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        2014年2月7星期五下午9:10:34
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        NTC熱敏電阻介紹
        來源:本站  更新時間:2019-11-18 10:25:43  查看次數:

             


          熱敏電阻是一種特殊類型的可變電阻元件,當暴露于溫度變化時會改變其物理電阻。是一種固態溫度感測設備,其作用有點像電阻,但對溫度敏感。 熱敏電阻可用于產生環境溫度變化的模擬輸出電壓,因此可稱為換能器。 這是因為由于熱量的外部和物理變化,其電特性發生了變化。

         

          熱敏電阻基本上是一個兩端固態熱敏換能器,它使用敏感的基于半導體的金屬氧化物構造而成,金屬化或燒結的連接引線形成陶瓷盤或珠。 這允許熱敏電阻與環境溫度的微小變化成比例地改變其電阻值。 換句話說,隨著溫度的變化,其電阻也隨之變化,因此,其名稱“熱敏電阻”是THERM-alally res-ISTOR單詞的組合。

          雖然在標準電阻器中通常不希望因熱而導致電阻變化,但可以在許多溫度檢測電路中很好地利用這種效果。 因此,作為非線性可變電阻裝置,熱敏電阻通常用作溫度傳感器,其具有許多應用來測量液體和周圍空氣的溫度。

          另外,作為由高靈敏度金屬氧化物制成的固態器件,它們在分子水平上操作,最外面的(價)電子變得更活躍,產生負溫度系數,或者最不活躍,產生正溫度系數,作為熱敏電阻的溫度。增加。 這意味著它們具有非常好的電阻抗溫度特性,從而使其可以在高達200 o C的溫度下工作。

        ntc thermistor 典型熱敏電阻

          盡管熱敏電阻的主要用途是作為電阻溫度傳感器,但它們也可以與另一個組件或設備串聯連接,以控制流過它們的電流。 換句話說,它們可用作熱敏限流設備。

          熱敏電阻的類型,材料和尺寸范圍廣泛,以其響應時間和工作溫度為特征。 同樣,密封的熱敏電阻消除了由于濕氣滲透引起的電阻讀數誤差,同時仍提供了較高的工作溫度和緊湊的尺寸。 三種最常見的類型是:磁珠熱敏電阻,磁盤熱敏電阻和玻璃封裝的熱敏電阻。

          這些與溫度相關的電阻器可以通過以下兩種方式之一進行操作:通過隨溫度變化而增大或減小其電阻值。 然后有兩種類型的熱敏電阻可用:電阻的負溫度系數(NTC)和電阻的正溫度系數(PTC)。

        負溫度系數熱敏電阻

          電阻熱敏電阻(或簡稱NTC熱敏電阻)的負溫度系數隨著其周圍工作溫度的升高而降低或降低其電阻值。 通常,NTC熱敏電阻是溫度傳感器中最常用的類型,因為它們幾乎可以在任何有溫度作用的設備中使用。

          NTC溫度熱敏電阻具有負電阻與溫度(R / T)的關系。 NTC熱敏電阻的相對較大的負響應意味著即使溫度的微小變化也會導致其電阻的顯著變化。 這使它們成為精確溫度測量和控制的理想選擇。

        前面我們曾說過,熱敏電阻是一種電子元件,其電阻高度依賴于溫度,因此,如果我們通過熱敏電阻發送恒定電流,然后測量其兩端的壓降,則可以確定其在特定溫度下的電阻。

        NTC熱敏電阻會隨著溫度的升高而降低其電阻,并具有多種基本電阻和溫度曲線。 NTC熱敏電阻通常以室溫下的基極電阻為特征,即25 o C(77 o F),因為這提供了一個方便的參考點。 因此,例如,在25 o C時為2kΩ,在25 o C時為10kΩ或在25 o C時為100kΩ,等等。

          熱敏電阻的另一個重要特性是其“ B”值。 B值是由制造它的陶瓷材料確定的材料常數。 它描述了兩個溫度點之間特定溫度范圍內電阻(R / T)曲線的梯度。 每種熱敏電阻材料將具有不同的材料常數,因此電阻和溫度曲線也不同。

          然后,B值將定義在第一溫度或基點(通常為25 o C)下的熱敏電阻電阻值,稱為T1,在第二溫度點(例如100 o C,下稱為T2)定義熱敏電阻的電阻值。 因此,B值將在T1和T2的范圍內定義熱敏電阻的材料常數。 即B T1 / T2或B 25/100 ,典型的NTC熱敏電阻B值在3000至5000之間。

          但是請注意,T1和T2的溫度點均以開氏溫度單位計算,其中0 0 C = 273.15開氏溫度。 因此25 o C的值等于25 o + 273.15 = 298.15K,而100 o C等于100 o + 273.15 = 373.15K,依此類推。

