NTC負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻工作原理

    NTC是Negative Temperature Coefficient 的縮寫，意思是負(fù)的溫度系數(shù)，泛指負(fù)溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件，所謂NTC熱敏電阻器就是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器。它是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料， 采用陶瓷工藝制造而成的。這些金屬氧化物材料都具有半導(dǎo)體性質(zhì)，因?yàn)樵趯?dǎo)電方式上完全類似鍺、硅等半導(dǎo)體材料。溫度低時(shí)，這些氧化物材料的載流子（電子和孔穴）數(shù)目少，所以其電阻值較高；隨著溫度的升高，載流子數(shù)目增加，所以電阻值降低。NTC熱敏電阻器在室溫下的變化范圍在10O~1000000歐姆，溫度系數(shù)-2%~-6.5%。NTC熱敏電阻器可廣泛應(yīng)用于溫度測量、溫度補(bǔ)償、抑制浪涌電流等場合。

    NTC負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻專業(yè)術(shù)語

    在家電開發(fā)研制領(lǐng)域里，工程人員在運(yùn)用熱敏電阻的過程中，有時(shí)對一些主要參數(shù)的細(xì)節(jié)產(chǎn)生歧義，原因之一是某些參數(shù)的定義和內(nèi)容缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。隨著國家標(biāo)準(zhǔn)《直熱式負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（第一部分：總規(guī)范）》GB/T 6663.1-2007/IEC 60539-1:2002（以下簡稱“國標(biāo)”）的實(shí)施（07年9月1日），情況開始有所改變。國內(nèi)熱敏電阻器生產(chǎn)家都應(yīng)當(dāng)按照“國標(biāo)”標(biāo)注熱敏電阻的參數(shù)，使用者也可以根據(jù) “國標(biāo)”向廠家索取熱敏電阻的參數(shù)。

    零功率電阻值 RT（Ω）
RT指在規(guī)定溫度 T 時(shí)，采用引起電阻值變化相對于總的測量誤差來說可以忽略不計(jì)的測量功率測得的電阻值。
電阻值和溫度變化的關(guān)系式為：
                             RT = RN expB(1/T – 1/TN)
RT ： 在溫度 T （ K ）時(shí)的 NTC 熱敏電阻阻值。
RN ： 在額定溫度 TN （ K ）時(shí)的 NTC 熱敏電阻阻值。
T  ： 規(guī)定溫度（ K ）。
B  ： NTC 熱敏電阻的材料常數(shù)，又叫熱敏指數(shù)。
exp： 以自然數(shù) e 為底的指數(shù)（ e = 2.71828 …）。
該關(guān)系式是經(jīng)驗(yàn)公式，只在額定溫度 TN 或額定電阻阻值 RN 的有限范圍內(nèi)才具有一定的精確度，因?yàn)椴牧铣?shù)B 本身也是溫度 T 的函數(shù)。

    額定零功率電阻值 R25 （Ω）
根據(jù)國標(biāo)規(guī)定，額定零功率電阻值是 NTC 熱敏電阻在基準(zhǔn)溫度 25 ℃ 時(shí)測得的電阻值 R25，這個(gè)電阻值就是NTC 熱敏電阻的標(biāo)稱電阻值。通常所說 NTC 熱敏電阻多少阻值，亦指該值。

    材料常數(shù)（熱敏指數(shù)） B 值（ K ）
B 值被定義為：
                     
RT1 ： 溫度 T1 （ K ）時(shí)的零功率電阻值。
RT2 ： 溫度 T2 （ K ）時(shí)的零功率電阻值。
T1、T2 ：兩個(gè)被指定的溫度（ K ）。
對于常用的 NTC 熱敏電阻， B 值范圍一般在 2000K ～ 6000K 之間。

    零功率電阻溫度系數(shù)（αT ）
在規(guī)定溫度下， NTC 熱敏電阻零動功率電阻值的相對變化與引起該變化的溫度變化值之比值。
                   
αT ： 溫度 T （ K ）時(shí)的零功率電阻溫度系數(shù)。
RT ： 溫度 T （ K ）時(shí)的零功率電阻值。
T  ： 溫度（ T ）。
B  ： 材料常數(shù)。

