PTC熱敏電阻的特性和經(jīng)典應(yīng)用詳解

PTC 是 Positive Temperature Coefficient 的縮寫,意思是正的溫度系數(shù),泛指正溫度系數(shù)很大的 半導(dǎo)體材料或元器件.通常我們提到的 PTC 是指正溫度系數(shù)熱敏電阻,簡(jiǎn)稱 PTC熱敏電阻.PTC 熱敏電 阻是 一種典型具有溫度敏感性的半導(dǎo)體電阻,超過(guò)一定的溫度(居里溫度)時(shí),它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍 性的增高.

陶瓷材料通常用作高電阻的優(yōu)良絕緣體,而陶瓷 PTC 熱敏電阻是以鈦酸鋇為基,摻雜其它的多晶陶瓷 材料制造的,具有較低的電阻及半導(dǎo)特性.通過(guò)有目的的摻雜 一種化學(xué)價(jià)較高的材料作為晶體的點(diǎn)陣元來(lái) 達(dá)到的:在晶格中鋇離子或鈦酸鹽離子的一部分被較高價(jià)的離子所替代,因而得到了一定數(shù)量產(chǎn)生導(dǎo)電性的 自由電子.對(duì) 于 PTC 熱敏電阻效應(yīng),也就是電阻值階躍增高的原因,在于材料組織是由許多小的微晶構(gòu)成的, 在晶粒的界面上,即所謂的晶粒邊界(晶界)上形成勢(shì)壘,阻礙電 子越界進(jìn)入到相鄰區(qū)域中去,因此而產(chǎn)生高 的電阻.這種效應(yīng)在溫度低時(shí)被抵消: 在晶界上高的介電常數(shù)和自發(fā)的極化強(qiáng)度在低溫時(shí)阻礙了勢(shì)壘的形 成并使電子可以自由地流動(dòng).而這種效應(yīng)在高溫時(shí),介電常數(shù)和極化強(qiáng)度大幅度地降低,導(dǎo)致勢(shì)壘 及電阻大幅度地增高,呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的 PTC 效應(yīng).

電 阻-溫度特性通常簡(jiǎn)稱為阻溫特性，指在規(guī)定的電壓下，PTC 熱敏電阻零功率電阻與電阻體溫度之 間的依賴關(guān)系。零功率電阻,是指在某一溫度下測(cè)量 PTC 熱敏 電阻值時(shí),加在PTC 熱敏電阻上的功耗極低, 低到因其功耗引起的 PTC 熱敏電阻的阻值變化可以忽略不計(jì).額定零功率電阻指環(huán)境溫度 25℃條件下測(cè)得 的零功 率電阻值.

大,PTC 熱敏電阻對(duì)溫度變化的反應(yīng)就越靈敏，即 PTC 效應(yīng)越顯著，其相應(yīng)的 PTC 熱敏電阻的性能也就越 好， 使用壽命就越長(zhǎng)。PTC 熱敏電阻的溫度系數(shù)定義為溫度變化導(dǎo)致的電阻的相對(duì)變化. α =

(lgR2-lgR1)/(T2-T1)一般情況下，T1 取 Tc+15℃, T2 取 Tc+25℃來(lái)計(jì)算溫度系數(shù)。 Rmin : 最小電阻 , Tmin: Rmin時(shí)的溫度, RTc : 2 倍Rmin, Tc             : 居里溫度 電壓和電流的關(guān)系（V-I 特性）

電壓-電流特性簡(jiǎn)稱伏安特性，它展示了 PTC 熱敏電阻在加電氣負(fù)載達(dá)到熱平衡的情況下，電壓與電流 的相互依賴關(guān)系。

在 0-Vk 之間的區(qū)域稱為線性區(qū)，此間的電壓和電流的關(guān)系基本符合歐姆定律，不產(chǎn)生明顯的非線性 變化，也稱不動(dòng)作區(qū)。在 Vk-Vmax 之間的區(qū)域稱為躍變 區(qū)，此時(shí)由于 PTC 熱敏電阻的自熱升溫，電阻值產(chǎn) 生躍變，電流隨著電壓的上升而下降，所以此區(qū)也稱動(dòng)作區(qū)。在 VD 以上的區(qū)域稱為擊穿區(qū)，此時(shí)電流隨著 電壓 的上升而上升， PTC 熱敏電阻的阻值呈指數(shù)型下降，于是電壓越高，電流越大，PTC 熱敏電阻的溫度 越高，阻值越低，很快導(dǎo)致 PTC 熱敏電阻的熱擊穿。伏安特性是過(guò)載保護(hù) PTC 熱敏電阻的重要參考特性。 電流和時(shí)間的關(guān)系（I-t 特性）

