热敏电阻

热敏电阻()是一种传感器电阻,电阻值隨着溫度的变化而改变,且体积隨溫度的变化較一般的固定电阻要大很多。热敏电阻的英文「thermistor」是由Thermal(熱)及resistor(电阻)兩詞組成的混成詞。热敏电阻属可变電阻的一类,广泛应用于各种电子元件中,例如湧浪電流限制器、溫度傳感器、可復式保險絲、及自動調節的等。

不同於電阻溫度計使用純金屬,在熱敏電阻器中使用的材料通常是陶瓷或聚合物。兩者也有不同的溫度響應性質,電阻溫度計適用於較大的溫度範圍;而熱敏電阻通常在有限的溫度範圍內實現較高的精度,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n、p,迁移率分别为\mu_n、\mu_p,则半导体的电导为:

  \sigma=q(n\mu_n + p\mu_p)\,

因为n、p、\mu_n、\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。

假設,電阻和溫度之間的關係是線性的,則:\Delta R=k\Delta T \,

:\Delta R = 電阻變化
:\Delta T = 溫度變化
:k = 一階的電阻溫度係數

熱敏電阻可以依k值大致分為兩類:
*k為正值,電阻隨溫度上昇而增加,稱為正溫度係數(PTCPositive Temperature Coefficient)熱敏電阻。
*k為負值,電阻隨溫度上昇而減少,稱為負溫度係數(NTCNegative Temperature Coefficient)熱敏電阻。

此外還有一種临界温度热敏电阻(CTRCritical Temperature Resistance),在一定溫度範圍內,其電阻會有大幅的變化。

非熱敏電阻的一般電阻,其k一般都相當接近零,因此在一定的溫度範圍內其電阻值可以接近一定值。

有時熱敏電阻不用溫度係數k來描述,而是用電阻溫度係數\alpha_T來描述,其定義為
:\alpha_T = \frac{1}{R(T)} \frac{dR}{dT}.

此處的\alpha_T係數和以下的a參數是不同的。

斯坦哈特-哈特公式
在實務上,上述的線性近似只在很小溫度範圍下適用,若要考慮精密的溫度量測,需要更詳細的描述溫度-電阻曲線。是廣為使用的三階近似式:
:{1 \over T} = a + b\,\ln(R) + c\,(\ln(R))^3

其中abc稱為斯坦哈特-哈特參數,每個熱敏電阻有不同的參數,T是以開爾文表示的溫度,R是電阻,單位是歐姆,若要電阻以溫度的函數表示,可以整理為下式:
:R = e^{{\left( x - {1 \over 2}y \right)}^{1 \over 3} - {\left( x + {1 \over 2}y \right)}^{1 \over 3}}

其中
:\begin{align}
y &= {1 \over c}\left(a - {1 \over T}\right) \\
x &= \sqrt{\left(\frac{b}{3c}\right)^3 + \left(\frac{y}{2}\right)^2}
\end{align}

在二百度的範圍內,斯坦哈特-哈特公式的誤差多半小於0.02 °C。例如,室溫下(25 °C = 298.15 K)電阻值為3000 Ω的熱敏電阻,其參數為

:\begin{align}
a &= 1.40 \times 10^{-3} \\
b &= 2.37 \times 10^{-4} \\
c &= 9.90 \times 10^{-8}
\end{align}

NTC熱敏電阻的參數
NTC熱敏電阻的電阻值隨溫度的上昇而下降,也可以用B(或β)參數來描述其特性,其實就是參數為a = (1/T_{0}) - (1/B) \ln(R_{0}), b = 1/B及c = 0的。

:\frac{1}{T}=\frac{1}{T_0} + \frac{1}{B}\ln \left(\frac{R}{R_0}\right)

其中
*T:溫度,單位為K
*R0:為溫度T0 (25 °C = 298.15 K)時的電阻

求解R可得

:R=R_0e^{-B\left(\frac{1}{T_0} - \frac{1}{T}\right)}

或者

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

其中r_\infty=R_0 e^{-{B/T_0}}.

因此可以求解溫度為

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

B參數的方程也可以表示為\ln R=B/T + \ln r_\infty,可以得熱敏電阻溫度及電阻的方程式轉換為\ln R和1/T的線性方程式。由其平均斜率可以得到B參數的估計值。

歷史
第一個NTC熱敏電阻是法拉第在1833年研究硫化銀的半導體特性時發現的。法拉第注意到硫化銀的阻值隨著溫度上昇而大幅下降(這也是第一次對於半導體材料特性的記錄)

早期因為熱敏電阻不易生產,且應用的技術受限,商業化的使用一直到1930年代才開始。第一個在商業應用上可行的熱敏電阻是由Samuel Ruben在1930年發明。

應用領域

  • 溫度偵測
  • 電路開關
  • 湧流抑制
  • 马达延时启动
  • 过热保护

相關條目

  • 傳感器
  • 可變電阻
  • 光敏電阻
  • 聲敏電阻
  • 熱敏電阻溫度計
  • 热电偶

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参考文献
外部連結
*[https://web.archive.org/web/20041018121232/http://www.facstaff.bucknell.edu/mastascu/eLessonsHTML/Sensors/TempR.html The thermistor at bucknell.edu]
*[https://web.archive.org/web/20150202232140/http://thermistor.sourceforge.net/ Software for thermistor calculation at Sourceforge]
*[http://img.en25.com/Web/Vaisala/JVT%20KBull%20Article_final%20pdf.pdf "Thermistors & Thermocouples:Matching the Tool to the Task in Thermal Validation"] - Journal of Validation Technology

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