熱敏電阻之探討,熱敏電阻的種類、應用和發展-華巨電子


     溫度傳感器,是各類消費性電子、玩具、家用電器、工業測量產品以及個人計算機 必須具備之量測設備,而熱敏電阻則是最容易取得的溫度感測組件。


    熱敏電阻能因環境溫度高低而改變電阻器值大小。如果我們能了解它的特 性,改進它的缺點,減少讀取溫度誤差加強其準確度,將可減少電路損壞,不僅 可降低廠商成本,更可拓展其應用領域,廣泛應用在電子、信息、通訊、家電、 汽車、生醫、航天等相關產業。

    在我們的日常生活中許多電器及電子產品都使用了保險絲或保護組件,作用是保 護產品及避免造成危險。上基礎電子學實習課時,老師告訴我們熱敏電阻對溫度 非!胳`敏」,如果我們能利用熱敏電阻的特性感應熱源,當電流或電壓出現不 正常狀況時,能夠自動將過高電壓降至安全值,那么許多電子產品就能快速測量 目前的熱度并能適時關閉電源或打開抽風機或發出警示,就不會有火警發生,產 品的零件就不會受到損壞,百姓的生命財產就能受到保障,制造商也就不必擔心 巨額賠償問題。


二、研究目的


1、探討熱敏電阻之種類及特性。

2、如何將熱敏電阻應用于日常生活中。

3、探討未來發展之趨勢。


三、研究方法


1、何謂熱敏電阻


熱敏電阻(Thermistor,Thermal Resistor 之縮寫,簡稱 TSR), 它是一種對溫度(熱) 相當敏感的電阻,主要功能都是提供斷電功能,類似于保險絲,與保險絲的差別在于,保險絲在電流過大而斷電后無法恢復通電功能,需要更換新的保險絲;熱敏電阻因電流異常而斷電后,若電流及溫度再次回復正常,即會自動恢復通電功 能,不必更換零件即可重復使用,達到保護電子組件之目的。


2、熱敏電阻之種類及特性 熱敏電阻是一種電阻值對溫度極為敏感的半導體組件,因材質不同,它可分為正溫度系數(PTC, Positive Temperature Coefficient)及負溫度系數(NTC, NegativeTemperature Coefficient)熱敏電阻兩種。


A、正溫度系數(PTC)


依其所使用原料可分為陶瓷正溫度系數(CPTC,Ceramic PTC)熱敏電阻及高分子 正溫度系數(PPTC,Polymeric PTC)熱敏電阻兩類(如圖一)。

CPTC 熱敏電阻是由鈦酸鋇、二氧化鈦等材料添加少量稀土元素經高溫燒制成, 這種組件于某段溫度范圍會維持穩定的低電阻值,直至溫度高于材料承受的溫度 時,其阻值就會大幅增加。


PPTC 熱敏電阻主要是由聚乙稀及具導電性的碳黑微粒所制成。當有過大電流流 過該器件時,它會因發熱而膨脹;其膨脹將使碳微粒分散開,阻抗增加。這使器 件更快地發熱并膨脹得更大,阻抗再次增加,使電路中的電流明顯地減少。當電 源和故障解除后,它將收縮到其原來的形狀,并恢復為低阻抗狀態。

PPTC 熱敏電阻與 CPTC熱敏電阻都是可重復使用的過電流保護組件,電阻器值 會隨著溫度上升而上升。常用來偵測電器用品過熱現象或溫度檢測,已被廣泛使 用在日常生活中(如電冰箱的溫度控制和自動除霜、彩色電視機映像管自動消磁等)。

圖一    正溫度系數(PTC)熱敏電阻器


 

B、 負溫度系數(NTC)

NTC 是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為材料制造的半導體陶瓷組件,因這些 金屬氧化物材料都具有半導體性質,其導電方式類似鍺、硅等半導體,在溫度低 時,這些氧化物材料的載流子(電子)數目較少,所以電阻值較高;隨著溫度上升, 載流子數目增加,電阻值隨之下降(如圖二)。

根據用途不同,NTC熱敏電阻器之形狀區分為圓球型、圓片型、棒球型、二極 管型或片式等形狀。大部分都具有高耐熱性、高可靠性、高精度。常用來作為溫 度測定、溫度控制或電路的溫度補償。

 

3、使用熱敏電阻之注意事項

A、自熱問題 由于熱敏電阻器是一個電阻器,電流流過它時會產生一定的熱量,因此電路設計人員應確保串聯電阻器足夠大,以防止熱敏電阻器自熱過度,否則系統測量的是熱敏電阻器發出的熱,而不是周圍環境的溫度。

B、 熱跑脫(Thermal runaway)現象 例如使用NTC的時候,電阻隨溫度上升而下降,將使流經NTC的電流增加,此時NTC的功率損耗  ( P = I 2 R )  電流便以平方倍使功率損耗快速增加,功率損耗增加 后,產生的熱效應變大,溫度就隨之上升,使得NTC的的電阻值再次下降,電流 接著又增加,如此循環(如圖三),最后因超過NTC負荷之瓦特數而燒掉。

 

 

C、 累積誤差



 

熱敏電阻器的電阻會隨溫度而變化。為求準確度,設計電路時要注意組件的精度,包括電阻器、參考電壓及熱敏電阻器本身,仔細算出所有組件的累積誤差, 以便和熱敏電阻器的精度相配合。



