什么是NTC热敏电阻、原理及作用

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什么是NTC热敏电阻、原理及作用

什么是NTC热敏电阻？

NTC热敏电阻是以Negative Temperature Coefficient的首字母缩写命名的热敏电阻。通常，“热敏电阻”一词指代的就是NTC热敏电阻。1833年，当时正在研究硫化银半导体的迈克尔·法拉第将其发现，塞缪尔·鲁本于20世纪30年代实现其商业化。NTC热敏电阻是一种由锰（Mn）、镍（Ni）和钴（Co）组成的氧化物半导体陶瓷。 它在我们的生活中随处可见。由于阻值随温度的升高而降低的特性，它不仅被用作温度计、空调中的温度感应装置，抑或是智能手机、热水壶及熨斗中的温度控制装置，还被用于电源设备中的电流控制。最近，随着车辆电动化程度的提高，热敏电阻也越来越多地被用于车载产品。  

工作原理

通常，金属的阻值随着温度的升高而增加。这是由于，热加剧了晶格振动，自由电子的平均移动速度随之降低。 与之相对，半导体中自由电子和空穴由于热的传导而增加，该部分的比例大于速度减小的部分的比例，故电阻值减小。 此外，由于半导体内能带间隙的存在，当被外部加热时，价带中的电子移动到导带上并进行导电。也就是说，电阻值会随着温度的升高而降低。

图1 : 半导体的导电性

用途

负温度系数（NTC）热敏电阻随温度变化，电阻值会产生3～5%/°C的变化。它经常作为一般的温度传感器用于电子设备中。 例，智能手机。
在使用智能手机时，您有“手机怎么变热了”这样的经历么?
可以说薄且高功能的智能手机就是一台小型电脑。但由于手机没有安装电脑的散热风扇等，因此机身会变热。所以，对热很敏感的精密元件可能会有损坏的危险。 在此，负温度系数（NTC）热敏电阻登场！
运用负温度系数（NTC）热敏电阻测量智能手机内部的温度，再使用这一温度信息对温度进行各种控制。    

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NTC热敏电阻基本特性

电阻-温度特性（R-T特性）

NTC热敏电阻的电阻值是在有足够低的自热（由于施加的电流而产生的热）的电流下测量的。作为标准，建议使用最大工作电流。
并且，电阻值需要与温度成对表示。

特性曲线由以下公式描述。

图1 : NTC热敏电阻的R-T特性

B常数

B常数是表征NTC热敏电阻的单个值。B常数的调节总是需要两点。B常数描述了两个点的斜率。
如果选择的两点不同，B常数也会不同，所以比较时请注意。（见图2）

图2 : 2点选择的不同B常数

将上式（参考电阻 − 温度特性）变形后

如图3所示，1/T（T为绝对温度）与阻值成对数比例关系。可以看出，该关系近似于直线。

图3 : 横轴为1/T的温度特性

伏安特性（V-I特性）

NTC热敏电阻的V-I特性如图4所示。

图4 : NTC热敏电阻的V-I特性

在电流较小的区域中，随着电流的逐渐上升，欧姆接触的电压也逐渐上升。通过从热敏电阻表面和其它部位散热，电流流经造成的自发热不会造成电阻温度的升高。
然而，当发热量较大时，热敏电阻自身的温度上升，电阻值减小。在这样的区域中，电流与电压之间的比例关系不再成立。

通常，在自发热尽可能低的区域范围内使用热敏电阻。作为标准，建议工作电流保持在最大工作电流以下。

在超过电压顶点的区域中使用，可能会导致重复发热和电阻值降低等热失控反应，造成热敏电阻发红、破损，请避免在该范围使用。

电阻温度系数（α）

NTC热敏电阻在单位温度下的变化率为温度系数，由以下公式计算。

Ex）靠近50°C，B常数为3380K时

由此，电阻温度系数由下所示。

热耗散常数（δ）

环境温度为T1的情况下，当热敏电阻消耗电功率P（mw）后其温度变为T2，则以下的公式成立。

热耗散常数δ是指在自发热条件下提高1°C温度所需的功率。

热耗散常数δ由“功耗导致的自热”和“散热”之间的平衡来决定，因此根据热敏电阻工作环境的不同而变化显著。

Murata定义了“单位元件的热耗散常数”这一概念。

图5 : 贴片NTC热敏电阻的散热状态热时间常数（τ）

当一个保持在温度T0的热敏电阻突然被改变到环境温度T1时，它改变到目标温度T1所需的时间被称为热时间常数（τ）。通常，该值是指达到T0和T1之间温差的63.2%所需的时间。

当保持在一个温度（T0）的热敏电阻暴露在另一个温度（T1）时，温度是呈指数变化的，经过时间（t）时的温度（T）表示如下。

这就是为什么τ被规定为达到63.2%温差的时间。

图6 : NTC热敏电阻的热时间常数
 

最大电压（Vmax）

可直接施加到热敏电阻的最大电压。当施加的电压超过最大电压时会造成产品性能恶化甚至毁坏。
此外，由于自发热，元件的温度上升。需要注意元件的温度不能超过工作温度范围。

图7 : NCU15型最大电压降额

最大工作电流（Iop）、最大工作电压（Vop）

Murata将最大工作电流、最大工作电压定义为施加时自发热为0.1℃的电流和电压。参考该值，热敏电阻能够实现更准确的测温。

故施加电流 /电压超过最大工作电流 / 电压时并不会造成热敏电阻的性能退化。但请注意元件的自发热会带来检测上的误差。

图8 : 散热差异导致的最大工作电流 / 电压的变化

如何计算最大工作电流

计算最大工作电流时，需要使用单位元件定义的热耗散常数（1mW/°C）。热耗散常数表示散热的程度，但散热状态随工作环境的不同有较大的差异。

其中工作环境包括基板的材料，厚度，结构，焊接区域尺寸，热板接触，树脂封装等。单位元件定义的使用，排除了环境的干扰因素。

而根据经验来看，实际使用中的热耗散常数约为单位元件的3～4倍。假设，实际的热耗散常数为3.5倍，那么最大工作电流如图中蓝色曲线所示。与1mW/°C的情况相比，现在是1.9倍（√3.5倍）。

零负载电阻值

在自发热可忽略不计的电流（电压）下测量的电阻值。作为标准，建议使用最大工作电流。

图9 : Murata的电阻值测量方法

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NTC热敏电阻测温回路

电路图

输出电压可能因NTC热敏电阻接线图而异。

可在以下URL中进行模拟。

SimSurfing : NTC Thermistor Simulator（murata.co.jp）

图1 : 电阻接地和热敏电阻接地电路的输出特性

R1（分压电阻）、R2（并联电阻）、R3（串联电阻）的调整

输出电压可根据线路图而变化。

图2 : R值的调整和输出特性的变化

审核编辑：黄飞