電流-時(shí)間特性是指 PTC 熱敏電阻在施加電壓的過(guò)程中，電流隨時(shí)間變化的特性。開(kāi)始加電瞬間的電 流稱為起始電流，達(dá)到熱平衡時(shí)的電流稱為殘余電流。

一定環(huán)境溫度下,給 PTC 熱敏電阻加一個(gè)起始電流(保證是動(dòng)作電流),通過(guò) PTC 熱敏電阻的電流降低到 起始電流的 50%時(shí)經(jīng)歷的時(shí)間就是動(dòng)作時(shí)間.電流-時(shí)間特性是自動(dòng)消磁 PTC 熱敏電阻、延時(shí)啟動(dòng) PTC 熱敏 電阻、過(guò)載保護(hù) PTC 熱敏電阻的重要參考特性。

晶體管的主要參數(shù)，如電流放大倍數(shù)、基極-發(fā)射極電壓、集電極電流等，都與環(huán)境溫度密切相關(guān)。因 此，在晶體管電路中需要采取必要的溫度補(bǔ)償措施，才能獲得較高的穩(wěn)定性和較寬的使用環(huán)境溫度范圍。 采用 NTC 熱敏電阻器的晶體管溫度補(bǔ)償電路，普遍存在高溫（一般在 50℃以上）補(bǔ)償不足、輸入阻抗

圖(a)(b)(c) 為三種不同接法的晶體管基本補(bǔ)償電路，適用于不同的晶體管及工作電流，以求保證在較 寬的溫度范圍內(nèi)的最佳補(bǔ)償效果。此外，圖 2.1.1(b)和圖 2.1.1(c)除有穩(wěn)定工作電流的作用外， 還兼有 過(guò)熱過(guò)流保護(hù)的功能，即當(dāng)電流或環(huán)境溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，RT 阻值劇增，從而使使晶體管截止。

圖中為采用 PTC 熱敏電阻的晶體管放大電路。 圖中 RT 為 25℃時(shí)阻值 180Ω 的 PTC 熱敏電阻，當(dāng)環(huán)境 溫度變化時(shí)，其阻值隨之變化使晶體管發(fā)射極電壓呈反向變化，從而使集電極電流保持穩(wěn)定。

應(yīng)用二 測(cè)溫控溫電路 本測(cè)溫控溫電路適用于家用空調(diào)、電熱取暖器、恒溫箱、溫床育苗、人工孵化、農(nóng)牧科研等電熱設(shè)

本測(cè)溫控溫電路由溫度檢測(cè)、顯示、設(shè)定及控制等部分組成，見(jiàn)圖 2.2.1。圖中 D1~D4 為單電源四運(yùn) 放器 LM324 的四個(gè)單獨(dú)的運(yùn)算放大器。 RT1~RTn 為 PTC 感溫探頭，其用量取決于被測(cè)對(duì)象的容積。 RP1 用 于對(duì)微安表調(diào)零，RP2 用于調(diào)節(jié) D2 的輸出使微安表指滿度。S 為轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。

由 RT 檢測(cè)到的溫度信息， 輸入 D1 的反饋回路。 該信息既作為 D2 的輸入信號(hào)， 經(jīng) D2 放大后通過(guò) 微安表顯示被測(cè)溫度；又作為比較器 D4 的同相輸入信號(hào)，與 D3 輸出的設(shè)定基準(zhǔn)信號(hào)，構(gòu)成 D4 的差模輸入 電壓。

當(dāng)被控對(duì)象的實(shí)際溫度低于由 RP3 預(yù)設(shè)的溫度時(shí)，RT 的阻值較小，此時(shí) D4 同相輸入電壓的絕對(duì)值小 于反相輸入電壓的絕對(duì)值，于是 D4 輸出為高電位，從而使晶體管 V 飽和導(dǎo)通，繼電器 K 得電吸合常開(kāi)觸 點(diǎn) JK，負(fù)載 RL 由市電供電，對(duì)被控物進(jìn)行加熱。

當(dāng)被控對(duì)象的實(shí)際溫度升到預(yù)設(shè)值時(shí)， D4 同相輸入電壓的絕對(duì)值大于反相輸入電壓的絕對(duì)值， D4 的輸出為低電位，從而導(dǎo)致 V 截止，K 失電釋放觸點(diǎn) JK 至常開(kāi)，市電停止向 RL供電，被控物進(jìn)入恒溫階 段。 如此反復(fù)運(yùn)行，達(dá)到預(yù)設(shè)的控溫目的。

本測(cè)溫控溫電路選用 PTC 熱敏電阻為感溫元件，該元件在 0℃時(shí)的電阻值為 264Ω， 制作成溫度傳感 器探測(cè)頭，按圖 2.2.2 線化處理后封裝于護(hù)套內(nèi)，其電阻-溫度特性見(jiàn)圖 2.2.3.