D、非線性的溫度曲線 在所有被動式溫度感測組件中,熱敏電阻器的靈敏度(即溫度每變化 1 度時,電阻器的變化量)最高,但熱敏電阻器的電阻器一溫度曲線是非線性的(如圖四),所以誤差比較大。目前熱敏電阻已大量生產且價格便宜,使用熱敏電阻之前,必 須先做好非線性修正(如圖五),再使用于感測系統中。

 

 

E、 反應速度不同

圖六為 4 種不同型號的熱敏電阻器的電阻器之反應速度曲線。不同型號的熱敏電 阻器因溫度不同,所造成的電阻器變化速度亦不同,故必須因應不同的用途,選擇不同型號的熱敏電阻器。

 

4、熱敏電阻之應用 A、保護組件 例如高分子正溫度系數熱敏電阻(PPTC)是利用特殊的高分子混合導電的顆粒而形成導電高分子,在正常的環境溫度下,材料內部的導電顆粒含形成低阻抗的 結構(如圖七),當溫度上升至材料的轉換溫度以上時,高分子的結構由結晶狀態 變成非結晶態,并伴隨著體積增加使導電顆粒分開而使阻抗急遽增高(如圖八)。

 

圖九為 PPTC 熱敏電阻之阻值隨溫度變化圖,當電路中電流突然增加, PPTC 熱敏電阻溫度亦隨之上升,當溫度上升超過轉折溫度(Tt)時,急遽增加的阻抗可限 制突波電流的大小,進而達到保護組件的目的。

 

B、 溫度補償

因負溫度系數熱敏電阻(NTC)的電阻值可以隨溫度的上升而下降,將負溫度系數 熱敏電阻放入電路,如圖十。 沒有負溫度系數熱敏電阻前之電路總阻值含隨溫度上升 (Rc)   ,而加上負溫度系數 熱敏電阻做補償后,電路總阻值 RTotal 不隨溫度改變而有明顯變化(如圖十一)。

 


 

 

C、 突波保護


圖十一    NTC熱敏電阻


在開關的瞬間,負溫度系數熱敏電阻吸收了突波電流,也限 制了流過電器的電流大小而保護了電器,當負溫度系數熱敏電阻因吸收電流而發熱后,阻值立刻下 降,使大多數的功率釋放出來而流入電器,如圖十二,如果電器沒有加裝負溫度 系數熱敏電阻,則開關瞬間,設備很可能因瞬間大功率而燒毀。故可利用 NTC 熱敏電阻與電路中之電器串聯(如圖十三),防止熔絲的熔斷與保護電子線路及 其它電子組件。

 

D、液位傳感器

 

當電流增加,NTC 熱敏電阻產生的熱使組件本身的溫度上升,并與環境進行熱 交換。液位傳感器,是利用 NTC 熱敏電阻在液體和空氣中的熱散失差異,當電 流增加,NTC 熱敏電阻通以電流后產生焦耳熱而升溫,其熱量傳導至周圍介質, 平衡溫度將隨介質種類而不同。利用此方法可檢知 NTC 熱敏電阻在液體中或空 氣中,以適時啟動警示燈。


5、熱敏電阻未來發展之趨勢

A、 芯片化、小型化、低阻值、低消耗功率是未來發展之主流 目前熱敏電阻依產品外型大致可分為芯片型及插腳型兩大類,市場上大都用插腳型,雖然插腳型在突波耐量上較芯片型產品具有優勢,但是體積輕薄短小及省電 是主板、通訊、消費性電子等產品發展之方向,所以芯片化、小型化及提高產 品突波耐量是未來市場發展之趨勢。



B、 市場競爭激烈、生產外移 在網路上看到臺灣有很多廠家在生產熱敏電阻,可見市場的競爭非常激烈,所以產品的價格亦愈來愈便宜。廠商為了增加其競爭力,務必會降低成本,所以生產線外移或將產能外包至低生產成本國家生產,是必然趨勢。



參●結論



 

一、熱敏電阻器的種類及特性



1、正溫度系數(PTC)熱敏電阻,其阻值隨著溫度上升而上升。

 

2、負溫度系數(NTC)熱敏電阻,其阻值隨著溫度上升而下降。



 

二、使用熱敏電阻器須注意的地方



1、注意電流量 熱敏電阻器有自熱效應,加在熱敏電阻器上的電壓不可太高,避免誤差產 生,所以只能用微弱電流驅動。

2、注意自熱現象不可將 PTC 熱敏電阻器與其它組件串聯來獲得更高的電壓或功率,因自熱 現象,會使兩端電壓過高,導致熱敏電阻器的擊穿。

3、熱敏電阻的保護方法 不可將無保護之熱敏電阻器用于導電液體或浸蝕在還原氣體中,因為會使 熱敏電阻器之特性發生變化。

 

4、熱敏電阻的靈敏度 熱敏電阻器可以并聯電阻器使用,以改善熱敏電阻器對溫度的變化曲線的 線性度,但是電阻器的變化量將減少,使得靈敏度降低。



 

三、熱敏電阻器的應用



1、利用電阻-溫度特性,來測量溫度、控制溫度和組件、電路的溫度補償。

2、利用非線性特性,完成穩壓、限幅、開關、過流保護作用。

3、利用不同媒質中熱耗散特性的差異,測量流量、流速、液面、熱導、真空 度等。

4、目前已被廣泛應用于日常生活中(如圖十五),例如計算機主板及相關組件、 計算機外設產品、鋰電池、鎳氫電池、通訊電子產品、汽車電路、大小家用 電器(如空調、冰箱、電磁爐、烘烤爐、電烤箱、微波爐、電風扇、電熱水 器、飲水機、照明電器等)以及其它工業產品之測控溫和電流過載保護。

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