    耗散系數(shù)（δ）
在規(guī)定環(huán)境溫度下， NTC 熱敏電阻耗散系數(shù)是電阻中耗散的功率變化與電阻體相應(yīng)的溫度變化之比值。
                           
δ： NTC 熱敏電阻耗散系數(shù)，（ mW/ K ）。
△ P ： NTC 熱敏電阻消耗的功率（ mW ）。
△ T ： NTC 熱敏電阻消耗功率△ P 時(shí)，電阻體相應(yīng)的溫度變化（ K ）。

    熱時(shí)間常數(shù)(τ)
在零功率條件下， 當(dāng)溫度突變時(shí)， 熱敏電阻的溫度變化了始未兩個(gè)溫度差的 63.2% 時(shí)所需的時(shí)間， 熱時(shí)間常數(shù)與 NTC 熱敏電阻的熱容量成正比，與其耗散系數(shù)成反比。
                             
τ： 熱時(shí)間常數(shù)（ S ）。
C： NTC 熱敏電阻的熱容量。
 δ： NTC 熱敏電阻的耗散系數(shù)。

    額定功率Pn
在規(guī)定的技術(shù)條件下，熱敏電阻器長期連續(xù)工作所允許消耗的功率。在此功率下，電阻體自身溫度不超過其最高工作溫度。

    最高工作溫度Tmax
在規(guī)定的技術(shù)條件下，熱敏電阻器能長期連續(xù)工作所允許的最高溫度。即:
                             
T0-環(huán)境溫度。

    測量功率Pm
熱敏電阻在規(guī)定的環(huán)境溫度下，阻體受測量電流加熱引起的阻值變化相對于總的測量誤差來說可以忽略不計(jì)時(shí)所消耗的功率。
一般要求阻值變化大于0.1%，則這時(shí)的測量功率Pm為： 
                               

    電阻溫度特性
NTC熱敏電阻的溫度特性可用下式近似表示：
式中：
RT：溫度T時(shí)零功率電阻值。
 A：與熱敏電阻器材料物理特性及幾何尺寸有關(guān)的系數(shù)。　
 B：B值。
 T：溫度（k）。
更精確的表達(dá)式為：
                          