          因此,通過了解特定熱敏電阻的B值(從制造商數據表獲得),可以使用以下歸一化公式生成溫度相對于電阻的表格,以構建合適的圖形:

        熱敏電阻方程

        thermistor equation

        • 哪里:
        • T1是開爾文的第一個溫度點
        • T2是開爾文的第二個溫度點
        • R1是溫度T1處的熱敏電阻電阻,單位為歐姆
        • R2是溫度T2處的熱敏電阻電阻,單位為歐姆

        熱敏電阻示例1

          一個10kΩNTC熱敏電阻的B值為3435,介于25 o C和100 o C的溫度范圍之間。計算其在25 o C和100 o C時的電阻值。

          給出的數據:B = 3435,25 o時 R1 =10kΩ。 為了將溫度標度從攝氏度轉換為攝氏度,將數學常數273.15添加到開氏度

          R1的值已經給出為10kΩ基極電阻,因此在100 o C時R2的值計算如下:

        thermistor resistance

        提供以下兩點特征圖:

        ntc thermistor graph

         

          請注意,在這個簡單的示例中,僅發現了兩個點,但是通常熱敏電阻的電阻隨溫度的變化呈指數變化,因此它們的特性曲線是非線性的,因此計算出的溫度點越多,該曲線就越精確。

        溫度( o C) 10 20 25 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
        電阻(Ω) 18476 12185 10000 8260 5740 4080 2960年 2188 1645 1257 973 765 608

          這些點可以如圖所示繪制,以給出B值為3435的10kΩNTC熱敏電阻的更精確的特性曲線。

        NTC熱敏電阻特性曲線

        10k ntc thermistor characteristics curve

         

          請注意,它具有負溫度系數(NTC),即其電阻隨溫度升高而降低。

        使用熱敏電阻測量溫度。

          那么我們如何使用熱敏電阻來測量溫度。 希望到現在為止,我們已經意識到熱敏電阻是一種電阻性設備,因此根據歐姆定律,如果讓電流通過它,則會在其兩端產生電壓降。 由于熱敏電阻是傳感器的無源類型,也就是說,它需要一個激勵信號來工作,因此,由于溫度變化而引起的電阻變化都可以轉換為電壓變化。

        ntc thermistor divider circuit

        如圖所示,最簡單的方法是將熱敏電阻用作分壓電路的一部分。 在電阻和熱敏電阻串聯電路之間施加恒定的電源電壓,并從熱敏電阻兩端測量輸出電壓。

        例如,如果我們使用帶有MF52系列10kΩ串聯電阻的10kΩ熱敏電阻,那么在25 o C的基準溫度下的輸出電壓將是電源電壓的一半,因為10Ω/(10Ω+10Ω)= 0.5。

        當熱敏電阻的電阻因溫度變化而變化時,熱敏電阻兩端的電源電壓比例也會發生變化,從而產生輸出電壓,該輸出電壓與輸出端子之間總串聯電阻的比例成比例。 因此,分壓器電路是簡單的電阻電壓轉換器的示例,其中熱敏電阻的電阻由溫度控制,產生的輸出電壓與溫度成比例。 因此,熱敏電阻溫度越高,輸出電壓越低。

        如果我們顛倒串聯電阻R S和熱敏電阻R TH的位置 ,則輸出電壓將沿相反方向變化,即熱敏電阻溫度越高,輸出電壓就越高。

        thermistor h-bridge circuit

        我們可以使用如圖所示的橋接電路,將NTC熱敏電阻用作基本溫度感測配置的一部分。 電阻R 1和R 2之間的關系將參考電壓V REF設置為所需值。 例如,如果R 1和R 2都具有相同的電阻值,則參考電壓將等于之前的電源電壓的一半。 就是Vs / 2。

        隨著溫度以及熱敏電阻電阻值的變化,V TH的電壓也將發生變化,高于或低于V REF的電壓,從而向連接的放大器產生正或負輸出信號。

        用于此基本溫度感測電橋電路的放大器電路可以充當差分放大器,以實現高靈敏度和放大效果,或者充當簡單的施密特觸發器電路以進行開-關切換。

        以這種方式使電流流過熱敏電阻的問題在于,熱敏電阻會經歷所謂的自熱效應,即I 2 * R功率損耗可能足以產生比熱敏電阻所耗散的熱量更多的熱量。影響其電阻值會產生錯誤的結果。

        因此,如果流過熱敏電阻的電流過高,則可能導致功耗增加,并且隨著溫度的升高,其電阻會降低,從而導致更多的電流流過,從而進一步升高溫度,從而導致所謂的熱失控 。 換句話說,我們希望熱敏電阻是熱的,這是因為要測量外部溫度,而不是自己加熱。

