熱敏電阻及其原理應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)表明，在工作溫度范圍內(nèi)，PTC熱敏電阻的電阻-溫度特性可近似用實(shí)驗(yàn)公式表示：

RT=RT0 expBp(T-T0)

熱敏電阻式中RT、RT0表示溫度為T(mén)、T0時(shí)電阻值，Bp為該種材料的材料常數(shù).

PTC效應(yīng)起源于陶瓷的粒界和粒界間析出相的性質(zhì)，并隨雜質(zhì)種類(lèi)、濃度、燒結(jié)條件等而產(chǎn)生顯著變化.最近，進(jìn)入實(shí)用化的熱敏電阻中有利用硅片的硅溫度敏感元件，這是體型小且精度高的PTC熱敏電阻，由n型硅構(gòu)成，因其中的雜質(zhì)產(chǎn)生的電子散射隨溫度上升而增加，從而電阻增加.

PTC熱敏電阻于1950年出現(xiàn)，隨后1954年出現(xiàn)了以鈦酸鋇為主要材料的PTC熱敏電阻。PTC熱敏電阻在工業(yè)上可用作溫度的測(cè)量與控制，也用于汽車(chē)某部位的溫度檢測(cè)與調(diào)節(jié)，還大量用于民用設(shè)備，如控制瞬間開(kāi)水器的水溫、空調(diào)器與冷庫(kù)的溫度，利用本身加熱作氣體分析和風(fēng)速機(jī)等方面.下面簡(jiǎn)介一例對(duì)加熱器、馬達(dá)、變壓器、大功率晶體管等電器的加熱和過(guò)熱保護(hù)方面的應(yīng)用。

PTC熱敏電阻除用作加熱元件外，同時(shí)還能起到“開(kāi)關(guān)”的作用，兼有敏感元件、加熱器和開(kāi)關(guān)三種功能，稱(chēng)之為“熱敏開(kāi)關(guān)”.電流通過(guò)元件后引起溫度升高，即發(fā)熱體的溫度上升，當(dāng)超過(guò)居里點(diǎn)溫度后，電阻增加，從而限制電流增加，于是電流的下降導(dǎo)致元件溫度降低，電阻值的減小又使電路電流增加，元件溫度升高，周而復(fù)始，因此具有使溫度保持在特定范圍的功能，又起到開(kāi)關(guān)作用.利用這種阻溫特性做成加熱源，作為加熱元件應(yīng)用的有暖風(fēng)器、電烙鐵、烘衣柜、空調(diào)等，還可對(duì)電器起到過(guò)熱保護(hù)作用.NTC

NTC(Negative Temperature CoeffiCient)是指隨溫度上升電阻呈指數(shù)關(guān)系減小、具有負(fù)溫度系數(shù)的熱

敏電阻現(xiàn)象和材料.該材料是利用錳、銅、硅、鈷、鐵、鎳、鋅等兩種或兩種以上的金屬氧化物進(jìn)行充分混合、成型、燒結(jié)等工藝而成的半導(dǎo)體陶瓷，可制成具有負(fù)溫度系數(shù)(NTC)的熱敏電阻.其電阻率和材料常數(shù)隨材料成分比例、燒結(jié)氣氛、燒結(jié)溫度和結(jié)構(gòu)狀態(tài)不同而變化.現(xiàn)在還出現(xiàn)了以碳化硅、硒化錫、氮化鉭等為代表的非氧化物系NTC熱敏電阻材料.

NTC熱敏半導(dǎo)瓷大多是尖晶石結(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)的氧化物陶瓷，具有負(fù)的溫度系數(shù)，電阻值可近似表示為：

Rt = RT *EXP(Bn*(1/T-1/T0)

式中RT、RT0分別為溫度T、T0時(shí)的電阻值，Bn為材料常數(shù).陶瓷晶粒本身由于溫度變化而使電阻率發(fā)生變化，這是由半導(dǎo)體特性決定的.

NTC熱敏電阻器的發(fā)展經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的階段.1834年，科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了硫化銀有負(fù)溫度系數(shù)的特性.1930年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)氧化亞銅-氧化銅也具有負(fù)溫度系數(shù)的性能，并將之成功地運(yùn)用在航空儀器的溫度補(bǔ)償電路中.隨后，由于晶體管技術(shù)的不斷發(fā)展，熱敏電阻器的研究取得重大進(jìn)展.1960年研制出了N1C熱敏電阻器.NTC熱敏電阻器廣泛用于測(cè)溫、控溫、溫度補(bǔ)償?shù)确矫?下面介紹一個(gè)溫度測(cè)量的應(yīng)用實(shí)例.

它的測(cè)量范圍一般為-10～+300℃，也可做到-200～+10℃，甚至可用于+300～+1200℃環(huán)境中作測(cè)溫用.RT為NTC熱敏電阻器;R2和R3是電橋平衡電阻;R1為起始電阻;R4為滿(mǎn)刻度電阻，校驗(yàn)表頭，也稱(chēng)校驗(yàn)電阻;R7、R8和W為分壓電阻，為電橋提供一個(gè)穩(wěn)定的直流電源.R6與表頭(微安表)串聯(lián)，起修正表頭刻度和限制流經(jīng)表頭的電流的作用.R5與表頭并聯(lián)，起保護(hù)作用.在不平衡電橋臂(即R1、RT)接入一只熱敏元件RT作溫度傳感探頭.由于熱敏電阻器的阻值隨溫度的變化而變化，因而使接在電橋?qū)蔷€間的表頭指示也相應(yīng)變化.這就是熱敏電阻器溫度計(jì)的工作原理.

熱敏電阻器溫度計(jì)的精度可以達(dá)到0.1℃，感溫時(shí)間可少至10s以下.它不僅適用于糧倉(cāng)測(cè)溫儀，同時(shí)也可應(yīng)用于食品儲(chǔ)存、醫(yī)藥衛(wèi)生、科學(xué)種田、海洋、深井、高空、冰川等方面的溫度測(cè)量.

CTR

熱敏電阻臨界溫度熱敏電阻CTR(CritiCal Temperature Resistor)具有負(fù)電阻突變特性，在某一溫度下，電阻值隨溫度的增加激劇減小，具有很大的負(fù)溫度系數(shù).構(gòu)成材料是釩、鋇、鍶、磷等元素氧化物的混合燒結(jié)體，是半玻璃狀的半導(dǎo)體，也稱(chēng)CTR為玻璃態(tài)熱敏電阻.驟變溫度隨添加鍺、鎢、鉬等的氧化物而變.這是由于不同雜質(zhì)的摻入，使氧化釩的晶格間隔不同造成的.若在適當(dāng)?shù)倪€原氣氛中五氧化二釩變成二氧化釩，則電阻急變溫度變大;若進(jìn)一步還原為三氧化二釩，則急變消失.產(chǎn)生電阻急變的溫度對(duì)應(yīng)于半玻璃半導(dǎo)體物性急變的位置，因此產(chǎn)生半導(dǎo)體-金屬相移.CTR能夠作為控溫報(bào)警等應(yīng)用.

熱敏電阻的理論研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)已取得了引人注目的成果.隨著高、精、尖科技的應(yīng)用，對(duì)熱敏電阻的導(dǎo)電機(jī)理和應(yīng)用的更深層次的探索，以及對(duì)性能優(yōu)良的新材料的深入研究，將會(huì)取得迅速發(fā)展.