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NTC热敏电阻的常识

HOTKING 2019-03-27 17:29:55 热敏电阻特性 NTC热敏电阻

NTC热敏电阻是一种热敏电阻,按电阻温度系数不同,热敏电阻分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻两种。NTC代表“负温度系数”。NTC热敏电阻是具有负温度系数的电阻器,这意味着电阻随着温度的升高而降低。

什么是NTC热敏电阻?

NTC代表“负温度系数”。NTC热敏电阻是具有负温度系数的电阻器,这意味着电阻随着温度的升高而降低。它们主要用作电阻温度传感器和限流装置。温度灵敏度系数大约是硅温度传感器(硅氧化物)的五倍,是电阻温度检测器(RTD)的十倍。NTC传感器通常在-55°C至200°C的范围内使用。

热敏电阻探头
热敏电阻探头

当使用模拟电路精确测量温度时,NTC电阻器所呈现的电阻和温度之间的关系的非线性提出了巨大的挑战,但数字电路的快速发展解决了通过内插查找表或通过求解方程来计算精确值的问题近似于典型的NTC曲线。

NTC热敏电阻定义

NTC热敏电阻是一种热敏电阻,当电阻的核心温度在工作温度范围内增加时,其电阻呈现出大的,精确的和可预测的降低。

按电阻温度系数不同,热敏电阻分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻两种。在工作温度范围内,正温度系数热敏电阻的阻值随温度升高而急剧增大,负温度系数热敏电阻的阻值随温度升高而急剧减小。


NTC热敏电阻的特性

与由金属制成的RTD(电阻温度检测器)不同,NTC热敏电阻通常由陶瓷或聚合物制成。使用的不同材料导致不同的温度响应以及其他特性。

温度响应

虽然大多数NTC热敏电阻通常适合在-55°C至200°C的温度范围内使用,并且它们提供最精确的读数,但有一些特殊的NTC热敏电阻可用于接近绝对零度的温度(-273.15) °C)以及专门设计用于150°C以上的产品。

NTC传感器的温度灵敏度表示为“每摄氏度的百分比变化”。根据所用材料和生产工艺的具体情况,温度敏感度的典型值范围为每°C -3%至-6%。


NTC和RTD电阻 - 温度曲线
NTC和RTD电阻 - 温度曲线的比较

从图中可以看出,与铂合金RTD相比,NTC热敏电阻具有更陡的电阻 - 温度斜率,这转化为更好的温度灵敏度。即使如此,RTD仍然是最精确的传感器,其精度为测量温度的±0.5%,并且它们在-200°C和800°C之间的温度范围内使用,比NTC温度传感器的范围宽得多。

与其他温度传感器比较

与RTD相比,NTC具有更小的尺寸,更快的响应,更强的抗冲击和振动性能,并且成本更低。它们的精确度略低于RTD。与热电偶相比,两者的精度相似; 然而,热电偶可以承受非常高的温度(大约600°C)并且用于这种应用而不是NTC热敏电阻,在那里它们有时被称为高温计。即使如此,NTC热敏电阻在较低温度下比热电偶提供更高的灵敏度,稳定性和精度,并且使用更少的附加电路,因此总成本更低。由于不需要在处理RTD时经常需要的信号调理电路(放大器,电平转换器等),并且热电偶总是需要,因此成本进一步降低。

自热效应

自加热效应是在有电流流过NTC热敏电阻时发生的现象。由于热敏电阻基本上是一个电阻器,当电流流过它时,它会以热量的形式消耗功率。这种热量在热敏电阻芯中产生,并影响测量的精度。这种情况发生的程度取决于电流量,环境(无论是液体还是气体,NTC传感器上是否有任何流量等),热敏电阻的温度系数,热敏电阻的总和地区等。 NTC传感器的电阻以及因此通过它的电流取决于环境的事实通常用于液体存在检测器,例如存储罐中的那些。

热容量

热容量表示将热敏电阻的温度升高1℃所需的热量,通常用mJ /℃表示。当使用NTC热敏电阻传感器作为浪涌电流限制装置时,了解精确的热容量非常重要,因为它定义了NTC温度传感器的响应速度。

曲线选择和计算

仔细选择过程必须注意热敏电阻的耗散常数,热时间常数,电阻值,电阻 - 温度曲线和公差,以提及最重要的因素。

由于电阻和温度之间的关系(RT曲线)是高度非线性的,因此必须在实际系统设计中使用某些近似值。

一阶近似

一阶近似,也是最简单的使用,是一阶近似,它表明:一阶近似公式

其中k是负温度系数,ΔT是温度差,ΔR是由温度变化引起的电阻变化。该一阶近似仅适用于非常窄的温度范围,并且仅可用于在整个温度范围内k几乎恒定的温度。

Beta公式

另一个等式给出了令人满意的结果,在0°C至+ 100°C的范围内精确到±1°C。它取决于可通过测量获得的单一材料常数β。等式可以写成:

