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NTC热敏电阻深度解析
来源:本站  更新时间:2018-04-26 22:52:38  查看次数:

     


热敏电阻是一种特殊类型的可变电阻元件,在暴露于温度变化时会改变其物理电阻。

· 热敏电阻是一种固态温度感测装置,其作用有点像电阻,但对温度敏感。热敏电阻可以用来产生环境温度变化的模拟输出电压,因此可以称为换能器。这是因为它会由于热量的物理变化而导致其电气性能发生变化。

· 热敏电阻基本上是一种双端固态热敏传感器,由灵敏的半导体基金属氧化物制成,金属化或烧结连接导线连接到陶瓷盘或珠上。这使其可以根据温度的微小变化来改变其电阻值。换句话说,随着温度的变化,它的电阻也变得如此,因此它的名字“热敏电阻”就是THERM-ally敏感的res-ISTOR的组合。

· 虽然由于热量引起的电阻变化在标准电阻器中通常是不希望的,但是这种效应可以在许多温度检测电路中很好地使用。因此,作为非线性可变电阻器件,热敏电阻通常用作温度传感器,其具有许多应用来测量液体和环境空气的温度。

· 此外,作为由高度敏感的金属氧化物制成的固态器件,它们在分子水平上运行,其中最外层(价电子)电子变得更加活跃并且产生负温度系数,或者活性较低,产生正温度系数,热敏电阻增加。这意味着它们可以具有非常好的重复性和温度特性,允许它们在大约200℃的温度下工作。

 
· 典型的热敏电阻
· 虽然热敏电阻的主要用途是作为电阻温度传感器,属于电阻系列的电阻器件,但它们也可以与元器件或器件串联使用,以控制流经它们的电流。换句话说,它们也可以用作限流装置。

· 取决于响应时间和工作温度,热敏电阻有多种类型,材料和尺寸可供选择。此外,密封热敏电阻消除了由于湿气渗透导致的电阻读数错误,同时提供高工作温度和紧凑尺寸。三种最常见的类型是:珠状热敏电阻和玻璃封装热敏电阻。

· 这些依赖于热量的电阻器可以以两种方式之一操作,或者随着温度的变化而增加或减少它们的电阻值。然后有两种类型的热敏电阻:电阻的负温度系数(NTC)和电阻的正温度系数(PTC)。

· 负温度系数热敏电阻
· 电阻热敏电阻或简称NTC热敏电阻的负温度系数随着其周围工作温度的升高而降低或降低其电阻值。一般来说,NTC热敏电阻是最常用的温度传感器类型,因为它们几乎可用于温度起作用的任何类型的设备。
 
· NTC温度热敏电阻具有负温度(R / T)关系。 NTC热敏电阻的相对较大的负响应意味着即使温度变化很小也会导致其电阻发生显着变化。这使它们成为精确温度测量和控制的理想选择。

· 我们之前曾说过,热敏电阻是一种电阻,它的电阻高度依赖于温度,因此如果我们通过热敏电阻发送恒定电流,然后测量其上的电压降,我们就可以确定其电阻和温度。

· NTC热敏电阻随着温度的升高而降低电阻,可用于各种基极电阻和曲线。它们通常以其室温下的基极电阻为特征,即25°C(77°F),因为这提供了一个方便的参考点。例如,25℃时为2kΩ,25℃时为10kΩ,25℃时为100kΩ等,例如型号命名MF52D103,MF52D104等等
 
· 另一个重要特征是“B”值。 B值是由其制成的陶瓷材料确定的材料常数,并描述了在两个温度点之间的特定温度范围内的电阻(R / T)曲线的梯度。每种热敏电阻材料将具有不同的材料常数,因此具有不同的电阻 - 温度曲线,常规B值有3435、3950、3977、等

· 然后,B值将定义在第一温度或基点(通常为25℃)下称为T1的热敏电阻电阻值,以及在第二温度点例如100℃称为T2的热敏电阻电阻值。因此B值将定义热敏电阻材料在T1和T2范围内的常数。即BT1 / T2或B25 / 100,典型的NTC热敏电阻B值在3000到5000之间。

