着体积增加使导电颗粒分开而使阻抗急遽增高(如图八)。

 

图九为 PPTC 热敏电阻之阻值随温度变化图,当电路中电流突然增加, PPTC 热敏电阻温度亦随之上升,当温度上升超过转折温度(Tt)时,急遽增加的阻抗可限 制突波电流的大小,进而达到保护组件的目的。

 

B、 温度补偿

因负温度系数热敏电阻(NTC)的电阻值可以随温度的上升而下降,将负温度系数 热敏电阻放入电路,如图十。 没有负温度系数热敏电阻前之电路总阻值含随温度上升 (Rc)   ,而加上负温度系数 热敏电阻做补偿后,电路总阻值 RTotal 不随温度改变而有明显变化(如图十一)。

 


 

 

C、 突波保护


图十一    NTC热敏电阻


在开关的瞬间,负温度系数热敏电阻吸收了突波电流,也限 制了流过电器的电流大小而保护了电器,当负温度系数热敏电阻因吸收电流而发热后,阻值立刻下 降,使大多数的功率释放出来而流入电器,如图十二,如果电器没有加装负温度 系数热敏电阻,则开关瞬间,设备很可能因瞬间大功率而烧毁。故可利用 NTC 热敏电阻与电路中之电器串联(如图十三),防止熔丝的熔断与保护电子线路及 其它电子组件。

 

D、液位传感器

 

当电流增加,NTC 热敏电阻产生的热使组件本身的温度上升,并与环境进行热 交换。液位传感器,是利用 NTC 热敏电阻在液体和空气中的热散失差异,当电 流增加,NTC 热敏电阻通以电流后产生焦耳热而升温,其热量传导至周围介质, 平衡温度将随介质种类而不同。利用此方法可检知 NTC 热敏电阻在液体中或空 气中,以适时启动警示灯。


5、热敏电阻未来发展之趋势

A、 芯片化、小型化、低阻值、低消耗功率是未来发展之主流 目前热敏电阻依产品外型大致可分为芯片型及插脚型两大类,市场上大都用插脚型,虽然插脚型在突波耐量上较芯片型产品具有优势,但是体积轻薄短小及省电 是主板、通讯、消费性电子等产品发展之方向,所以芯片化、小型化及提高产 品突波耐量是未来市场发展之趋势。



B、 市场竞争激烈、生产外移 在网路上看到台湾有很多厂家在生产热敏电阻,可见市场的竞争非常激烈,所以产品的价格亦愈来愈便宜。厂商为了增加其竞争力,务必会降低成本,所以生产线外移或将产能外包至低生产成本国家生产,是必然趋势。



参●结论



 

一、热敏电阻器的种类及特性



1、正温度系数(PTC)热敏电阻,其阻值随着温度上升而上升。

 

2、负温度系数(NTC)热敏电阻,其阻值随着温度上升而下降。



 

二、使用热敏电阻器须注意的地方



1、注意电流量 热敏电阻器有自热效应,加在热敏电阻器上的电压不可太高,避免误差产 生,所以只能用微弱电流驱动。

2、注意自热现象不可将 PTC 热敏电阻器与其它组件串联来获得更高的电压或功率,因自热 现象,会使两端电压过高,导致热敏电阻器的击穿。

3、热敏电阻的保护方法 不可将无保护之热敏电阻器用于导电液体或浸蚀在还原气体中,因为会使 热敏电阻器之特性发生变化。

 

4、热敏电阻的灵敏度 热敏电阻器可以并联电阻器使用,以改善热敏电阻器对温度的变化曲线的 线性度,但是电阻器的变化量将减少,使得灵敏度降低。



 

三、热敏电阻器的应用



1、利用电阻-温度特性,来测量温度、控制温度和组件、电路的温度补偿。

2、利用非线性特性,完成稳压、限幅、开关、过流保护作用。

3、利用不同媒质中热耗散特性的差异,测量流量、流速、液面、热导、真空 度等。

4、目前已被广泛应用于日常生活中(如图十五),例如计算机主板及相关组件、 计算机外设产品、锂电池、镍氢电池、通讯电子产品、汽车电路、大小家用 电器(如空调、冰箱、电磁炉、烘烤炉、电烤箱、微波炉、电风扇、电热水 器、饮水机、照明电器等)以及其它工业产品之测控温和电流过载保护。

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