NTC的测温与电路保护应用

NTC传感器元件是各种应用中NTC温度传感器实现功能的基础，其实不仅在温度传感器中，在其他各类电子产品应用中也十分常见，如可复式保险丝及自动调节的加热器等等。作为一类半导体传感元件，NTC的应用大致可分为两类，一是进行温度测量，二是进行电路保护。
 
实现高灵敏度与高精度的温度测量
 
NTC热敏电阻由于其高灵敏度和高精度，已被很好地用于重视耐用性、可靠性和稳定性的温度测量。虽然热敏电阻的材料很多，但与金属等导体相比，NTC这类半导体电阻具有更容易加工、更小、更轻的优点。此外，由于其响应速度快，它同样也适用于小直径精密设备。
 
在低成本的温度测量方案中，一般会在NTC热敏电阻与电源正极之间串联一个上拉电阻，通过采集NTC热敏电阻两端的分压变化来确定环境温度变化。大多数情况下会串联一个和NTC常温电阻值一样的电阻，并且保证流过的电流要足够小以免产生自热来确保测量过程的精度。
 
避免产生自热来确保测量过程的精度，另一方面由于NTC热敏电阻在本质上是非线性电阻，因此在测温之前一定要做线性处理，并保证在合适的温度范围内测量，否则结果会相去甚远。目前一般可以覆盖－50℃到150℃的测量，有些行业领先的NTC厂商能覆盖到－55℃到175℃。如果带有特殊涂层，NTC热敏电阻覆盖到300℃也没有问题。
 
NTC热敏电阻的电阻温度系数是每1℃降低3至5%，相比于其他金属电阻值每1℃变化只有几个百分点左右，可以看出NTC热敏电阻即使温度变化很小也表现出很大的电阻变化。从这些特性不难看出，在合适的温度范围内，NTC热敏电阻能够实现以高精度灵敏地检测微小温差。
 

 
（NTC传感器元件，TDK）

 
片式的可嵌入NTC热敏电阻，可以直接集成到IGBT模块和IPM模块中，如TDK的新型片式L860 NTC热敏电阻，不需要引线可以通过烧结和重质铝丝焊连接直接嵌入到电源模块中，完全不同于传统的SMD NTC元件。我们都知道，电源模块在接近其功率极限运行时的效率通常最高，但要保持极限状态运行，必须精确控制温度。相比于传统的NTC元件，片式NTC热敏元件与电源模块之间热耦合更加稳定，这意味着元件可实现超快的响应，更有利于高精度的温度测量和控制。
 
不管是工业、汽车还是消费级应用里，监测所有电力元件的温度都是一项关键任务，是保障整个系统的安全性、可靠性和使用寿命的基本要求，NTC热敏电阻在其中应用广泛。
 
NTC抑制浪涌，提高系统可靠性
 
在电路保护控制方面，NTC的应用也不少。一般开机的时候，会有一个较大的电流流过二极管，如果电流过大二极管可能会损坏。浪涌电流的抑制方法很多，一般中小功率电源中采用电阻限流的办法抑制开机浪涌电流。
 
传统的固定阻值限流电阻，浪费在电阻上的功耗是没办法改变的。而在线路上面串联一个NTC热敏电阻，在开机之前由于热敏电阻温度低，电阻比较大，可以很好地限制开机时的浪涌电流。开机之后，热敏电阻温度升高，阻值大幅降低，也不会产生过大的损耗。
 

 
（图源：风华高科）

 
这个过程在实际应用中发生得非常迅速，NTC热敏电阻随着温度升高快速发热，其电阻值会在毫秒级的时间内迅速下降到一个很小的级别，一般只有零点几欧到几欧的大小。相比之下，在电阻上损耗的功率降低了几十倍甚至上百倍。
 
基于NTC热敏电阻器的抑制办法功率大、抑制浪涌电流能力强、可靠性高、寿命长、残余电阻小。一般情况下小功率电源的NTC不用加继电器，大功率的需要加继电器即可。但要注意的是采用NTC抑制开机浪涌的电源设备，不能够频繁开关机，NTC冷却需要几十秒到几分钟不等，恢复至其冷态阻值后才能再次开机。
 
作为抑制开机浪涌保证电子设备免遭破坏的NTC，可以说是最简单最有效的。当然，NTC只是起到开机保护作用，电路正常工作或者短路时NTC是没有办法应对浪涌的。
 
小结
 
NTC热敏电阻作为典型的一类具有温度敏感型的半导体电阻，其阻值会随着温度升高而降低。有着随着温度变化而改变阻值的特性是一方面，NTC热敏电阻元件还具有小损耗、几乎无滞后现象的优点，还能起到非常好的保护作用。