【導(dǎo)讀】NTC被稱為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，是由Mn-Co-Ni的氧化物充分混合后燒結(jié)而成的陶瓷材料制備而來，它在實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí)，還具有電阻值-溫度特性波動(dòng)小、對(duì)各種溫度變化響應(yīng)快的特點(diǎn)，可被用來做高靈敏度、高精度的溫度傳感器，在電子電路當(dāng)中也經(jīng)常被用作實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)控及溫度補(bǔ)償?shù)?。隨著本體的溫度升高，NTC的電阻阻值會(huì)呈非線性的下降，這個(gè)是NTC的特性。為了更好地利用該特點(diǎn)，在應(yīng)用前我們需要清楚地了解NTC的基本參數(shù)，本文將對(duì)此做出討論，希望在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中對(duì)電子研發(fā)工程師有一些幫助。
電阻－溫度特性
NTC熱敏電阻的電阻－溫度特性曲線如下圖：
通常我們用以下幾個(gè)參數(shù)來定義該曲線：
R25: 25℃時(shí)NTC本體的電阻值
B值：材料常數(shù)，是用來表示NTC在工作溫度范圍內(nèi)阻值隨溫度變化幅度的參數(shù)，與材料的成分和燒結(jié)工藝有關(guān)。另外NTC的B值會(huì)受溫度變化的影響，因此通常我們會(huì)選取曲線上兩個(gè)溫度點(diǎn)來計(jì)算。表示B值時(shí)要把選取的溫度點(diǎn)標(biāo)明，如B25/85。B值越大表明阻值隨溫度的升高降低得越快，B值越小則相反。如下圖：
ɑ值：所謂電阻溫度系數(shù)(α)，是指在任意溫度下溫度變化1°C時(shí)的零負(fù)載電阻變化率。電阻溫度系數(shù)(α)與B值的關(guān)系，可用下式表示：
這里α前的負(fù)號(hào)(－)，表示當(dāng)溫度上升時(shí)零負(fù)載電阻降低。
以上三個(gè)參數(shù)是我們?cè)谶x擇NTC時(shí)應(yīng)該初步了解的參數(shù)，下面我們對(duì)其他參數(shù)也做一些介紹。
散熱系數(shù)
散熱系數(shù)(δ)是指在熱平衡狀態(tài)下，熱敏電阻元件通過自身發(fā)熱使其溫度上升1°C時(shí)所需的功率。
在熱平衡狀態(tài)下，熱敏電阻的溫度T1、環(huán)境溫度T2及消耗功率P之間關(guān)系如下式所示。
規(guī)格中的數(shù)值一般為25°C靜止空氣條件下測(cè)定的典型值。
最大功率
在額定環(huán)境溫度下，可連續(xù)負(fù)載運(yùn)行的功率最大值, 也稱“額定功率”。
通常是以25°C為額定環(huán)境溫度、由下式計(jì)算出的值。
額定功率=散熱系數(shù)×（最高使用溫度－25°C）
對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度變化的熱響應(yīng)時(shí)間常數(shù)
指在零負(fù)載狀態(tài)下，當(dāng)熱敏電阻的環(huán)境溫度發(fā)生急劇變化時(shí)，熱敏電阻元件產(chǎn)生最初溫度與最終溫度兩者溫度差的63.2%的溫度變化所需的時(shí)間。熱敏電阻的環(huán)境溫度從T1變?yōu)門2時(shí)，經(jīng)過時(shí)間t與熱敏電阻的溫度T之間存在以下關(guān)系。
常數(shù)τ稱為熱響應(yīng)時(shí)間常數(shù)。
上式中，若令t=τ時(shí)，則(T-T1)/(T2-T1)=0.632。
換言之，如上面的定義所述，熱敏電阻產(chǎn)生初始溫度差63.2%的溫度變化所需的時(shí)間即為熱響應(yīng)時(shí)間常數(shù)。
經(jīng)過時(shí)間與熱敏電阻溫度變化率的關(guān)系如下表所示。
通常為下列測(cè)定條件下的典型值。 靜止空氣中環(huán)境溫度從25°C至85°C變化時(shí)，熱敏電阻的溫度變化至62.9°C所需時(shí)間。另外應(yīng)注意，散熱系數(shù)、熱響應(yīng)時(shí)間常數(shù)隨環(huán)境溫度、組裝條件而變化。
