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公司新聞

NTC負溫度系數熱敏電阻/溫度傳感器工作原理

編輯:深圳市嵩隆電子有限公司時間:2019-10-12 13:54
  NTC熱敏電阻原理及應用

  NTC熱敏電阻是指具有負溫度系數的熱敏電阻。是使用單一高純度材料、具有接近理論密度結構的高性能陶瓷。因此,在實現小型化的同時,還具有電阻值、溫度特性波動小、對各種溫度變化響應快的特點,可進行高靈敏度、高精度的檢測。本公司提供各種形狀、特性的小型、高可靠性產品,可滿足廣大客戶的應用需求。

  NTC負溫度系數熱敏電阻工作原理

  NTC是NegativeTemperatureCoefficient的縮寫,意思是負的溫度系數,泛指負溫度系數很大的半導體材料或元器件,所謂NTC熱敏電阻器就是負溫度系數熱敏電阻器。它是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料,采用陶瓷工藝制造而成的。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。NTC熱敏電阻器在室溫下的變化范圍在10O~1000000歐姆,溫度系數-2%~-6.5%。NTC熱敏電阻器可廣泛應用于溫度測量、溫度補償、抑制浪涌電流等場合。

  NTC負溫度系數熱敏電阻專業術語

  零功率電阻值RT(Ω)

  RT指在規定溫度T時,采用引起電阻值變化相對于總的測量誤差來說可以忽略不計的測量功率測得的電阻值。

  電阻值和溫度變化的關系式為:

  RT=RNexpB(1/T–1/TN)

  RT:在溫度T(K)時的NTC熱敏電阻阻值。

  RN:在額定溫度TN(K)時的NTC熱敏電阻阻值。

  T:規定溫度(K)。

  B:NTC熱敏電阻的材料常數,又叫熱敏指數。

  exp:以自然數e為底的指數(e=2.71828…)。

  該關系式是經驗公式,只在額定溫度TN或額定電阻阻值RN的有限范圍內才具有一定的精確度,因為材料常數B本身也是溫度T的函數。

  額定零功率電阻值R25(Ω)

  根據國標規定,額定零功率電阻值是NTC熱敏電阻在基準溫度25℃時測得的電阻值R25,這個電阻值就是NTC熱敏電阻的標稱電阻值。通常所說NTC熱敏電阻多少阻值,亦指該值。

  材料常數(熱敏指數)B值(K)

  B值被定義為:

  RT1:溫度T1(K)時的零功率電阻值。

  RT2:溫度T2(K)時的零功率電阻值。

  T1,T2:兩個被指定的溫度(K)。

  對于常用的NTC熱敏電阻,B值范圍一般在2000K~6000K之間。

  零功率電阻溫度系數(αT)

  在規定溫度下,NTC熱敏電阻零動功率電阻值的相對變化與引起該變化的溫度變化值之比值。

  αT:溫度T(K)時的零功率電阻溫度系數。

  RT:溫度T(K)時的零功率電阻值。

  T:溫度(T)。

  B:材料常數。

  耗散系數(δ)

  在規定環境溫度下,NTC熱敏電阻耗散系數是電阻中耗散的功率變化與電阻體相應的溫度變化之比值。

  δ:NTC熱敏電阻耗散系數,(mW/K)。

  △P:NTC熱敏電阻消耗的功率(mW)。

  △T:NTC熱敏電阻消耗功率△P時,電阻體相應的溫度變化(K)。

  熱時間常數(τ)

  在零功率條件下,當溫度突變時,熱敏電阻的溫度變化了始未兩個溫度差的63.2%時所需的時間,熱時間常數與NTC熱敏電阻的熱容量成正比,與其耗散系數成反比。

  τ:熱時間常數(S)。

  C:NTC熱敏電阻的熱容量。

  δ:NTC熱敏電阻的耗散系數。

  額定功率Pn

  在規定的技術條件下,熱敏電阻器長期連續工作所允許消耗的功率。在此功率下,電阻體自身溫度不超過其最高工作溫度。

  最高工作溫度Tmax

  在規定的技術條件下,熱敏電阻器能長期連續工作所允許的最高溫度。即:

  T0-環境溫度。

  測量功率Pm

  熱敏電阻在規定的環境溫度下,阻體受測量電流加熱引起的阻值變化相對于總的測量誤差來說可以忽略不計時所消耗的功率。

  一般要求阻值變化大于0.1%,則這時的測量功率Pm為:

  電阻溫度特性

  NTC熱敏電阻的溫度特性可用下式近似表示:

  式中:

  RT:溫度T時零功率電阻值。

  A:與熱敏電阻器材料物理特性及幾何尺寸有關的系數。

  B:B值。

  T:溫度(k)。

  更精確的表達式為:

