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NTC热敏电阻介绍
来源:本站  更新时间:2019-11-18 10:25:43  查看次数:

     


  热敏电阻是一种特殊类型的可变电阻元件,当暴露于温度变化时会改变其物理电阻。是一种固态温度感测设备,其作用有点像电阻,但对温度敏感。 热敏电阻可用于产生环境温度变化的模拟输出电压,因此可称为换能器。 这是因为由于热量的外部和物理变化,其电特性发生了变化。

 

  热敏电阻基本上是一个两端固态热敏换能器,它使用敏感的基于半导体的金属氧化物构造而成,金属化或烧结的连接引线形成陶瓷盘或珠。 这允许热敏电阻与环境温度的微小变化成比例地改变其电阻值。 换句话说,随着温度的变化,其电阻也随之变化,因此,其名称“热敏电阻”是THERM-alally res-ISTOR单词的组合。

  虽然在标准电阻器中通常不希望因热而导致电阻变化,但可以在许多温度检测电路中很好地利用这种效果。 因此,作为非线性可变电阻装置,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周围空气的温度。

  另外,作为由高灵敏度金属氧化物制成的固态器件,它们在分子水平上操作,最外面的(价)电子变得更活跃,产生负温度系数,或者最不活跃,产生正温度系数,作为热敏电阻的温度。增加。 这意味着它们具有非常好的电阻抗温度特性,从而使其可以在高达200 o C的温度下工作。

ntc thermistor 典型热敏电阻

  尽管热敏电阻的主要用途是作为电阻温度传感器,但它们也可以与另一个组件或设备串联连接,以控制流过它们的电流。 换句话说,它们可用作热敏限流设备。

  热敏电阻的类型,材料和尺寸范围广泛,以其响应时间和工作温度为特征。 同样,密封的热敏电阻消除了由于湿气渗透引起的电阻读数误差,同时仍提供了较高的工作温度和紧凑的尺寸。 三种最常见的类型是:磁珠热敏电阻,磁盘热敏电阻和玻璃封装的热敏电阻。

  这些与温度相关的电阻器可以通过以下两种方式之一进行操作:通过随温度变化而增大或减小其电阻值。 然后有两种类型的热敏电阻可用: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。 通常,NTC热敏电阻是温度传感器中最常用的类型,因为它们几乎可以在任何有温度作用的设备中使用。

  NTC温度热敏电阻具有负电阻与温度(R / T)的关系。 NTC热敏电阻的相对较大的负响应意味着即使温度的微小变化也会导致其电阻的显着变化。 这使它们成为精确温度测量和控制的理想选择。

前面我们曾说过,热敏电阻是一种电子元件,其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,然后测量其两端的压降,则可以确定其在特定温度下的电阻。

NTC热敏电阻会随着温度的升高而降低其电阻,并具有多种基本电阻和温度曲线。 NTC热敏电阻通常以室温下的基极电阻为特征,即25 o C(77 o F),因为这提供了一个方便的参考点。 因此,例如,在25 o C时为2kΩ,在25 o C时为10kΩ或在25 o C时为100kΩ,等等。

  热敏电阻的另一个重要特性是其“ B”值。 B值是由制造它的陶瓷材料确定的材料常数。 它描述了两个温度点之间特定温度范围内电阻(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,因此电阻和温度曲线也不同。

  然后,B值将定义在第一温度或基点(通常为25 o C)下的热敏电阻电阻值,称为T1,在第二温度点(例如100 o C,下称为T2)定义热敏电阻的电阻值。 因此,B值将在T1和T2的范围内定义热敏电阻的材料常数。 即B T1 / T2或B 25/100 ,典型的NTC热敏电阻B值在3000至5000之间。

  但是请注意,T1和T2的温度点均以开氏温度单位计算,其中0 0 C = 273.15开氏温度。 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,依此类推。

  因此,通过了解特定热敏电阻的B值(从制造商数据表获得),可以使用以下归一化公式生成温度相对于电阻的表格,以构建合适的图形:

