了解、測量和使用熱敏電阻的熱時間常數

2020-12-06 EDN電子設計技術

熱敏電阻是非常精確的熱傳感器,通過其電阻來指示溫度。如果將熱敏電阻用作傳感器,只需施加電壓、測量電流、然後將電阻轉換成溫度即可測量溫度。然而,熱敏電阻也可以用作電路中的可變電阻,通過增加或減小電阻來影響行為,具體情況取決於溫度係數是正還是負。8roednc

對溫度變化作出響應需要時間,而測量該響應的主要參數是熱時間常數(TTC)。熱敏電阻的材料和組裝對熱時間常數有重大影響,因此Ametherm的工程師團隊進行了大量實驗,以揭示熱時間常數的變化程度。然後我們會在實際應用中看到熱時間常數會產生怎樣的影響。8roednc

結構影響熱時間常數

熱時間常數是一種固有的器件特性,與環境變化率無關。在測量熱時間常數時,需要應用溫度變化,但如果變化太慢,那麼您測量的將是環境溫度的變化率,而不是傳感器的響應。因此,使用儘可能接近瞬間的溫度變化非常重要。8roednc

在整個響應過程中,響應速率不斷發生變化,隨著器件在新溫度下接近穩態而逐漸減慢。等到達到真正的穩定狀態後才能使困難的測量實現標準化,因此將熱時間常數定義為溫度達到1/e或剛好超過完全過渡的63%所需的時間。8roednc

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圖1:熱時間常數測量過渡為63.2%時的響應。藍色曲線表示從冷到熱的過渡,綠色曲線表示從熱到冷的過渡。8roednc

有幾個變量會影響熱時間常數:8roednc

• 熱敏電阻的質量8roednc
• 熱敏電阻的形狀(表面積與體積)8roednc
• 封裝所用的灌封材料8roednc
• 封裝熱敏電阻的外殼8roednc
• 「環境」即熱敏電阻工作的氣體或液體的性質8roednc
• 測量熱時間常數所用的方法8roednc

如果我們是將不同的熱敏電阻材料進行比較,那麼材料的比熱以及溫度係數(正或負)也會產生影響。由於測量的所有器件都是燒結的過渡金屬氧化物(NTC材料),因此我們不考慮這些因素。燒結通過封閉不同氧化物顆粒之間的孔來影響電阻率和電阻溫度曲線的斜率以及穩定性。8roednc

測量方法至關重要,因此在比較不同熱敏電阻的熱時間常數時,要確保使用相同的測量方法,這一點極為重要。用絕對時間表示熱時間常數。因此,例如,如果某個器件的溫度變化為0C至100°C,而另一個器件的溫度變化只有該變化的一半,那麼第一個器件(即使它與第二個器件完全相同)的測得熱時間常數會較短,因為熱時間常數是由溫差驅動的。8roednc

Ametherm研究的兩個主要變量是晶片尺寸(它影響質量和形狀)和封裝類型。第一個變量取決於傳感器本身,第二個變量則取決於傳感器周圍的材料。8roednc

測量設置影響熱時間常數

該團隊認真控制測量技術,確保測得熱時間常數的差異真實反映熱敏電阻的差異,而不會因測試方法的改變而影響測量。考慮因素包括:8roednc

• 進行測量的環境8roednc
• 環境中的氣流或液流(它通過將熱量導向或遠離被測設備來影響測量)8roednc
• 改變溫度的方式:改變某個環境溫度所需的時間太長,人為地延長了測得的熱時間常數。為了模擬儘可能接近瞬時的改變,更為有效的做法是讓兩種介質處於兩個不同的溫度,然後將熱敏電阻從一種介質快速移入另一種介質。與熱時間常數的值相比,熱敏電阻的前沿和後沿接觸新介質之間的時間上的微小差異通常是無關緊要的(就如同毫秒與秒的差異)。8roednc
• 傳感器「負載」,即它所承載的電流。8roednc

