PTC熱敏電阻工作原理

2021-01-19 電子工程師之家

PTC熱敏電阻(正溫度係數熱敏電阻)是一種具溫度敏感性的半導體電阻,一旦超過一定的溫度(居裡溫度)時,它的電阻值隨著溫度的升高几乎是呈階躍式的增高.PTC熱敏電阻本體溫度的變化可以由流過PTC熱敏電阻的電流來獲得,也可以由外界輸入熱量或者這二者的疊加來獲得.

  陶瓷材料通常用作高電阻的優良絕緣體,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製造的,具有較低的電阻及半導特性.通過有目的的摻雜一種化學價較高的材料作為晶體的點陣元來達到的:在晶格中鋇離子或鈦酸鹽離子的一部分被較高價的離子所替代,因而得到了一定數量產生導電性的自由電子.

  對於PTC熱敏電阻效應,也就是電阻值階躍增高的原因,在於材料組織是由許多小的微晶構成的,在晶粒的界面上,即所謂的晶粒邊界(晶界)上形成勢壘,阻礙電子越界進入到相鄰區域中去,因此而產生高的電阻.這種效應在溫度低時被抵消:在晶界上高的介電常數和自發的極化強度在低溫時阻礙了勢壘的形成並使電子可以自由地流動.而這種效應在高溫時,介電常數和極化強度大幅度地降低,導致勢壘及電阻大幅度地增高,呈現出強烈的PTC效應.

  PTC是一種半導體發熱陶瓷,當外界溫度降低,PTC的電阻值隨之減小,發熱量反而會相應增加。 PTC的工作原理PTC熱敏電阻(正溫度係數熱敏電阻)是一種具溫度敏感性的半導體電阻,一旦超過一定的溫度(居裡溫度)時,它的電阻值隨著溫度的升高几乎是呈階躍式的增高.PTC熱敏電阻本體溫度的變化可以由流過PTC熱敏電阻的電流來獲得,也可以由外界輸入熱量或者這二者的疊加來獲得.陶瓷材料通常用作高電阻的優良絕緣體,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製造的,具有較低的電阻及半導特性.通過有目的的摻雜一種化學價較高的材料作為晶體的點陣元來達到的:在晶格中鋇離子或鈦酸鹽離子的一部分被較高價的離子所替代,因而得到了一定數量產生導電性的自由電子.

  對於PTC熱敏電阻效應,也就是電阻值階躍增高的原因,在於材料組織是由許多小的微晶構成的,在晶粒的界面上,即所謂的晶粒邊界(晶界)上形成勢壘,阻礙電子越界進入到相鄰區域中去,因此而產生高的電阻.這種效應在溫度低時被抵消:在晶界上高的介電常數和自發的極化強度在低溫時阻礙了勢壘的形成並使電子可以自由地流動.而這種效應在高溫時,介電常數和極化強度大幅度地降低,導致勢壘及電阻大幅度地增高,呈現出強烈的PTC效應. PTC熱敏電阻是開發早、種類多、發展較成熟的敏感元器件.PTC熱敏電阻由半導體陶瓷材料組成,利用的原理是溫度引起電阻變化.若電子和空穴的濃度分別為n、p,遷移率分別為μn、μp,則半導體的電導為: σ=q(nμn+pμp)因為n、p、μn、μp都是依賴溫度T的函數,所以電導是溫度的函數,因此可由測量電導而推算出溫度的高低,並能做出電阻-溫度特性曲線.這就是半導體熱敏電阻的工作原理.熱敏電阻包括正溫度係數(PTC)和負溫度係數(NTC)熱敏電阻,以及臨界溫度熱敏電阻(CTR).它們的電阻-溫度特性如圖1所示.PTC熱敏電阻的主要特點是:①靈敏度較高,其電阻溫度係數要比金屬大10~100倍以上,能檢測出10-6℃的溫度變化;②工作溫度範圍寬,常溫器件適用於- 55℃~315℃,高溫器件適用溫度高於315℃(目前最高可達到2000℃),低溫器件適用於-273℃~55℃;③體積小,能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及生物體內血管的溫度;④使用方便,電阻值可在0.1~100kΩ間任意選擇;⑤易加工成複雜的形狀,可大批量生產;⑥穩定性好、過載能力強. PTC熱敏電阻 PTC(Positive Temperature Coeff1Cient)是指在某一溫度下電阻急劇增加、具有正溫度係數的熱敏電阻現象或材料,可專門用作恆定溫度傳感器.該材料是以BaTiO3或 SrTiO3或PbTiO3為主要成分的燒結體,其中摻入微量的Nb、Ta、Bi、Sb、Y、La等氧化物進行原子價控制而使之半導化,常將這種半導體化的BaTiO3等材料簡稱為半導(體)瓷;同時還添加增大其正電阻溫度係數的Mn、Fe、Cu、Cr的氧化物和起其他作用的添加物,採用一般陶瓷工藝成形、高溫燒結而使鈦酸鉑等及其固溶體半導化,從而得到正特性的PTC熱敏電阻材料.其溫度係數及居裡點溫度隨組分及燒結條件(尤其是冷卻溫度)不同而變化. PTC熱敏電阻於1950年出現,隨後1954年出現了以鈦酸鋇為主要材料的PTC熱敏電阻.PTC熱敏電阻在工業上可用作溫度的測量與控制,也用於汽車某部位的溫度檢測與調節,還大量用於民用設備,如控制瞬間開水器的水溫、空調器與冷庫的溫度,利用本身加熱作氣體分析和風速機等方面.下面簡介一例對加熱器、馬達、變壓器、大功率電晶體等電器的加熱和過熱保護方面的應用。 PTC熱敏電阻除用作加熱元件外,同時還能起到「開關」的作用,兼有敏感元件、加熱器和開關三種功能,稱之為「熱敏開關」,如圖2和3所示.電流通過元件後引起溫度升高,即發熱體的溫度上升,當超過居裡點溫度後,電阻增加,從而限制電流增加,於是電流的下降導致元件溫度降低,電阻值的減小又使電路電流增加,元件溫度升高,周而復始,因此具有使溫度保持在特定範圍的功能,又起到開關作用.利用這種阻溫特性做成加熱源,作為加熱元件應用的有暖風器、電烙鐵、烘衣櫃、空調等,還可對電器起到過熱保護作用.