热敏电阻方程

thermistor equation

  • 哪里:
  • T1是开尔文的第一个温度点
  • T2是开尔文的第二个温度点
  • R1是温度T1处的热敏电阻电阻,单位为欧姆
  • R2是温度T2处的热敏电阻电阻,单位为欧姆

热敏电阻示例1

  一个10kΩNTC热敏电阻的B值为3435,介于25 o C和100 o C的温度范围之间。计算其在25 o C和100 o C时的电阻值。

  给出的数据:B = 3435,25 o时 R1 =10kΩ。 为了将温度标度从摄氏度转换为摄氏度,将数学常数273.15添加到开氏度

  R1的值已经给出为10kΩ基极电阻,因此在100 o C时R2的值计算如下:

thermistor resistance

提供以下两点特征图:

ntc thermistor graph

 

  请注意,在这个简单的示例中,仅发现了两个点,但是通常热敏电阻的电阻随温度的变化呈指数变化,因此它们的特性曲线是非线性的,因此计算出的温度点越多,该曲线就越精确。

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

  这些点可以如图所示绘制,以给出B值为3435的10kΩNTC热敏电阻的更精确的特性曲线。

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。 希望到现在为止,我们已经意识到热敏电阻是一种电阻性设备,因此根据欧姆定律,如果让电流通过它,则会在其两端产生电压降。 由于热敏电阻是传感器的无源类型,也就是说,它需要一个激励信号来工作,因此,由于温度变化而引起的电阻变化都可以转换为电压变化。

ntc thermistor divider circuit

如图所示,最简单的方法是将热敏电阻用作分压电路的一部分。 在电阻和热敏电阻串联电路之间施加恒定的电源电压,并从热敏电阻两端测量输出电压。

例如,如果我们使用带有MF52系列10kΩ串联电阻的10kΩ热敏电阻,那么在25 o C的基准温度下的输出电压将是电源电压的一半,因为10Ω/(10Ω+10Ω)= 0.5。

当热敏电阻的电阻因温度变化而变化时,热敏电阻两端的电源电压比例也会发生变化,从而产生输出电压,该输出电压与输出端子之间总串联电阻的比例成比例。 因此,分压器电路是简单的电阻电压转换器的示例,其中热敏电阻的电阻由温度控制,产生的输出电压与温度成比例。 因此,热敏电阻温度越高,输出电压越低。

如果我们颠倒串联电阻R S和热敏电阻R TH的位置 ,则输出电压将沿相反方向变化,即热敏电阻温度越高,输出电压就越高。

thermistor h-bridge circuit

我们可以使用如图所示的桥接电路,将NTC热敏电阻用作基本温度感测配置的一部分。 电阻R 1和R 2之间的关系将参考电压V REF设置为所需值。 例如,如果R 1和R 2都具有相同的电阻值,则参考电压将等于之前的电源电压的一半。 就是Vs / 2。

随着温度以及热敏电阻电阻值的变化,V TH的电压也将发生变化,高于或低于V REF的电压,从而向连接的放大器产生正或负输出信号。

用于此基本温度感测电桥电路的放大器电路可以充当差分放大器,以实现高灵敏度和放大效果,或者充当简单的施密特触发器电路以进行开-关切换。

以这种方式使电流流过热敏电阻的问题在于,热敏电阻会经历所谓的自热效应,即I 2 * R功率损耗可能足以产生比热敏电阻所耗散的热量更多的热量。影响其电阻值会产生错误的结果。

因此,如果流过热敏电阻的电流过高,则可能导致功耗增加,并且随着温度的升高,其电阻会降低,从而导致更多的电流流过,从而进一步升高温度,从而导致所谓的热失控 。 换句话说,我们希望热敏电阻是热的,这是因为要测量外部温度,而不是自己加热。