Ametherm團隊使用的設置包括所謂的斷頭臺測試儀。它起到支撐的作用(類似斷頭臺),將熱敏電阻固定在空中。空氣成為承載起始溫度的第一種介質。可進行連接以便加載熱敏電阻,測試開始之後,將熱敏電阻放到受控溫度不同於空氣溫度的液體(在本案中為礦物油)中。8roednc

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圖2:用於測試熱時間常數的斷頭臺設置。測試介質將放置在它的下方,圖中未顯示。8roednc

放置之前熱敏電阻必須在空氣中達到穩定狀態。浸入時間必須考慮由負載電流造成的自發熱。因此擬定:8roednc

• 讓個環境都達到穩定狀態;加載器件,使其同時達到穩定狀態8roednc
• 一旦達到穩定狀態,就開始測量8roednc
• 將該器件放到測試介質中8roednc
• 隨著溫度變化測量響應情況8roednc

測量結果

該團隊首先比較了具有不同晶片尺寸的兩個熱敏電阻;其中一個的質量是另一個的十倍。該測試將熱敏電阻從25°C的空氣中快速移入0°C的礦物油中。結果如下表所示。8roednc

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正如預期的那樣,較大的質量需要冷卻的時間較長,從而導致熱時間常數較長。過渡曲線如下面照片所示。8roednc

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圖3:左圖是小熱敏電阻的響應;右圖是大熱敏電阻的響應。8roednc

接下來,使用質量幾乎完全相同的熱敏電阻測試兩種不同類型的封裝。一個封裝在玻璃中,另一個封裝在黑色環氧樹脂中。進行兩次測試,一次是冷卻,一次是加熱,結束溫度分別為9℃和41℃。結果如下表所示。8roednc

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結果表明玻璃是比環氧樹脂更好的熱導體。響應照片如下圖示。8roednc

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圖4:玻璃封裝(上圖)和環氧樹脂封裝(下圖)從熱到冷以及從冷到熱的響應。8roednc

這些測試強調,在為給定的熱時間常數選擇器件時,必須考慮結構和測試方法,以確保以後不會出現意外。8roednc

為什麼熱時間常數至關重要

為了說明這個指標為何如此重要,該團隊整理了一個示例設計:火災探測電路。這裡的關鍵問題是,熱敏電阻變熱後需要多長時間才能確定出現了問題並發出警報?這種延遲是熱時間常數的正比例函數。8roednc

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圖5:使用熱敏電阻檢測溫度的火警電路原理圖。如果溫度上升時電阻下降(負係數),則分壓器點向上移動。在大約1.4V時,電晶體將接通,發出警報。熱時間常數確定電路作出響應所需要的時間。8roednc

實際實施可能需要採取一種讓警報在一定溫度下靜音的方法。8roednc
熱敏電阻在該電路中的作用是作為分壓器中的上電阻。在這種情況下,您需要使用具有負溫度係數的器件,即電阻隨溫度升高而減小的器件。隨著上電阻的減小,分壓電壓上升,最終通過電晶體開啟警報。8roednc

在此類應用中,人們會選擇具有低熱時間常數的熱敏電阻。當火勢迅速升級時,幾秒鐘都至關重要;使用錯誤的熱敏電阻可能會使生命或財產處於危險境地。8roednc

選擇適合作業的熱時間常數

總之,熱時間常數是熱敏電阻的基本特性,必須根據應用進行選擇。熱敏電阻的構造(材料、尺寸和結構)對熱時間常數有重大影響。熱時間常數的測量方法也會影響測得的熱時間常數值。選擇熱敏電阻時,重要的是要知道需要什麼響應並相應地選擇熱敏電阻。當比較熱敏電阻之間的熱時間常數時,確保它們在相同條件下進行測量,這一點也很重要。8roednc

隨著傳感器的激增,熱敏電阻將面臨全新應用與創新。選擇特性合適的熱敏電阻將有助於避免以後重新設計工作。8roednc

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作者Mehdi Samii目前擔任Ametherm的工程副總裁。他擁有物理學學士學位。8roednc

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