负温度系数热敏电阻

1．工作原理

NTC是Negative Temperature Coefficient的缩写，意思是负的温度系数。泛指是指随温度上升电阻呈指数关系减小、负温度系数很大的半导体材料或元器件，所谓NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。温度低时，这些氧化物材料的载流子(电子和孔穴)数目少，所以其电阻值较高; 随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。NTC热敏电阻器在室温下的变化范围在100～106Ω，温度系数－2%～－6．5%。NTC热敏电阻器可广泛用于测温、控温、温度补偿等方面。

NTC热敏电阻器的发展经历了漫长的阶段，1834年，科学家首次发现了硫化银有负温度系数的特性，1930年，科学家发现氧化亚铜－氧化铜也具有负温度系数的性能，并将之成功地运用在航空仪器的温度补偿电路中。随后，由于晶体管技术的不断发展，热敏电阻器的研究取得重大进展，1960年研制出了NTC热敏电阻器。

NTC负温度系数热敏电阻温度范围一般为－10～300℃，也可做到－200～10℃，甚至可用于+300～1200℃环境中作测温用。

图4－1 NTC特性曲线图、外形图及元件符号

负温度系数热敏电阻器温度计的精度可以达到0．1℃，感温时间可少至10s以下，它不仅适用于粮仓测温仪，同时也可应用于食品储存、医药卫生、科学种田、海洋、深井、高空、冰川等方面的温度测量。

2．主要参数

(1)零功率电阻值RT(Ω)

RT指在规定温度T时，采用引起电阻值变化相对于总的测量误差来说可以忽略不计的测量功率测得的电阻值。

电阻值和温度变化的关系式为:

RT=RNexp B(1/T－1/TN)

式中: RT——在温度T(K)时的NTC热敏电阻阻值;

RN——在额定温度TN(K)时的NTC热敏电阻阻值;

T——规定温度(K);

B——NTC热敏电阻的材料常数，又叫热敏指数;

exp——以自然数e为底的指数(e=2．71828…)。

该关系式是经验公式，只在额定温度TN或额定电阻阻值RN的有限范围内才具有一定的精确度，因为材料常数B本身也是温度T的函数。

(2)额定零功率电阻值R25(Ω)

根据国标规定，额定零功率电阻值是NTC热敏电阻在基准温度25℃时测得的电阻值R25，这个电阻值就是NTC热敏电阻的标称电阻值。通常所说NTC热敏电阻多少阻值，亦指该值。

(3)零功率电阻温度系数(αT)

在规定温度下，NTC热敏电阻零动功率电阻值的相对变化与引起该变化的温度变化值之比值。

式中: αT——温度T(K)时的零功率电阻温度系数;

RT——温度T(K)时的零功率电阻值;

T——温度(K);

B——材料常数。

(4)电阻温度特性

NTC热敏电阻的温度特性可用下式近似表示:

式中: RT——温度T时零功率电阻值;

A——与热敏电阻器材料物理特性及几何尺寸有关的系数;

B——B值;

T——温度(K)。

更精确的表达式为:

式中: RT——热敏电阻器在温度T时的零功率电阻值;

T——为绝对温度值(K);

A、B、C、D——为特定的常数。

3．参数测量

(1)测量标称电阻值Rt

用万用表测量NTC热敏电阻的方法与测量普通固定电阻的方法相同，即根据NTC热敏电阻的标称阻值选择合适的电阻挡可直接测出Rt的实际值。但因NTC热敏电阻对温度很敏感，故测试时应注意以下几点:

第一，Rt是生产厂家在环境温度为25℃时所测得的，所以用万用表测量Rt时，亦应在环境温度接近25℃时进行，以保证测试的可信度;

第二，测量功率不得超过规定值，以免电流热效应引起测量误差;

第三，注意正确操作，测试时，不要用手捏住热敏电阻体，以防止人体温度对测试产生影响。

(2)估测温度系数αt

先在室温t1下测得电阻值Rt1，再用电烙铁作热源，靠近热敏电阻Rt，测出电阻值RT2，同时用温度计测出此时热敏电阻RT表面的平均温度t2再进行计算。

4．测量应用电路

图4－2 热敏电阻典型应用电路

电路解析:

R13、R14分压后作为基准电平，在此为1/2Vcc。若要改变电压阈值，只需改变两电阻值的大小即可。

当温度升高时，RT1的电阻值变小，与R12分压后RT1两端的电压降低，小于LM358负端的电压，经比较器后输出为低电平，LED不亮。

当温度降低时，RT1的电阻值变大，与R12分压后RT1两端的电压升高，大于LM358负端的电压，经比较器后输出为高电平，LED点亮。

R15、D9在此为指示比较器的输出。