        應當選擇串聯電阻R S的值以上,以便在可能使用熱敏電阻的預期溫度范圍內提供合理的寬響應,同時在最高溫度下將電流限制為安全值。

        對此進行改進并具有更精確的電阻轉換溫度(R / T)的一種方法是通過用恒定電流源驅動熱敏電阻。 電阻的變化可以通過使用一個小的且經過測量的直流電或熱敏電阻來測量,以測量產生的輸出電壓降。

        用于抑制浪涌電流的熱敏電阻

          我們在這里已經看到熱敏電阻用作電阻溫度敏感型傳感器,但是熱敏電阻的電阻可以通過外部溫度變化或流過它們的電流引起的溫度變化來改變,因為它們畢竟是電阻設備。

          歐姆定律告訴我們,當電流通過電阻R時,由于施加的電壓,由于I 2 * R的加熱效應,功率以熱量的形式消耗。 由于熱敏電阻中電流的自熱效應,熱敏電阻會隨著電流的變化而改變其電阻。

          感應電氣設備(例如電動機,變壓器,鎮流器照明等)在首次打開時會遭受過大的浪涌電流。 但是,串聯的熱敏電阻也可用于有效地將任何高初始電流限制在安全值內。 具有低耐寒性(在25 o C時)的NTC熱敏電阻通常用于這種電流調節。

        浪涌電流限制熱敏電阻

        inrush current limiting thermistor

         

          浪涌電流抑制器和電涌限制器是串聯熱敏電阻的類型,當流過它的負載電流加熱時,??其電阻會降至非常低的值。 在初始接通時,熱敏電阻的冷阻值(其基極電阻)相當高,從而控制了進入負載的初始浪涌電流。

          由于負載電流,熱敏電阻加熱并相對緩慢地降低其電阻,直到在整個負載上產生的大部分外加電壓下,功率消耗足以維持其低電阻值。

          由于其質量的熱慣性,這種加熱效果需要花費幾秒鐘的時間,在此期間負載電流會逐漸增加,而不是瞬間增加,因此,任何高浪涌電流都會受到限制,因此消耗的功率也會相應減少。 由于這種熱作用,浪涌電流抑制熱敏電阻因此可以在其低電阻狀態下非常熱地工作。 因此,一旦斷電,就需要一個冷卻或恢復期,從而使NTC熱敏電阻的電阻能夠為下一次需要的恢復足夠的準備。

          限流熱敏電阻的響應速度由其時間常數給出。 即,其抵抗變化所花費的時間占總變化的63%(即1到1 /ε)。 例如,假設環境溫度從0變為100 o C,那么63%的時間常數就是熱敏電阻在63 o C處具有電阻值所花費的時間。

          NTC熱敏電阻提供保護,以防止不希望的高浪涌電流,而在向負載供電的連續運行過程中,其電阻保持在可以忽略的低水平。 這樣做的好處是,與相同功率消耗的標準固定限流電阻相比,它們能夠有效地處理更高的浪涌電流。

        熱敏電阻摘要

          在本教程中有關熱敏電阻的內容中我們已經看到,熱敏電阻是一個兩端電阻式傳感器,可以隨著周圍環境溫度的變化而改變其電阻值,因此名稱為熱敏電阻或簡稱為“熱敏電阻”。

        熱敏電阻是使用半導體金屬氧化物構造的廉價,易于獲得的溫度傳感器。 它們具有負溫度系數(NTC)或正溫度系數(PTC)。 區別在于NTC熱敏電阻會隨著溫度升高而降低其電阻,而PTC熱敏電阻會隨著溫度升高而降低其電阻。

          NTC熱敏電阻是最常用的(尤其是10KΩNTC熱敏電阻),并且與附加串聯電阻一起,R S可用作簡單的分壓器電路的一部分。 因此,由于溫度變化而引起的電阻變化會產生與溫度相關的輸出電壓。

          但是,熱敏電阻的工作電流必須保持盡可能低,以減少任何自熱效應。 如果它們的工作電流過高,它們的加熱速度會快于其耗散的速度,從而產生錯誤的結果。

          熱敏電阻的特征在于其基極電阻以及其“ B”值。 基本電阻(例如10kΩ)是在給定溫度(通常為25 o C)下熱敏電阻的電阻,因此定義為:R 25 。 B值3950是一個固定的材料常數,它描述了電阻曲線在溫度(R / T)上的斜率形狀。

          我們還看到,除了用于測量外部溫度之外,由于電流流過I 2 R的熱效應,熱敏電阻還可以用于控制電流。 通過將NTC熱敏電阻與負載串聯,可以有效地限制任何高浪涌電流。

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