NTC的阻值公差及相應(yīng)的溫度公差
NTC的阻值公差在不同溫度下是不一樣的，如下面的計(jì)算公式，不同溫度下阻值公差受常溫下阻值R25公差和B值公差影響。阻值的變化如下面的曲線所示：
當(dāng)NTC用來做溫度檢測(cè)時(shí)，通常我們需要了解NTC可以支持的溫度公差，這樣我們就需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，用阻值公差除以ɑ溫度系數(shù)，公式如下：
NTC的R-T表
NTC的R-T表是電子工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)必須要得到的信息，表格是通過公式計(jì)算出來的， 所以溫度間隔可以自由設(shè)定，鑒于NTC檢測(cè)溫度的精度，通常溫度間隔設(shè)為1°C。例如下表：
NTC在電路中的應(yīng)用
在深入了解了NTC的基本參數(shù)后，我們?cè)賮砗?jiǎn)單看看如何在電路中使用NTC。
當(dāng)NTC用來做溫度檢測(cè)，監(jiān)控或者補(bǔ)償時(shí)，通常需要串聯(lián)一個(gè)電阻，阻值的選擇可根據(jù)需要重點(diǎn)檢測(cè)的溫度區(qū)域和流過的電流大小來決定，一般情況下會(huì)串聯(lián)一個(gè)和NTC常溫電阻值一樣的電阻，并且保證流過的電流要足夠小以免產(chǎn)生自熱，影響檢測(cè)精度。檢測(cè)到的信號(hào)是NTC電阻上的分壓，如果希望得到分壓與溫度的曲線更加線性，可以采用下面的電路。
通過調(diào)整Rs和Rp 就可以獲得更加線性的曲線，如下圖：
NTC 在使用中需要注意的事項(xiàng)如下
1.一定要加合適的串聯(lián)電阻，不然NTC使用的時(shí)候會(huì)發(fā)生熱崩潰，因?yàn)殡娏髁鬟^NTC會(huì)發(fā)熱，如果熱量不能及時(shí)耗散掉，NTC的溫度會(huì)升高，然后阻值下降，這時(shí)電流會(huì)顯著增加，NTC會(huì)變得更熱，這樣循環(huán)最終可能導(dǎo)致NTC被燒毀，甚至起火。
2.NTC的端部電極通常由Ag組成，在使用不當(dāng)時(shí)會(huì)發(fā)生銀遷移，導(dǎo)致NTC短路。使用中要避免NTC接觸到水。
3.焊接時(shí)的高溫會(huì)造成NTC不可逆的阻值漂移，一些情況下可能會(huì)造成5%的漂移，所以盡量避免高溫焊接。
4.NTC SMD是由陶瓷構(gòu)成，安裝時(shí)可能會(huì)造成斷裂，如下圖：
貼片NTC的結(jié)構(gòu)及比較
貼片NTC是目前市場(chǎng)上最常用的NTC封裝方式，由于生產(chǎn)工藝不同，其主流產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)主要分為以下三種。
1.厚膜貼片型，結(jié)構(gòu)如下：
用厚膜工藝+燒結(jié)而成，制造商主要是Tateyama，KOA等。
2.疊層貼片型，結(jié)構(gòu)如下：
先制備陶瓷薄片，然后疊加在一起，工藝與MLCC類似，帶有內(nèi)部電極，主要制造商有Murata, TDK等。
3.實(shí)心陶瓷貼片型，結(jié)構(gòu)如下：
工藝十分古老，陶瓷燒結(jié)成磚型，然后做精密的機(jī)械切割，最后做電極，主要制造商有EPCOS，Vishay等。
下面我們把三種產(chǎn)品做一個(gè)簡(jiǎn)單的性能比較，如下表：
厚膜工藝的貼片NTC是較新的工藝技術(shù)，但它在反應(yīng)速度，長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，可靠性方面的表現(xiàn)都優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，另外在價(jià)格上也十分具有優(yōu)勢(shì)，未來的應(yīng)用中可能會(huì)成為主流的應(yīng)用方案。
作者：開步呂工
作者：開步呂工
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