 

热敏电阻方程

thermistor equation

  •  
    T1是开尔文的第一个温度点
    T2是以开尔文为单位的第二温度点
    R1是温度T1(欧姆)下的热敏电阻电阻
    R2是温度T2(以欧姆为单位)的热敏电阻电阻
    热敏电阻实例No1
    10kΩNTC热敏电阻在25至100oC的温度范围内的B值为3435。计算在25oC和100oC时的电阻值。
    给出的数据:B = 3455,R1 =10kΩ,25o。为了将温度转换成摄氏温度,将温度转换成开尔文温度,将数学常数273.15加上
     
    R1的值已经作为其10kΩ的基极电阻给出,因此在100℃下R2的值计算为

thermistor resistance

给出以下两点特征图:曲线

ntc thermistor graph

 

请注意,在这个简单的例子中,只有两个点被发现,但通常热敏电阻会随着温度的变化呈指数函数变化,所以它们的特性曲线是非线性的,因此计算出的温度点越多,曲线就越精确。

Temperature
(oC)
10 20 25 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Resistance
(Ω)
18476 12185 10000 8260 5740 4080 2960 2188 1645 1257 973 765 608

并且这些点可以如图所示绘制,以给出具有3455的B值的10kΩNTC热敏电阻器的更准确的特性曲线.

NTC热敏电阻特性曲线

10k ntc thermistor characteristics curve

 

请注意,它具有负温度系数(NTC),即其电阻随温度升高而降低

使用热敏电阻测量温度。

那么我们如何使用热敏电阻来测量温度。 希望现在我们知道一个热敏电阻是一个电阻器件,因此根据欧姆定律,如果我们通过一个电流,它将产生电压降。 由于热敏电阻是一种有源类型的传感器,也就是说,它需要一个激励信号用于其工作,所以温度变化引起的电阻变化可以转换为电压变化.

ntc thermistor divider circuit
这样做的最简单方法是使用热敏电阻作为分压电路的一部分,如图所示。 在电阻和热敏电阻串联电路上施加恒定电压,并在热敏电阻上测量输出电压。

 
例如,如果我们使用10kΩ热敏电阻和10kΩ的串联电阻,那么在25oC的基准温度下的输出电压将是电源电压的一半。



 
当热敏电阻的电阻由于温度变化而变化时,热敏电阻两端的电源电压部分也会发生变化,从而产生与输出端子之间的总串联电阻的一部分成比例的输出电压。
 
因此,分压器电路是一个简单的电阻转换器的例子,其中热敏电阻的电阻由温度控制,所产生的输出电压与温度成正比。 所以热敏电阻越热,电压越低。
 
如果我们颠倒串联电阻RS和热敏电阻RTH的位置,则输出电压将反方向变化,即热敏电阻变得越热,输出电压就越高。
thermistor h-bridge circuit
如图所示,我们可以使用ntc热敏电阻作为使用电桥电路的基本温度检测配置的一部分。电阻R1和R2之间的关系将参考电压VREF设置为所需的值。例如,如果R1和R2都具有相同的电阻值,则参考电压将等于电源电压的一半。那是Vs / 2。
 
随着温度和热敏电阻的电阻发生变化,VTH处的电压也会随VREF的变化而变化,从而对连接的放大器产生正或负的输出信号。
 
用于此基本温度感测电桥电路的放大器电路可用作高灵敏度和放大的差分放大器,或用于开关切换的简单施密特触发器电路。
 
以这种方式使电流通过热敏电阻的问题在于,热敏电阻经历了所谓的自热效应,即I2.R功耗可能足够高以产生比热敏电阻耗散更多的热量电阻值产生错误的结果。
 
因此,如果通过热敏电阻的电流太高,会导致功耗增加,并且随着温度升高,其电阻降低,导致更多的电流流动,这进一步导致温度升高,从而导致所谓的热失控。换句话说,我们希望热敏电阻由于外部温度被测量而变得很热,而不是自身加热。
 