β方程式
β方程近似:R(T)= R(T0)* exp(Beta *(1 / T-1 / T0))

其中R(T)是开尔文温度T下的电阻,R(T 0)是温度T 0的参考点。Beta公式需要两点校准,在NTC热敏电阻的整个有用范围内,它通常不会比±5°C更精确。

Steinhart-Hart方程式

迄今已知的最佳近似值是1968年出版的Steinhart-Hart公式:

Steinhart方程式
用于精确近似的Steinhart方程

其中ln R是开尔文温度T下电阻的自然对数,A,B和C是从实验测量得到的系数。这些系数通常由热敏电阻供应商公布,作为数据表的一部分。Steinhart-Hart配方在-50°C至+ 150°C的温度范围内精确到±0.15°C左右,适用于大多数应用。如果要求更高的精度,则必须降低温度范围,并且可以在0°C至+ 100°C的范围内实现优于±0.01°C的精度。

选择正确的近似值

用于从电阻测量中获得温度的公式的选择需要基于可用的计算能力以及实际的公差要求。在某些应用中,一阶近似是绰绰有余,而在其他应用中,甚至Steinhart-Hart方程都不能满足要求,并且热敏电阻必须逐点校准,进行大量测量并创建查找表。

NTC热敏电阻的结构和性能

通常涉及制造NTC电阻器的材料是铂,镍,钴,铁和硅的氧化物,用作纯元素或陶瓷和聚合物。根据所使用的生产工艺,NTC热敏电阻可分为三组。

珠子热敏电阻

珠子热敏电阻

珠子热敏电阻

珠子形式这些NTC热敏电阻由直接烧结到陶瓷体中的铂合金引线制成。它们通常提供快速响应时间,更好的稳定性并允许在比Disk和Chip NTC传感器更高的温度下操作,但它们更脆弱。通常将它们密封在玻璃中,以保护它们在组装过程中免受机械损坏,并提高它们的测量稳定性。典型尺寸的直径范围为0.075 - 5mm。

磁盘和芯片热敏电阻

磁盘和芯片热敏电阻

磁盘和芯片热敏电阻

磁盘热敏电阻这些NTC热敏电阻具有金属化表面接触。它们更大,因此比珠型NTC电阻器具有更慢的反应时间。然而,由于它们的尺寸,它们具有更高的耗散常数(将温度升高1°C所需的功率),并且由于热敏电阻消耗的功率与电流的平方成正比,因此它们可以比珠子更好地处理更高的电流型热敏电阻。盘式热敏电阻是通过将氧化物粉末的混合物压制成圆形模具而制成的,然后在高温下烧结。芯片通常通过带式浇铸工艺制造,其中材料浆料作为厚膜展开,干燥并切成形状。典型尺寸的直径范围为0.25-25mm。

玻璃封装的NTC热敏电阻

玻璃封装的NTC热敏电阻

玻璃封装的NTC热敏电阻

这些是密封在气密玻璃泡中的NTC温度传感器。它们设计用于温度高于150°C的环境,或用于印刷电路板安装,必须坚固耐用。将热敏电阻封装在玻璃中可提高传感器的稳定性,并保护传感器免受环境影响。它们是通过将珠状NTC电阻密封在玻璃容器中而制成的。典型尺寸的直径范围为0.4-10mm。


典型应用

NTC热敏电阻用于广泛的应用。它们用于测量温度,控制温度和温度补偿。它们还可以用于检测液体的不存在或存在,作为电源电路中的限流装置,汽车应用中的温度监测等等。NTC传感器可分为三组,具体取决于应用中使用的电气特性。

电阻 - 温度特性

基于电阻 - 时间特性的应用包括温度测量,控制和补偿。这些还包括使用NTC热敏电阻的情况,使得NTC温度传感器的温度与一些其他物理现象有关。这组应用要求热敏电阻在零功率条件下工作,这意味着通过它的电流保持尽可能低,以避免加热探头。

当前时间特征

基于电流 - 时间特性的应用包括:时间延迟,浪涌电流限制,浪涌抑制等等。这些特性与所用NTC热敏电阻的热容量和耗散常数有关。由于电流通过,电路通常依赖于NTC热敏电阻的加热。在某一点上,它将触发电路中的某种变化,具体取决于使用它的应用。

电压 - 电流特性

基于热敏电阻的电压 - 电流特性的应用通常涉及环境条件或电路变化的变化,这导致电路中给定曲线上的工作点的变化。根据应用,它可用于电流限制,温度补偿或温度测量。

NTC热敏电阻符号

根据IEC标准,以下符号用于负温度系数热敏电阻。

NTC热敏电阻符号
NTC热敏电阻符号
IEC标准

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