  使用注意:

  1) PTC發熱體具有自動恆溫的特點,不需要溫度控制系統,將PTC直接通電即可。

  2)當PTC發熱體用來加熱液體(如水)時,液體燒乾後,PTC發熱體不會損壞。

  3)若PTC發熱體用來加熱冷風,不送風時,PTC發熱體不會損壞。

  4)有四種電極可供客戶選擇:化學鍍鎳+銀,熔噴金屬鋁,印刷鋁+銀,印刷鋁。

  5)使用壽命長,正常環境下使用,壽命可達10年以上。

  6)工作可靠,利用PTC內部特性控溫,永遠不會超溫。

  7)工作電壓非常寬。當工作電壓變化2倍時,表面溫度的變化非常小。

  8)此品種產品沒有引出電線和絕緣層,客戶也選擇帶電線和絕緣層的產品,或者帶外殼的產品。

  9)多個PTC一起使用時,應並聯,不可串聯。

  10)不同散熱條件使PTC的發熱功率差別很大。

  11)參數選擇見下表。

形狀直徑D 長度L 寬度W 厚度T 使用電壓表面溫度

圓片 5~25mm 1.0~1.5mm 12~50V 50~300℃

圓片 5~25mm 1.4~2.0 mm 100~140V 50~320℃

圓片 5~25mm 1.8~2.5 mm 220~240 V 50~320℃

圓片 10~25mm 2.0~3.0 mm 220~240 V 250~320℃

方片 5~40mm 3~20mm 1.0~1.5mm 12~50V 50~300℃

方片 5~40mm 3~20mm 1.4~2.0 mm 100~140V 50~320℃

方片 5~40mm 3~20mm 1.8~2.5 mm 220~240 V 50~320℃

方片 10~40mm 6~20mm 2.0~3.0 mm 220~240 V 250~320℃

  請您按照如下的方法進行選擇PTC。

1、列出設備線路上的平均工作電流(I)值及工作電壓(V)。

2、根據I值、V值、產品類別及安裝形式選出JK系列可恢復保險絲。

3、若設備內部環境溫度大於20°C,可恢復保險絲的PTC現象會隨溫度增加而增加,則維持正常電流的提供,按折減率計算如下:IH=工作電流(I)÷環境溫度與電流值的折減率

4、再按第二步選擇,所需的IH要大於或等於步驟3中計算出的IH值。線路中如對常溫阻值以及過流保護動作時間有要求的話,在用前述方法選定相應系列的基礎上,再根據常溫阻值以及動作時間選定相應的元件。


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