線化后的 PTC 熱 敏電阻感溫探頭具有良好的線性，其平均靈敏度達(dá) 16Ω/℃左右。 如果采用數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng) 絡(luò)、與非門電路及數(shù)碼顯示器， 替代本電路的微安表顯示器，很容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離多點(diǎn)集中的遙測(cè)。繼電器

調(diào)試工作主要是調(diào)整指示器的零點(diǎn)和滿度指示。 先將 S 接通 R0，調(diào)節(jié) RP1 使微安表指零，于此同時(shí)， 調(diào)節(jié) RP4 使其阻值與 RP1 相同，以保持 D1 與 D4 的對(duì)稱性。然后將 S 接通 R1，調(diào)節(jié) RP2 使微安表指滿度。 最后，按 RT 的標(biāo)準(zhǔn)阻-溫曲線， 將 RP3 調(diào)到與設(shè)定溫度相應(yīng)的阻值，即可投入使用。

應(yīng)用三 過(guò)熱保護(hù)電路 生產(chǎn)中所用的自動(dòng)車床、電熱烘箱、球磨機(jī)等連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)電設(shè)備，以及其它無(wú)人值守的設(shè)備， 因?yàn)?/font>

電機(jī)過(guò)熱或溫控器失靈造成的事故時(shí)有發(fā)生，需要采取相應(yīng)的保安措施。PTC 熱敏電阻過(guò)熱保護(hù)電路能夠 方便、有效地預(yù)防上述事故的發(fā)生 。

圖 2.3.1 是以電機(jī)過(guò)熱保護(hù)為例，由 PTC 熱敏電阻和施密特電路構(gòu)成的控制電路。圖中，RT1、RT2、 RT3 為三只特性一致的階躍型 PTC 熱敏電阻 器，它們分別埋設(shè)在電機(jī)定子的繞組里。 正常情況下，PTC 熱 敏電阻器處于常溫狀態(tài)，它們的總電阻值小于 1KΩ。此時(shí)，V1 截止，V2 導(dǎo)通，繼電器 K 得電吸合常開(kāi)觸 點(diǎn)，電機(jī)由市電供電運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3.2 主要元器件選擇 PTC熱敏電阻的選型取決于電機(jī)的絕緣等級(jí)。通常按比電機(jī)絕緣等級(jí)相對(duì)應(yīng)的極限溫度低 40℃左右的

范圍選擇PTC熱敏電阻的居里溫度。例如，對(duì)于B1 級(jí)絕緣的電機(jī)，其極限溫度為 130℃，應(yīng)當(dāng)選居里溫度

90℃的PTC熱敏電阻。***（參數(shù)表 ? 過(guò)熱保護(hù)用PTC熱敏電阻）

繼電器 K 的選擇取決于電機(jī)的容量，圖 2.3.1 中的是 JRX-13F，觸點(diǎn)負(fù)載 0.5A，適合小型電機(jī)。RP 應(yīng)選 帶鎖緊機(jī)構(gòu)的電位器。

2.3.3 安裝與調(diào)試

推薦的安裝方式是將 PTC 熱敏電阻分別埋設(shè)在電機(jī)定子的繞組里。 調(diào)試方法是：將 PTC 熱敏電阻置于 恒溫箱中，設(shè)定溫度為 TK,調(diào)節(jié) RP 使 PTC 熱敏電阻在 TK-5℃時(shí)，VD2 不亮，K不動(dòng)作；在 TK+5℃時(shí)，VD2 燈亮，K 動(dòng)作。鎖緊 RP 即可。

應(yīng)用四 軸溫過(guò)熱保護(hù)電路 長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)電設(shè)備都離不開(kāi)軸承、軸瓦。因軸溫過(guò)熱引起的故障時(shí)有發(fā)生。采用軸溫過(guò)熱保護(hù)電

