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入门热敏电阻 | 温度传感器之四

特普生科技 特普生科技 2023-06-18 13 307

一、热敏电阻的基本概念

热敏电阻器是一类敏感元件,其电阻值随温度变化而变化。根据温度系数的不同,可以将热敏电阻器分为正温度系数热敏电阻器(PTC)和负温度系数热敏电阻器(NTC)两种类型。

正温度系数热敏电阻器(PTC)在温度升高时,电阻值也会增加。这是因为PTC材料的电阻与温度成正相关,当温度升高时,PTC材料中的载流子浓度减小,导致电阻值增大。

负温度系数热敏电阻器(NTC)则相反,在温度升高时,电阻值会减小。这是因为NTC材料的电阻与温度成负相关,当温度升高时,NTC材料中的载流子浓度增加,导致电阻值减小。

这些热敏电阻器通常由半导体材料制成,其特点是在不同的温度下表现出不同的电阻值,因此在温度测量和温度补偿等领域有广泛的应用。

热敏电阻的主要特点包括:

1. 高灵敏度:热敏电阻的电阻温度系数通常比金属高10到100倍以上,可以对微小的温度变化产生敏感响应,能够检测出极小的温度差异,具有高灵敏度的特点。

2. 宽工作温度范围:热敏电阻适用的工作温度范围较广。常温器件通常适用于-55℃至315℃的温度范围,高温器件适用于超过315℃的高温环境,而低温器件则适用于-273℃至-55℃的低温环境。

3. 小体积:热敏电阻具有较小的体积,可以用于测量其他温度传感器无法测量的狭小空间、腔体或生物体内的血管温度。其小体积使得其在各种应用中更加灵活和便捷。

4. 使用方便:热敏电阻的电阻值可以在0.1至100kΩ之间任意选择,可以根据具体需求进行调整和匹配。这使得热敏电阻在各种应用中具有一定的灵活性和可定制性。

5. 易加工和大批量生产:热敏电阻材料易于加工成复杂的形状,可以满足不同应用的要求。同时,热敏电阻的生产工艺已经相对成熟,可以进行大规模的批量生产,具有较高的生产效率和可靠性。

6. 稳定性和过载能力:热敏电阻具有良好的稳定性和较强的过载能力,能够在各种环境条件下稳定工作,并能够承受一定程度的过载电流或过载功率,具有较高的可靠性和耐久性。

二、热敏电阻的工作原理

热敏电阻将长期处于不动作状态;当环境温度和电流处于 c 区时,热敏电阻的散热功率与发热功率接近,因而可能热敏电阻动作也可能不动作。热敏电阻在境温度相同时,动作时间随着电流的增加而急剧缩短;热敏电阻在环境温度相对较高时具有更短的动作时间和较小的维持电流及动作电流。

1)ptc 效应是一种材料具有 ptc(positivetemperaturecoefficient)效应,即正温度系数效应,仅指此材料的电阻会随温度的升高而增加。如大多数金属材料都具有 ptc 效应。在这些材料中,ptc 效应表现为电阻随温度增加而线性增加,这就是通常所说的线性 ptc 效应。

2)非线性 ptc 效应经过相变的材料会呈现出电阻沿狭窄温度范围内急剧增加几个至十几个数量级的现象,即非线性 ptc 效应,相当多种类型的导电聚合体会呈现出这种效应,如高分子 ptc 热敏电阻。这些导电聚合体对于制造过电流保护装置来说非常有用。

3)高分子 ptc 热敏电阻用于过流保护高分子 ptc 热敏电阻又经常被人们称为自恢复保险丝(下面简称为热敏电阻),由于具有独特的正温度系数电阻特性,因而极为适合用作过流保护器件。热敏电阻的使用方法象普通保险丝一样,是串联在电路中使用。

在正常工作情况下,热敏电阻的温度接近室温,电阻较小,因此不会阻碍电流通过。但当电路发生故障导致过电流时,热敏电阻会因为发热功率增加而温度升高。当温度超过开关温度时,热敏电阻的电阻会迅速剧增,导致电路中的电流迅速减小到安全值。下面是热敏电阻对交流电路保护过程中电流变化的示意图:

图片

高分子PTC热敏电阻具有可调节的开关温度,可以同时起到过温保护和过流保护的作用。通过改变自身的开关温度,可以调节其对温度的敏感程度。例如,KT16-1700DL规格的热敏电阻由于动作温度较低,适用于锂离子电池和镍氢电池的过流和过温保护。

