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热敏电阻
发布时间:2022-12-31 18:32:05 浏览:[]次

  热敏电阻(英语:thermistor)是一种传感器电阻,电阻值随着温度的变化而改变,且体积随温度的变化较一般的固定电阻要大很多。热敏电阻的英文“thermistor”是由Thermal(热)及resistor(电阻)两词组成的混成词。热敏电阻属可变电阻的一类,广泛应用于各种电子元件中,例如涌浪电流限制器、温度传感器、可复式保险丝、及自动调节的加热器等。


  不同于电阻温度计使用纯金属,在热敏电阻器中使用的材料通常是陶瓷或聚合物。两者也有不同的温度响应性质,电阻温度计适用于较大的温度范围;而热敏电阻通常在有限的温度范围内实现较高的精度,通常是-90℃〜130℃。

  

基本特性


  热敏电阻最基本的特性是其阻值随温度的变化有极为显著的变化,以及伏安曲线呈非线性。若电子和空穴的浓度分别为{\displaystylen}n、{\displaystylep}p,迁移率分别为{\displaystyle\mu_{n}}\mu_{n}、{\displaystyle\mu_{p}}\mu_{p},则半导体的电导为:微信截图_20221231183605.png


  {\displaystyle\sigma=q(n\mu_{n}+p\mu_{p})\,}\sigma=q(n\mu_{n}+p\mu_{p})\,


  因为{\displaystylen}n、{\displaystylep}p、{\displaystyle\mu_{n}}\mu_{n}、{\displaystyle\mu_{p}}\mu_{p}都是依赖温度T的函数,所以电导是温度的函数,因此可由测量电导而推算出温度的高低,并能做出电阻-温度特性曲线。这就是半导体热敏电阻的工作原理。


  假设,电阻和温度之间的关系是线性的,则:{\displaystyle\DeltaR=k\DeltaT\,}\DeltaR=k\DeltaT\,


  {\displaystyle\DeltaR}\DeltaR=电阻变化


  {\displaystyle\DeltaT}\DeltaT=温度变化


  {\displaystylek}k=一阶的电阻温度系数


  热敏电阻可以依{\displaystylek}k值大致分为两类:


  •   {\displaystylek}k为正值,电阻随温度上升而增加,称为正温度系数(PTC,PositiveTemperatureCoefficient)热敏电阻。

  •   {\displaystylek}k为负值,电阻随温度上升而减少,称为负温度系数(NTC,NegativeTemperatureCoefficient)热敏电阻。


  此外还有一种临界温度热敏电阻(CTR,CriticalTemperatureResistance),在一定温度范围内,其电阻会有大幅的变化。


  非热敏电阻的一般电阻,其{\displaystylek}k一般都相当接近零,因此在一定的温度范围内其电阻值可以接近一定值。


  有时热敏电阻不用温度系数k来描述,而是用电阻温度系数{\displaystyle\alpha_{T}}\alpha_{T}来描述,其定义为


  {\displaystyle\alpha_{T}={\frac{1}{R(T)}}{\frac{dR}{dT}}.}\alpha_{T}={\frac{1}{R(T)}}{\frac{dR}{dT}}.


  此处的{\displaystyle\alpha_{T}}\alpha_{T}系数和以下的{\displaystylea}a参数是不同的。


斯坦哈特-哈特公式


  在实务上,上述的线性近似只在很小温度范围下适用,若要考虑精密的温度量测,需要更详细的描述温度-电阻曲线。斯坦哈特-哈特公式是广为使用的三阶近似式:


  {\displaystyle{1\overT}=a+b\,\ln(R)+c\,(\ln(R))^{3}}{1\overT}=a+b\,\ln(R)+c\,(\ln(R))^{3}


  其中a、b和c称为斯坦哈特-哈特参数,每个热敏电阻有不同的参数,T是以开尔文表示的温度,R是电阻,单位是欧姆,若要电阻以温度的函数表示,可以整理为下式:


  {\displaystyleR=e^{{\left(x-{1\over2}y\right)}^{1\over3}-{\left(x+{1\over2}y\right)}^{1\over3}}}R=e^{{{\left(x-{1\over2}y\right)}^{{1\over3}}-{\left(x+{1\over2}y\right)}^{{1\over3}}}}


  其中


  {\displaystyle{\begin{aligned}y&={1\overc}\left(a-{1\overT}\right)\\x&={\sqrt{\left({\frac{b}{3c}}\right)^{3}+\left({\frac{y}{2}}\right)^{2}}}\end{aligned}}}{\begin{aligned}y&={1\overc}\left(a-{1\overT}\right)\\x&={\sqrt{\left({\frac{b}{3c}}\right)^{3}+\left({\frac{y}{2}}\right)^{2}}}\end{aligned}}


  在二百度的范围内,斯坦哈特-哈特公式的误差多半小于0.02°C。例如,室温下(25°C=298.15K)电阻值为3000Ω的热敏电阻,其参数为


  {\displaystyle{\begin{aligned}a&=1.40\times10^{-3}\\b&=2.37\times10^{-4}\\c&=9.90\times10^{-8}\end{aligned}}}{\begin{aligned}a&=1.40\times10^{{-3}}\\b&=2.37\times10^{{-4}}\\c&=9.90\times10^{{-8}}\end{aligned}}


NTC热敏电阻的参数


  主条目:温度系数§电阻的负温度系数


  NTC热敏电阻的电阻值随温度的上升而下降,也可以用B(或β)参数来描述其特性,其实就是参数为{\displaystylea=(1/T_{0})-(1/B)\ln(R_{0})}a=(1/T_{{0}})-(1/B)\ln(R_{{0}}),{\displaystyleb=1/B}b=1/B及{\displaystylec=0}c=0的斯坦哈特-哈特公式。


  {\displaystyle{\frac{1}{T}}={\frac{1}{T_{0}}}+{\frac{1}{B}}\ln\left({\frac{R}{R_{0}}}\right)}{\frac{1}{T}}={\frac{1}{T_{0}}}+{\frac{1}{B}}\ln\left({\frac{R}{R_{0}}}\right)


  其中


  •   T:温度,单位为K

  •   R0:为温度T0(25°C=298.15K)时的电阻


  求解R可得


  {\displaystyleR=R_{0}e^{-B\left({\frac{1}{T_{0}}}-{\frac{1}{T}}\right)}}R=R_{0}e^{{-B\left({\frac{1}{T_{0}}}-{\frac{1}{T}}\right)}}


  或者


  {\displaystyleR=r_{\infty}e^{B/T}}R=r_{\infty}e^{{B/T}}


  其中{\displaystyler_{\infty}=R_{0}e^{-{B/T_{0}}}}r_{\infty}=R_{0}e^{{-{B/T_{0}}}}.


  因此可以求解温度为


  {\displaystyleT={B\over{\ln{(R/r_{\infty})}}}}T={B\over{{\ln{(R/r_{\infty})}}}}


  B参数的方程也可以表示为{\displaystyle\lnR=B/T+\lnr_{\infty}}\lnR=B/T+\lnr_{\infty},可以得热敏电阻温度及电阻的方程式转换为{\displaystyle\lnR}\lnR和{\displaystyle1/T}1/T的线性方程式。由其平均斜率可以得到B参数的估计值。


历史


  第一个NTC热敏电阻是法拉第在1833年研究硫化银的半导体特性时发现的。法拉第注意到硫化银的阻值随着温度上升而大幅下降(这也是第一次对于半导体材料特性的记录)。


  早期因为热敏电阻不易生产,且应用的技术受限,商业化的使用一直到1930年代才开始。第一个在商业应用上可行的热敏电阻是由SamuelRuben在1930年发明。


应用领域


  •   温度侦测

  •   电路开关

  •   涌流抑制

  •   马达延时启动

  •   过热保护


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