路可以有效地防止惡性事故的發(fā)生。

2.10.1 原理電路

圖 2.10.1 是軸溫過(guò)熱保護(hù)電路原理圖。在正常情況下，調(diào)節(jié) RP1 使 Ui<Uc/3,于是 IC 輸出為高電位， K 不動(dòng)作常閉觸點(diǎn)得到維持。隨著軸溫的升高，RT 受熱阻值增大，導(dǎo)致Ui≥2Uc/3,位置 7 的輸出由高電位 翻轉(zhuǎn)為低電位。于是 K 得電拉開(kāi)常閉觸點(diǎn)，切斷運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的電源，使軸承或軸瓦得到保護(hù)。

2.10.2 主要元器件選擇

PTC 熱敏電阻 RT 是軸溫過(guò)熱保護(hù)電路的關(guān)鍵元件，該元件的常溫電阻值≤500Ω。PTC 熱敏電阻器密封 在里面，并保證與外殼有良好的熱傳導(dǎo)及電絕緣。

2.10.3 安裝與調(diào)試

PTC 熱敏電阻探頭緊固在易于發(fā)熱超溫的部位，使其頭部與被控對(duì)象接觸良好，建議在空隙處填充導(dǎo) 熱硅脂，以改善熱傳導(dǎo)條件。

應(yīng)用五 液位控制電路 現(xiàn)有的金屬電極型液位監(jiān)控器，由于檢測(cè)信號(hào)是液位和液質(zhì)的函數(shù)，因此它的應(yīng)用范圍受到一定限制。本 液位控制電路是以 PTC 熱敏電阻作為液位傳感元件，配備適當(dāng)?shù)淖o(hù)套可以用于各類液體的液位控制。

2.17.1 原理電路

本液位控制電路 由檢測(cè)、控制及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。其工作原理如圖 2.17.1.圖中，CW140 為三端固定穩(wěn) 壓集成塊（輸入電路略）；兩只 PTC 熱敏電阻（RT1、RT2） 與 R1、R2 組成橋式液位檢測(cè)電路；TWH8778 電子開(kāi)關(guān)與繼電器 K 組成控制電路；由光電耦合器 4N25 提供觸發(fā)信號(hào)；K 的觸點(diǎn) Jk 與電磁閥組成執(zhí)行電 路。

在正常情況下，RT1、RT2 均處于液體中，電橋平衡 Uab 為零，于是 4N25 截止，TWH8778 及 K 不動(dòng)作， 觸點(diǎn) Jk 常開(kāi)，DF-1 關(guān)閉。當(dāng)液位下降到使 RT1 露出液面時(shí)，PTC 熱敏電阻阻值迅速增大，于是電橋失去平 衡，4N25 導(dǎo)通，并觸發(fā)⑤使 TWH8778 導(dǎo)通，K 得電吸合 Jk，DF-1 開(kāi)啟向儲(chǔ)液罐補(bǔ)充液體。當(dāng)液位上升到使 RT1 浸入液體時(shí)，其阻值迅速減小，電橋自動(dòng)平衡，4N25 截止，K 失電釋放 Jk，DF-1 關(guān)閉，停止輸入液體。

2.17.2 主要元器件選擇

RT1、RT2 是液位控制電路的關(guān)鍵部件。選擇居里溫度大于 60℃的 PTC 熱敏電阻。將其封裝在特制的探 頭中。

繼電器 K 的選擇取決于電磁閥的類型，這里以水電磁閥 DF-1 為例，選用了 JRX-18F 通用電磁繼電器.

2.17.3 安裝與調(diào)試

兩只 PTC 熱敏電阻器均安裝在液體罐的壁上。其中，RT1 裝在設(shè)定的上限液位處；RT2 裝在設(shè)定的下限 液位處。安裝前進(jìn)行調(diào)試，方法是：將 RT1、RT2 的傳感頭浸入液體中，調(diào)節(jié) RP 使 Uab 為零，指示燈 VD1 不亮。然后使 RT1 露出液面，調(diào)節(jié) R5 至 VD1 亮、Jk 吸合，DF-1 動(dòng)作。調(diào)試完畢后鎖緊 RP 及 R5，將 RT1、 RT2 安裝在設(shè)定的位置。

熱敏電阻應(yīng)用.pdf (293.37 KB, 下載次數(shù): 19)

2018-9-8 20:05 上傳

點(diǎn)擊文件名下載附件
下載積分: 黑幣 -5