应当选择串联电阻R S的值以上,以便在可能使用热敏电阻的预期温度范围内提供合理的宽响应,同时在最高温度下将电流限制为安全值。

对此进行改进并具有更精确的电阻转换温度(R / T)的一种方法是通过用恒定电流源驱动热敏电阻。 电阻的变化可以通过使用一个小的且经过测量的直流电或热敏电阻来测量,以测量产生的输出电压降。

用于抑制浪涌电流的热敏电阻

  我们在这里已经看到热敏电阻用作电阻温度敏感型传感器,但是热敏电阻的电阻可以通过外部温度变化或流过它们的电流引起的温度变化来改变,因为它们毕竟是电阻设备。

  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I 2 * R的加热效应,功率以热量的形式消耗。 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(例如电动机,变压器,镇流器照明等)在首次打开时会遭受过大的浪涌电流。 但是,串联的热敏电阻也可用于有效地将任何高初始电流限制在安全值内。 具有低耐寒性(在25 o C时)的NTC热敏电阻通常用于这种电流调节。

浪涌电流限制热敏电阻

inrush current limiting thermistor

 

  浪涌电流抑制器和电涌限制器是串联热敏电阻的类型,当流过它的负载电流加热时,​​其电阻会降至非常低的值。 在初始接通时,热敏电阻的冷阻值(其基极电阻)相当高,从而控制了进入负载的初始浪涌电流。

  由于负载电流,热敏电阻加热并相对缓慢地降低其电阻,直到在整个负载上产生的大部分外加电压下,功率消耗足以维持其低电阻值。

  由于其质量的热惯性,这种加热效果需要花费几秒钟的时间,在此期间负载电流会逐渐增加,而不是瞬间增加,因此,任何高浪涌电流都会受到限制,因此消耗的功率也会相应减少。 由于这种热作用,浪涌电流抑制热敏电阻因此可以在其低电阻状态下非常热地工作。 因此,一旦断电,就需要一个冷却或恢复期,从而使NTC热敏电阻的电阻能够为下一次需要的恢复足够的准备。

  限流热敏电阻的响应速度由其时间常数给出。 即,其抵抗变化所花费的时间占总变化的63%(即1到1 /ε)。 例如,假设环境温度从0变为100 o C,那么63%的时间常数就是热敏电阻在63 o C处具有电阻值所花费的时间。

  NTC热敏电阻提供保护,以防止不希望的高浪涌电流,而在向负载供电的连续运行过程中,其电阻保持在可以忽略的低水平。 这样做的好处是,与相同功率消耗的标准固定限流电阻相比,它们能够有效地处理更高的浪涌电流。

热敏电阻摘要

  在本教程中有关热敏电阻的内容中我们已经看到,热敏电阻是一个两端电阻式传感器,可以随着周围环境温度的变化而改变其电阻值,因此名称为热敏电阻或简称为“热敏电阻”。

热敏电阻是使用半导体金属氧化物构造的廉价,易于获得的温度传感器。 它们具有负温度系数(NTC)或正温度系数(PTC)。 区别在于NTC热敏电阻会随着温度升高而降低其电阻,而PTC热敏电阻会随着温度升高而降低其电阻。

  NTC热敏电阻是最常用的(尤其是10KΩNTC热敏电阻),并且与附加串联电阻一起,R S可用作简单的分压器电路的一部分。 因此,由于温度变化而引起的电阻变化会产生与温度相关的输出电压。

  但是,热敏电阻的工作电流必须保持尽可能低,以减少任何自热效应。 如果它们的工作电流过高,它们的加热速度会快于其耗散的速度,从而产生错误的结果。

  热敏电阻的特征在于其基极电阻以及其“ B”值。 基本电阻(例如10kΩ)是在给定温度(通常为25 o C)下热敏电阻的电阻,因此定义为:R 25 。 B值3950是一个固定的材料常数,它描述了电阻曲线在温度(R / T)上的斜率形状。

  我们还看到,除了用于测量外部温度之外,由于电流流过I 2 R的热效应,热敏电阻还可以用于控制电流。 通过将NTC热敏电阻与负载串联,可以有效地限制任何高浪涌电流。

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