热敏电阻:功能和作用

关键要点：

TCR（温度系数）定义了温度和电阻之间的关系。

比较热敏电阻和其他温度相关的元件。

PTC（正温度系数）和NTC（负温度系数）热敏电阻有不同的用途。

 

热和电在电路中密切相关。许多人从小就通过电炉或灯泡体验到这种关系，但温度对电路性能的影响要复杂得多。元件加热时，其材料特性会发生变化，从而产生明显不同的功能。性能变化通常是不利的，但材料科学已经发现或制造出一些元件，其中这种变化是设备的关键特性。热敏电阻是几个具有温度驱动功能的元件家族之一，温度驱动功能是其定义特征之一。热和电在电路中密切相关。许多人从小就通过电炉或灯泡体验到这种关系，但温度对电路性能的影响要复杂得多。元件加热时，其材料特性会发生变化，从而产生明显不同的功能。性能变化通常是不利的，但材料科学已经发现或制造出一些元件，其中这种变化是设备的关键特性。热敏电阻是几个具有温度驱动功能的元件家族之一，温度驱动功能是其定义特征之一。

温度传感器的相对比较

	工作范围	精确度	线性近似值	耐久性	花销
电热调节器	低	高	中等（能够提升更高的容限以及ADC精度）	高	低
电阻温度计	中等	中等	高	低	高
热电偶	高	低	低	中等	中等

 

1．热敏电阻和温度相关性电阻

 

热敏电阻这个词是热电阻和电阻的合成词，强调了这些器件中的温度和电阻之间的关系。每个电阻元件在某种程度上都是一个热敏电阻，但热敏电阻的电阻会随着温度的变化而急剧上升或下降。物质的核心是电阻温度系数（TCR），这是材料的固有特性，它定义了阻力对温度变化的响应。理解TCR是最简单的极端情况：

一个非常负的TCR（负热系数，NTC）值表明电阻随着温度的升高而迅速下降。TCR值越负，电阻的降低就越极端。

一个非常正的TCR（正热系数，PTC）值表明电阻随着温度的升高而迅速增加。TCR值越正，电阻增加得越极端。

零TCR表示电阻完全与温度无关。TCR的绝对值越接近零，电阻随温度的降低或增大越缓慢。由于这个原因，通用电阻倾向于有一个接近于零的TCR值为更广泛的适用范围。

热敏电阻并不是唯一基于电热原理工作的装置。电阻温度计（也称为电阻温度检测器或RTDs)和热电偶也能检测温度。这些传感器模式之间的选择通常是在成本、工作温度范围和所述范围内的精度之间。热敏电阻的温度范围较小，但其精度较高；热敏电阻位于光谱的另一端，温度范围较广，但精度相对较差。rtd比热敏电阻具有更高的范围和精度，且具有更高的成本和增加的脆性。

温度传感器的选择也依赖于电路板的实际需求。热敏电阻可能在板设计符合以下问题时最合适。

什么时候热敏电阻最合适？

大量生产	热敏电阻在较低的容限可以取得良好的测量结果，确保经济化的选择。
管径测量	所有的温度传感器都需要根据感兴趣的温度范围进行精度校准；这些校准经常利用水的冰点作为参考。由于热敏电阻器本质上只是一个电阻器，它提出了一个更简单的防水过程。
电路简化	热敏电阻电阻输出可以直接与微控制器的ADC接口。相比之下，热电偶需要放大电压信号。
可靠性	在温度传感器类型中，热敏电阻表现出最好的可靠性，并且不受冲击或振动模式的影响。
精确性	结合更紧密的公差模型、校准和增强的ADC位分辨率，可以提高超过标准水平的读数。

 

 

2．区分NTC和PTC热敏电阻

 

如前所述，热敏电阻之间的主要区别因素是TRC的标志。NTC和PTC热敏电阻都有多种电路应用。

 

3．NTC

 

关于电流通道，NTC热敏电阻类似于经历冲击电流的电感器，尽管其机制完全不同。NTC电阻在环境温度下具有一定的电阻，然后由于通过电阻的功耗而经历温度升高（欧姆加热原理）。当温度升高时，电阻下降，允许更多的电流通过。该技术的用途包括：

温度敏感过程-依赖于冷链的生物和化学工业可以监测热敏电阻的输出，以跟踪不安全的温度水平。

电流限制器-热敏电阻控制电流通道的速率，以保护敏感组件和牺牲元件，如熔断丝和断路器。当电阻较高时，电流较低，它们也能减少功率损耗（反之亦然）。

预测性维护-通过监测工艺流体，阻力的下降可能表明系统组件可能出现早期故障。

电池充电器-输出可以检查不断上升的温度，这可能表明热失控条件的开始。

 

4．PTC

 

与NTC不同，PTC热敏电阻是自我调节的：当电流通过电阻时，电阻增加，其温度上升超过环境。这种恢复作用使PTC热敏电阻在恒温维护下出色。假设电路和材料条件不允许PTC热敏电阻损坏自身，那么对温度控制的需要是多余的。热敏电阻阻挡电流峰值的能力使其作为一个与敏感电路串联的可重置保险丝很有价值。其他PTC角色包括：

加热元件-热敏电阻的变阻在热临界过程中是实用的，如柴油发动机前的燃油喷射。

电流分压器-电阻有明显差异的并联组件会导致电流占用/饥饿。PTC热敏电阻串联将动态平衡分支之间的电流。

硅热敏电阻提供了比标准陶瓷材料ptc更好的线性。

热敏电阻的温度依赖性电阻为电路设计者提供了多种传感和电路控制的用途。虽然该组件系列类似于其他温度传感器，如rtd和热电偶，但它占据了一个低成本、高可靠性的细分市场和可扩展的精度，使热敏电阻成为一个优秀的温度传感的通用解决方案。不同材料的电阻放大能力随温度成比例地增加或降低（反之亦然），这使热敏电阻适合于广泛的电路应用。