深入浅出常用元器件系列——NTC热敏电阻

作者：antonine

　　NTC热敏电阻(Negative Temperature Coefficient Thermistor)是一种由锰(Mn)、镍(Ni)、铜(Cu)等成分构成的氧化物烧结体。NTC热敏电阻是一种随着温度的变化其电阻阻值呈相反趋势变化，且变化率极大的半导体电阻器。通常热敏电阻可用在温度检测、温度补偿、防浪涌等场合。

　　NTC热敏电阻的阻值(RT)与热力学温度(T)的典型关系曲线如下图所示，可见随着温度的升高，RT迅速减小。



　　上述关系可采用下式的指数关系表示。



　　其中，式中RT0为热敏电阻在温度T0(热力学温度)下的阻值，B为热敏指数，与热敏电阻的半导体材料和加工工艺有关。

　　1. 温度传感器及非线性校正

　　NTC热敏电阻是一类在工业测温领域应用相当广泛的温度传感器。与半导体集成温度传感器相比，NTC热敏电阻具有测温范围宽、使用方便、价格低廉等特点;与铂热电阻或热电偶相比，NTC热敏电阻具有灵敏度高、电路简单、价格低廉的特点。

　　热敏电阻的温度测量范围可达-100℃ ~500℃ ，其灵敏度可达-44000ppm/ ℃(25℃ 时)，其实际使用尺寸十分灵活，可小至0.01英寸或更小的直径，最大几乎没有限制。额定室温电阻取决于其半导体材料、大小、形状以及电极的接触面积，厚而窄的热敏电阻具有相对较高的阻值，而形状薄而宽的则具有较低的阻值。

　　由于用作温度传感器时，通常需要较好的线性度。但热敏电阻的阻值与温度之间呈指数关系变化，在较大温度范围内，阻值与温度的关系具有比较严重的非线性。此时，进行非线性较正会取得较好的效果。



　　通常采用的NTC热敏电阻非线性校正的方式是采用一个温度系数较小的固定电阻与热敏电阻并联，这种方法简单易用且校正效果较好，它具有将NTC热敏电阻曲线冷端向下拉的作用。



　　上图表示热敏电阻本身的温度特性曲线及并联电阻进行校正后的温度特性曲线。两个电阻并联时，较低电阻值的作用更大，在冷端(接近T1)热敏电阻值阻值较高，并联固定电阻起主要作用，热敏电阻自身较陡峭的阻值变化(大温度系数)由于固定电阻的作用而变得平坦;而热端(接近T4)，热敏电阻相对于固定电阻阻值较低，因此热敏电阻的阻值变化作用明显。

对于并联校正采用的固定电阻阻值可采用下式确定。



　　式中RT1为测温范围内最低温度时热敏电阻的阻值，RT3为温度范围内最高温度时的阻值，而RT2为温度范围内的中间点时热敏电阻阻值。

　　经过校正的热敏电阻温度特性曲线为非常平坦的S形，S形的中点接近于校正温度中点。在校正温度范围内，测温误差较小，超过量程后误差增加十分明显。为了解整个温度范围的误差情况，可采用excel或者matlab等数学工具对不同温度的校正情况进行详细计算。



　　2. 防浪涌保护

　　NTC热敏电阻的另一个非常广泛的用途就是电源的防浪涌电流保护，示意图如下图所示。

　　由于在整流滤波电路中，为了避免电子电路开机瞬间由于容性负载充电而产生的瞬间浪涌电流，通常在电源电路中串接一个功率型的NTC热敏电阻。这样能够有效的抵制开机时的浪涌电流，并且在完成抵制浪涌电流作用后，由于通过电流的持续作用，NTC热敏电阻的阻值将下降到非常小的值，消耗功率很小可以忽略，不会对电路的正常工作造成影响。所以在中小功率电源电路中，采用功率型NTC热敏电阻器抵制开机浪涌电流的方法得到广泛应用。



　　功率型热敏电阻的主要参数有：最大稳态电流、R25阻值、耗散系数、B值等。

　　最大稳态电流 是指热敏电阻在25℃ 环境温度下允许施加在热敏电阻上的最大持续电流值。这个值必须高于实际电路中热敏电阻工作电流值。

　　R25阻值 是指热敏电阻的设计阻值，即25℃ 下的零功率电阻值(通常阻值精度在20%左右)。这个值可以表示热敏电阻的在启机瞬间的限流能力。

　　B值 是热敏系数，为两个温度下零功率电阻值的自然对数之差与这两个温度的倒数之差的比值(可见热敏电阻温度特性公式)。B值越大，残留电阻越小，工作温升也就越小。

　　耗散系数 是指在规定环境温度下，器件本身耗散功率变化与相应温度变化的比值。

　　热时间常数 是指在零功率条件下，当温度发生突变时，热敏电阻表面温度谈何开始到结束，所需时间的63.2%的时间值。

　　一般热时间常数与耗散系数乘积越大，热敏电阻的热容量越大，抵制浪涌电流的能力也就越强。