  式中:RT:熱敏電阻器在溫度T時的零功率電阻值。

  T:為絕對溫度值,K;

  A、B、C、D:為特定的常數。

  熱敏電阻的基本特性電阻-溫度特性熱敏電阻的電阻-溫度特性可近似地用式1表示。

  (式1)R=Roexp{B(I/T-I/To)}

  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

  但實際上,熱敏電阻的B值并非是恒定的,其變化大小因材料構成而異,最大甚至可達5K/°C。因此在較大的溫度范圍內應用式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。

  (式2)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,然后代入以下各式樣。

  •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{(BTI/T-I/298.15)},求R。

  *T:10+273.15~30+273.15

  •電阻-溫度特性圖如圖1所示

  電阻溫度系數所謂電阻溫度系數(α),是指在任意溫度下溫度變化1°C(K)時的零負載電阻變化率。電阻溫度系數(α)與B值的關系,可將式1微分得到。

  這里α前的負號(-),表示當溫度上升時零負載電阻降低。

  散熱系數(JIS-C2570)散熱系數(δ)是指在熱平衡狀態下,熱敏電阻元件通過自身發熱使其溫度上升1°C時所需的功率。

  在熱平衡狀態下,熱敏電阻的溫度T1、環境溫度T2及消耗功率P之間關系如下式所示。

  產品目錄記載值為下列測定條件下的典型值。

  (1)

     

  25°C靜止空氣中。

  (2)

     

  軸向引腳、經向引腳型在出廠狀態下測定。

  額定功率(JIS-C2570)在額定環境溫度下,可連續負載運行的功率最大值。

  產品目錄記載值是以25°C為額定環境溫度、由下式計算出的值。

  (式)額定功率=散熱系數×(最高使用溫度-25)

  最大運行功率最大運行功率=t×散熱系數…(3.3)

  這是使用熱敏電阻進行溫度檢測或溫度補償時,自身發熱產生的溫度上升容許值所對應功率。(JIS中未定義。)容許溫度上升t°C時,最大運行功率可由下式計算。

  應環境溫度變化的熱響應時間常數(JIS-C2570)指在零負載狀態下,當熱敏電阻的環境溫度發生急劇變化時,熱敏電阻元件產生最初溫度與最終溫度兩者溫度差的63.2%的溫度變化所需的時間。

  熱敏電阻的環境溫度從T1變為T2時,經過時間t與熱敏電阻的溫度T之間存在以下關系。

  T=

     

  (T1-T2)exp(-t/τ)+T2......(3.1)

     

  (T2-T1){1-exp(-t/τ)}+T1.....(3.2)

  常數τ稱熱響應時間常數。

  上式中,若令t=τ時,則(T-T1)/(T2-T1)=0.632。

  換言之,如上面的定義所述,熱敏電阻產生初始溫度差63.2%的溫度變化所需的時間即為熱響應時間常數。

  經過時間與熱敏電阻溫度變化率的關系如下表所示。

  產品目錄記錄值為下列測定條件下的典型值。

  (1)

     

  靜止空氣中環境溫度從50°C至25°C變化時,熱敏電阻的溫度變化至34.2°C所需時間。

  (2)

     

  軸向引腳、徑向引腳型在出廠狀態下測定。

  另外應注意,散熱系數、熱響應時間常數隨環境溫度、組裝條件而變化。

  NTC負溫度系數熱敏電阻R-T特性

  B值相同,阻值不同的R-T特性曲線示意圖

  相同阻值,不同B值的NTC熱敏電阻R-T特性曲線示意圖

  溫度測量、控制用NTC熱敏電阻器

  外形結構

  環氧封裝系列NTC熱敏電阻

  玻璃封裝系列NTC熱敏電阻

  應用電路原理圖

  溫度測量(惠斯登電橋電路)

  溫度控制

  應用設計

  ·電子溫度計、電子萬年歷、電子鐘溫度顯示、電子禮品;

  ·冷暖設備、加熱恒溫電器;

  ·汽車電子溫度測控電路;

  ·溫度傳感器、溫度儀表;

  ·醫療電子設備、電子盥洗設備;

  ·手機電池及充電電器。

  溫度補償用NTC熱敏電阻器

  產品概述

  許多半導體和ICs有溫度系數而且要求溫度補償,以在較大的溫度范圍中達到穩定性能的作用,由于NTC熱敏電阻器有較高的溫度系數,所以廣泛應用于溫度補償。

  主要參數

  額定零功率電阻值R25(Ω)

  R25允許偏差(%)

  B值(25/50℃)/(K)

  時間常數≤30S

  耗散系數≥6mW/℃

  測量功率≤0.1mW

  額定功率≤0.5W

  使用溫度范圍-55℃~+125℃

  降功耗曲線:

  
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