热敏电阻

特性

　　PTC热敏电阻：PTC是Positive Temperature Coefficient 的缩写,意思是正的温度系数,泛指正温度系数很大的半导体材料或元器件。通常我们提到的PTC是指正温度系数热敏电阻,简称PTC热敏电阻。PTC热敏电阻是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻,超过一定的温度(居里温度)时,它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。

　　PTC热敏电阻组织结构和功能原理：陶瓷材料通常用作高电阻的优良尽缘体,而陶瓷PTC热敏电阻是以钛酸钡为基,掺杂其它的多晶陶瓷材料制造的,具有较低的电阻及半导特性.通过有目的的掺杂一种化学价较高的材料作为晶体的点阵元来达到的:在晶格中钡离子或钛酸盐离子的一部分被较高价的离子所替换,因而得到了一定数目产生导电性的自由电子.对于PTC热敏电阻效应,也就是电阻值阶跃增高的原因,在于材料组织是由很多小的微晶构成的,在晶粒的界面上,即所谓的晶粒边界(晶界)上形成势垒,阻碍电子越界进进到相邻区域中往,因此而产生高的电阻.这种效应在温度低时被抵消: 在晶界上高的介电常数和自发的极化强度在低温时阻碍了势垒的形成并使电子可以自由地活动.而这种效应在高温时,介电常数和极化强度大幅度地降低,导致势垒及电阻大幅度地增高,呈现出强烈的PTC效应。

　　PTC热敏电阻制造流程：将能够达到电气性能和热性能要求的混合物 (碳酸钡和二氧化钛以及其它的材料) 称量、混合再湿法研磨,脱水干燥后干压成型制成圆片形、长方形、圆环形、蜂窝状的毛坯。这些压制好的毛坯在较高的温度下(1400℃左右)烧结成陶瓷,然后上电极使其金属化,根据其电阻值分档检测.按照成品的结构形式钎焊封装或装配外壳,之后进行的全面检测 。

特点

　　热敏电阻的主要特点是：

　　①灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出10-6℃的温度变化；

　　②工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃（目前可达到2000℃），低温器件适用于-273℃～55℃；

　　③体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；

　　④使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择；

　　⑤易加工成复杂的形状，可大批量生产；

　　⑥稳定性好、过载能力强。

参数

　　额定零功率电阻 R25

　　零功率电阻，是指在某一温度下测量PTC热敏电阻值时，加在PTC热敏电阻上的功耗极低，低到因其功耗引起的PTC热敏电阻的阻值变化可以忽略不计。额定零功率电阻指环境温度25℃条件下测得的零功率电阻值。

　　居里温度 Tc

　　对于PTC热敏电阻的应用来说，电阻值开始陡峭地增高时的温度是重要的，我们将其定义为居里温度。居里温度对应的PTC热敏电阻的电阻 RTc = 2*Rmin。

　　温度系数 α

　　PTC热敏电阻的温度系数定义为温度变化导致的电阻的相对变化。温度系数越大， PTC热敏电阻对温度变化的反应越灵敏。 α = (lgR2-lgR1)/lge(T2-T1)

　　额定电压 VN

　　额定电压是在工作电压Vmax以下的供电电压。通常 Vmax = VN + 15[%]

　　击穿电压 VD

　　击穿电压是指PTC热敏电阻的电压承受能力。PTC热敏电阻在击穿电压以上时将会击穿失效。

　　表面温度 Tsurf

　　表面温度Tsurf是指当PTC热敏电阻在规定的电压下并且与周围环境间处于热平衡状态已达较长时间时，PTC热敏电阻表面的温度。

　　动作电流 Ik

　　流过PTC热敏电阻的电流，足以使PTC热敏电阻自热温升超过居里温度，这样的电流称为动作电流。 动作电流的最小值称为最小动作电流。

　　不动作电流 INk

　　流过PTC热敏电阻的电流，不足以使PTC热敏电阻自热温升超过居里温度， 这样的电流称为不动作电流。不动作电流的值称为不动作电流。

非线性问题

　　如果您打算在整个温度范围内均使用热敏电阻温度传感器件，那么该器件的设计工作会颇具挑战性。热敏电阻通常为一款高阻抗、电阻性器件，因此当您需要将热敏电阻的阻值转换为电压值时，该器件可以简化其中的一个接口问题。然而更具挑战性的接口问题是，如何利用线性 ADC 以数字形式捕获热敏电阻的非线性行为。

　　“热敏电阻”一词源于对“热度敏感的电阻”这一描述的概括。热敏电阻包括两种基本的类型，分别为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻。负温度系数热敏电阻非常适用于高精度温度测量。要确定热敏电阻周围的温度，您可以借助Steinhart-Hart公式：T=1/(A0+A1(lnRT)+A3(lnRT3))来实现。其中，T为开氏温度；RT为热敏电阻在温度T时的阻值；而 A0、A1和A3则是由热敏电阻生产厂商提供的常数。

　　热敏电阻的阻值会随着温度的改变而改变，而这种改变是非线性的，Steinhart-Hart公式表明了这一点。在进行温度测量时，需要驱动一个通过热敏电阻的参考电流，以创建一个等效电压，该等效电压具有非线性的响应。您可以使用配备在微控制器上的参照表，尝试对热敏电阻的非线性响应进行补偿。即使您可以在微控制器固件上运行此类算法，但您还是需要一个高精度转换器用于在出现极端值温度时进行数据捕获。

　　另一种方法是，您可以在数字化之前使用“硬件线性化”技术和一个较低精度的 ADC。(Figure 1)其中一种技术是将一个电阻RSER与热敏电阻RTHERM以及参考电压或电源进行串联（见图1）。将 PGA（可编程增益放大器）设置为1V/V，但在这样的电路中，一个10位精度的ADC只能感应很有限的温度范围（大约±25°C）。

　　Figure 1,请注意，在图1中对高温区没能解析。但如果在这些温度值下增加 PGA 的增益，就可以将 PGA 的输出信号控制在一定范围内，在此范围内 ADC 能够提供可靠地转换，从而对热敏电阻的温度进行识别。

　　微控制器固件的温度传感算法可读取 10 位精度的 ADC 数字值，并将其传送到PGA 滞后软件程序。PGA 滞后程序会校验 PGA 增益设置，并将 ADC 数字值与图1显示的电压节点的值进行比较。如果 ADC 输出超过了电压节点的值，则微控制器会将 PGA 增益设置到下一个较高或较低的增益设定值上。如果有必要，微控制器会再次获取一个新的 ADC 值。然后 PGA 增益和 ADC 值会被传送到一个微控制器分段线性内插程序。

　　从非线性的热敏电阻上获取数据有时候会被看作是一项“不可能实现的任务”。您可以将一个串联电阻、一个微控制器、一个 10 位 ADC 以及一个 PGA 合理的配合使用，以解决非线性热敏电阻在超过±25°C温度以后所带来的测量难题。