高分子PTC热敏电阻是一种直热式、阶跃型热敏电阻,其电阻变化过程与自身的发热和散热情况有关。在不同的环境温度和电流条件下,热敏电阻的维持电流、动作电流和动作时间会受到影响。当环境温度和电流处于某个区域时,热敏电阻的发热功率大于散热功率,会发生动作。而当环境温度和电流处于另一个区域时,发热功率小于散热功率,热敏电阻由于可恢复的特性可以重复多次使用。

一般情况下,热敏电阻在几秒到几十秒之间就能恢复到初始值的1.6倍左右的水平,此时热敏电阻的维持电流也恢复到额定值,可以再次使用。恢复速度较快的热敏电阻往往面积和厚度较小,而恢复速度较慢的热敏电阻通常具有较大的面积和厚度。因此,在使用热敏电阻时需要考虑其恢复时间和散热条件,以确保其在重复使用过程中能够正常工作。

总的来说,热敏电阻在正常工作时具有较低的电阻和温度敏感性,不会阻碍电路的正常运行。但当电路发生故障导致过电流时,热敏电阻会发热并剧增电阻,从而限制电流,起到过温和过流保护的作用。高分子PTC热敏电阻具有可调节的开关温度,可以根据需要进行定制,同时具备较好的稳定性和过载能力。

单端玻封热敏电阻

半导体热敏电阻材料

这类材料有单晶半导体、多晶半导体、玻璃半导体、有机半导体以及金属氧化物等。它们均具有非常大的电阻温度系数和高的龟阻率,用其制成的传感器的灵敏度也相当高。按电阻温度系数也可分为负电阻温度系数材料和正电阻温度系数材料。在有限的温度范围内,负电阻温度系数材料 a 可达-6*10-2/℃,正电阻温度系数材料 a 可高达-60*10-2/℃以上。如饮酸钡陶瓷就是一种理想的正电阻温度系数的半导体材料。

上述两种材料均广泛用于温度测量、温度控制、温度补瞬、开关电路、过载保护以及时间延迟等方面,如分别用子制作热敏电阻温度计、热敏电阻开关和热敏电阻温度计、热敏电阻开关和热敏电阻延迟继电错等。这类材料由于电阻和流度呈指数关系,因此测温范围狭窄、均匀性也差。

金属热敏电阻材料

此类材料作为热电阻测温、限流器以及自动恒温加热元件均有较为广泛的应用。如铂电阻温度计、镍电阻温度计、铜电阻温度计等。其中铂侧温传感器在各种介质中(包括腐蚀性介质),表现出明显的高精度和高稳定的特征。但是,由于铂的稀缺和价格昂贵而使它们的广泛应用受到一定的限制。铜测温传感器较便宜,但在腐蚀性介质中长期使用,可导致静态特性与阻值发生明显变化。

最近有资料报导,铜测温传感器可在空气介质中-60~180℃温度范围使用。但是,国外为了在-60~180℃长期地测量温度和在 250℃短期测量温度,普遍大量使用着镍测温传感器,并认为镍是一种较理想的材料,因为它们具有高的灵敏度、满意的重现性和稳定性。

合金热敏电阻材料

合金热敏电阻材料亦称热敏电阻合金。这种合金具有较高的电阻率,并且电阻值随温度的变化较为敏感,是一种制造温敏传感器的良好材料。

作为温敏传感器的热敏电阻合金性能要求如下:

(1)足够大的电阻率;

(2)相当高的电阻温系数;

(3)具有接近于实验材料线膨胀系数;

(4)小的应变灵敏系数;

(5)在工作温度区间加热和冷却时,电阻温度曲线应有良好的重复性。

2)按特性分类

按照温度改变阻值变动趋势不同,分为 PTC 和 NTC。

特普生,成立于2011年,是国家高新技术、专精特新企业。主要研制NTC芯片热敏电阻温度传感器储能线束储能CCS集成采集母排储能模组铝巴等温度采集产品系列。一体化研制、一致性品质的特普生,竞争力优势明显:自主研制NTC芯片核心技术及实现医用0.3%精度;专利百项,保留不公开技术2项;为全球新能源产品、大消费品与工业品提供了定制化的温度采集技术。

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