然后应选择上述串联电阻RS的值,以在可能使用热敏电阻的温度范围内提供相当宽的响应,同时将电流限制在最高温度下的安全值。
 
改善这一点并具有更精确的温度抵抗转换(R / T)的一种方法是通过用恒流源驱动热敏电阻。电阻的变化可以通过使用一个小的测得的直流电或直流电通过热敏电阻来测量,以测量产生的电压降。
 
用于浪涌电流抑制的热敏电阻
 
我们已经看到,热敏电阻主要用作电阻式温度敏感型传感器,但是热敏电阻的电阻可以通过外部温度变化或通过流过电流的电流引起的温度变化来改变,因为毕竟它们是电阻性器件。
 
欧姆定律告诉我们,当电流通过电阻R时,由于施加的电压,由于I2R加热效应,功耗以热量的形式消耗。由于热敏电阻中电流的自热效应,热敏电阻会随着电流的变化而改变其电阻。
 
感应电气设备,如电动机,变压器,镇流器照明等,首次打开时会遭受过度的浪涌电流。但串联热敏电阻可用于有效地将这些高初始电流限制在sfe值。低电阻值(25oC)的NTC热敏电阻通常用于电流调节

浪涌电流限制热敏电阻

inrush current limiting thermistor

 
浪涌电流抑制器和限流器是串联热敏电阻的类型,当负载电流通过时,其电阻降至非常低的值。在初始开启时,热敏电阻的冷电阻值(其基极电阻)相当高,可控制负载的初始涌入电流。
 
由于负载电流的作用,热敏电阻加热并相对缓慢地降低其电阻,因为通过它的功耗足以保持其低电阻值,其中大部分施加在负载两端的电压。
 
由于其质量的热惯性,这种加热效应需要几秒钟的时间,在此期间负载电流逐渐增加而不是瞬间增加,所以任何高涌入电流都会受到限制,并且其吸收的功率也会相应降低。由于这种热作用,浪涌电流抑制热敏电阻可以在低电阻状态下运行非常热,因此需要冷却或恢复供电后的恢复时间,以使NTC热敏电阻的电阻增加到足以提供所需的浪涌电流在下次需要时抑制。
 
因此,限流热敏电阻的响应速度由其时间常数给出。也就是说,其阻力变化的时间总变化的63%(即1至1 / e)。例如,假设环境温度从0℃变化到100℃,则63%时间常数将是热敏电阻在63℃时具有电阻值所需的时间。
 
因此,NTC热敏电阻可以防止不必要的高浪涌电流,而在持续运行向负载供电期间,其电阻仍然可以忽略不计。这样做的好处是,它们能够有效处理比具有相同功耗的标准固定限流电阻高得多的浪涌电流。
 
热敏电阻总结
 
我们在本教程中已经看到热敏电阻,一个热敏电阻是一个两端电阻式传感器,它随着周围环境温度的变化而改变其电阻值,因此被称为热敏电阻或简称为“热敏电阻”。
 
热敏电阻是廉价的,易于获得的使用半导体金属氧化物构造的温度传感器,并且具有负电阻温度系数(NTC)或电阻正温度系数(PTC)。区别在于NTC热敏电阻随着温度升高而降低其电阻,而PTC热敏电阻随着温度升高而增加其电阻。
 
NTC热敏电阻是最常用的(特别是10KΩntc热敏电阻),并且还有一个额外的串联电阻,RS可以用作简单分压电路的一部分,以便由于温度变化而改变其电阻,从而产生温度 - 相关的输出电压。
 
但是,热敏电阻的工作电流必须尽可能低,以减少自热效应。如果它们通过过高的工作电流,则它们会产生比热敏电阻能够快速耗散更多的热量,这可能会导致错误的结果。
 
热敏电阻的特点是其基极电阻和B值。例如,10kΩ的基极电阻是热敏电阻在给定温度下的电阻,通常为25℃,定义为:R25。 B值是固定的材料常数,它描述了电阻曲线在整个温度范围内的斜率形状(R / T)。
 
我们也已经看到,热敏电阻可以用来测量外部温度,或者可以用来控制电流,这是由流过电流的I2R加热效应引起的。通过将NTC热敏电阻与负载串联连接,可以有效限制高浪涌电流。

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