式中：
RT：熱敏電阻器在溫度T時(shí)的零功率電阻值。
 T：為絕對溫度值，K；
 A、B、C、D：為特定的常數(shù)。

    NTC負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻R-T特性 
　

   
B 值相同， 阻值不同的 R-T 特性曲線示意圖 

相同阻值，不同B值的NTC熱敏電阻R-T特性曲線示意圖

    測溫以外的其他應(yīng)用

    液位測量原理

    氣體和液體是明顯不同的介質(zhì)， 運(yùn)用NTC在對它們進(jìn)行測量時(shí)， 如果可以分辨出這兩種介質(zhì)，就解決了液位測量的問題。NTC在非自熱狀態(tài)也就是零功率狀態(tài)下測量溫度時(shí)， 是無法根據(jù)測量結(jié)果判斷被測對象的是什么介質(zhì)。當(dāng)NTC處于自熱狀態(tài)時(shí)，在介質(zhì)溫度相同的情況下，NTC在不同的介質(zhì)中耗散系數(shù)（δ）是不同的，當(dāng)NTC被置于不同的介質(zhì)中時(shí)，相同電氣條件下會出現(xiàn)不同的電性能反映，這是測量液位的基本依據(jù)。
    以相同溫度的水和空氣為例，在同一電氣條件下，例如給NTC提供一個(gè)恒定電流，使其在空氣中產(chǎn)生自熱，熱平衡之后NTC兩端電壓相對穩(wěn)定，接著，將它放入水中，兩端電壓上升。 因?yàn)镹TC從空氣中進(jìn)入水中后，溫度下降，導(dǎo)致阻值上升，端電壓升高。水的熱容量是空氣的2.5倍， NTC在水中的自熱溫度要達(dá)到與空氣一樣的自熱溫度需要2.5倍的功率。
    在實(shí)際的液位測量中，水和空氣的溫度往往不一致， 當(dāng)空氣溫度偏低，而水溫偏高時(shí)，根據(jù)電壓值的大小則無法判斷NTC是在水中還是在空氣中。然而，對于一個(gè)溫度點(diǎn)而言， NTC在水中和空氣中分別有個(gè)兩電壓值，換言之，當(dāng)我們知道一個(gè)溫度點(diǎn)，同時(shí)又預(yù)先知道這個(gè)溫度點(diǎn)上水和空氣分別的電壓值，就可以根據(jù)所測量到的電壓值判斷NTC是在水中還是在空氣中。也就是說，測量液位的過程中還必須同時(shí)測量溫度，而一般情況下，NTC在自熱狀態(tài)下不能測量溫度，這就需要增加一個(gè)測量溫度的NTC。利用兩只NTC，一只處于非自熱狀態(tài)， 另一只處于自熱狀態(tài)，經(jīng)過電子電路的處理就可以對水位進(jìn)行測量了。同理，其它氣體和液體介質(zhì)的液位測量的問題都可以得到解決。
    需要指出，設(shè)計(jì)液位測量電路需要完成一些基礎(chǔ)性的工作，原因是不同電路的NTC所處于的自熱狀態(tài)不一定一樣，需要通過試驗(yàn)或計(jì)算獲取測量溫度范圍內(nèi)每個(gè)溫度點(diǎn)上兩種介質(zhì)的電氣參數(shù)， 為兩個(gè)對應(yīng)系列。通常，先明定測量方案，再確定電路，然后根據(jù)電路要求測量或計(jì)算出每個(gè)溫度條件下兩種介質(zhì)的數(shù)據(jù)。有時(shí)模擬電路需要繪制出NTC在兩種介質(zhì)的溫度電壓曲線（同一溫度參照系中的曲線），而數(shù)字及單片機(jī)電路需要對兩種介質(zhì)的電氣參數(shù)列表。

    風(fēng)速測量原理

    NTC處于自熱狀態(tài)中對空氣流動表現(xiàn)的敏感性，表明它具有測量風(fēng)速的潛力。在同一溫度和電氣條件下，例如在穩(wěn)定的室溫環(huán)境下，給NTC提供一個(gè)產(chǎn)生自熱的恒定電流。 首先將NTC置于靜止空氣中，此時(shí)端電壓最小，然后將風(fēng)速由小到大逐漸增加，相應(yīng)地，端電壓逐漸升高。因?yàn)榱鲃拥目諝馐筃TC的自熱溫度下降，阻值增加，空氣流速越大，溫度下降越明顯，阻值增加更顯著，反過來，當(dāng)我們知道NTC自熱下降的程度（端電壓值的大小）就可以知道風(fēng)速的大小， 這就是NTC測量風(fēng)速的基本原理。
    實(shí)際測量時(shí)空氣的溫度是不同的， 因?yàn)榭諝鉁囟鹊南陆狄矔?dǎo)致自熱溫度的下降，所以測量風(fēng)速的時(shí)候同時(shí)要測量空氣溫度。一旦知道空氣溫度， 同時(shí)又知道在這一溫度條件下隨風(fēng)速增加而自熱溫度下降的參數(shù)（端電壓值的大小），經(jīng)過對這兩個(gè)數(shù)據(jù)的處理就就可以完成對風(fēng)速的測量。
    與液位測量一樣，風(fēng)速測量也要完成一些基礎(chǔ)工作。 不過，風(fēng)速測量的基礎(chǔ)或計(jì)算工作量比液位測量要多許多倍，液位測量只需獲取兩種介質(zhì)不同溫度下的參數(shù)，也就是兩組數(shù)據(jù)， 而風(fēng)速測量必需獲取測量（風(fēng)速、溫度）范圍內(nèi)的每個(gè)溫度點(diǎn)上不同風(fēng)速的數(shù)據(jù)，為一個(gè)族系列。