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NTC热敏电阻的应用
 
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NTC热敏电阻的应用

NTC热敏电阻的应用

NTC热敏电阻的应用

NTC热敏电阻的应用

NTC热敏电阻

1 NTC的术语及主要参数
在家电开发研製领域裡,工程人员在运用热敏电阻的过程中,有时对一些主要参数的细节產生歧义,原因之一是某些参数的定义和内容缺乏统一的标準和规范。随著国家标準《直热式负温度係数热敏电阻器(第一部分:总规范)》GB/T 6663.1-2007/IEC 60539-1:2002(以下简称“国标”)的实施(07年9月1日),情况开始有所改变。国内热敏电阻器生產家都应当按照“国标”标注热敏电阻的参数,使用者也可以根据 “国标”向厂家索取热敏电阻的参数。

热敏电阻器是一种随(感应)温度的变化其电阻值呈显著变化的热敏感半导体元件。温度升高时阻值下降的热敏电阻器,称為负温度係数热敏电阻器(NTC)。家电领域裡大量使用的是NTC。自热:当我们对NTC进行测量和运用时总会通过一定量的电流,这一电流使NTC自身產生热量。NTC的自热会导致其阻值下降,在测量及应用过程中出现动态变化,所以控制自热是运用NTC的关键。当NTC用於温度测量时,应当儘量避免自热;当NTC用於液位或风速测量时,则需要利用自热。

零功率电阻:定义见“国标”(2.2.18)。零功率电阻是热电阻器最基本的参数,厂家给出的热敏电阻器的阻值都属於零功率,,但“零功率”一词容易使人费解(因為物理含义上的零功率检测是不存在的),所以,理解它的工程含义是定义中后一句的内容“……自热导致的电阻值变化相对於总的测量误差可以忽略不计”。通常,对NTC的零功率测量是在恒温槽中进行,影响总的测量误差有二个主要因素:一是通过NTC的电流,一是恒温槽精度。一般说来,减少通过NTC的电流的方法比较多,一旦电流下降到一定程度,影响总误差的往往是恒温槽的精度。

环境温度变化引起的热时间常数(τa):一般情况下,NTC在稳定的室温条件下,迅速进入设定(和要求介质)的温度环境内,测量其温度上升规定幅度Tί所需要的时间。温度Tί 的上升幅度為室温Ta至设定温度Tb差值的63.2%所需的时间。τa反映NTC在测量温度时的回应速度。

耗散係数(δ):使NTC的温度上升1K所消耗的功率称為耗散係数。“国标”4.10.2给出的δ计算方法如下:

δ=U TH·I TH /(T b- T a) W /℃式中: U TH為NTC的端电压; I TH 為流过NTC的电流;T b為自热稳定温度;T a 為室内温度。

可见,NTC温度的上升指的是自热温度。从另外一个角度看,自热造成的温升可以利用δ计算出来。

例如:已知δ為0.1 W /℃,测量U TH·I TH為0.5 W,则:

(T b- T a)=U TH·I TH /δ ℃=0.5 /0.1 ℃=5 ℃

自热使NTC高於环境温度5℃。

2 影响测量温度的参数

NTC具有价格低廉、阻值随温度变化显著的特点,而广泛用於温度测量。通常採用一隻精密电阻与NTC串联(见图1),NTC阻值的变化转变為电压变化直接进入比较电路或单片机的A/D的输入介面,不必经过放大处理,电路构成极為简单。运用NTC时除了选择合适的R值和B值之外,还应当考虑到测量速度和精度。

选择合适的τa :τa 值直接反映NTC测量温度的回应速度,但不是越小越好,确定τa值需要比较与权衡。因為τa值与它的封装尺寸有关,NTC的封装尺寸小,则τa值小,机械强度低;封装尺寸大,则τa值大,机械强度高。

确定电流范围:可根据厂家提供的非自热最大功率或利用耗散係数来确定工作电流的范围。、

然而,需要引起注意的是不少厂家提供的δ值是NTC二次封装之前参数,但採用这个δ参数确定的电流虽然不会產生自热,但是过於保守,影响选择参数的宽鬆度,因為二次封装之后的非自热最大功率已经提高。利用耗散係数确定电流范围的方法是先确定NTC精度,再确定允许的自热功耗。例如,NTC的精度為0.1℃,则自热温度不超过0.1℃就能够满足精度要求,也就是说,小於0.1δ的功率為不產生自热的功率。

其它需要注意的因素:①NTC二次封装之后,τa的参数值较封装之前增大了。②同一型号、规格的NTC在不同介质中,其δ、τa等参数值相差狠大,需注意参数的介质。③在流动的空气中,NTC略為產生一点自热对精度的影响不大。④NTC感温头不能触碰非探测物体,例如,在家用空调器裡,翅片前面测量室温的感温头不能触碰到翅片。

3 自热及耗散係数的特性

测量耗散係数δ时,“国标”要求在静止的空气中进行。通常是在规定容器的玻璃框罩内进行测量。当我们做实验时可以观察到一些现象,在一个空气相对稳定(感觉不到流动的空气)的室内,玻璃框内的温度与室温一致。先测量零功率电阻值,当摘掉玻璃框罩后,电阻值未发生变化;然后测量耗散係数,当自热达到热平衡时,即通过NTC的电流和它的端电压呈稳定状态,当摘掉玻璃框罩后,电流或端电压出现波动,失去稳定状态。说明室内微弱的同温度气流影响了耗散係数,而未影响零功率电阻值。显然,NTC產生自热之后出现对流动空气的敏感反映,这是一个可以利用的特性。

4液位测量原理

气体和液体是明显不同的介质, 运用NTC在对它们进行测量时,如果可以分辨出这两种介质,就解决了液位测量的问题。NTC在非自热状态也就是零功率状态下测量温度时,是无法根据测量结果判断被测物件的是什麼介质。当NTC处於自热状态时,在介质温度相同的情况下,NTC在不同的介质中耗散係数(δ)是不同的,当NTC被置於不同的介质中时,相同电气条件下会出现不同的电性能反映,这是测量液位的基本依据。

以相同温度的水和空气為例,在同一电气条件下,例如给NTC提供一个恒定电流(见图2),使其在空气中產生自热,热平衡之后NTC两端电压相对稳定,接著,将它放入水中,两端电压上升。因為NTC从空气中进入水中后,温度下降,导致阻值上升,端电压升高。水的热容量是空气的2.5倍, NTC在水中的自热温度要达到与空气一样的自热温度需要2.5倍的功率。

在实际的液位测量中,水和空气的温度往往不一致,当空气温度偏低,而水温偏高时,根据电压值的大小则无法判断NTC是在水中还是在空气中。然而,对於一个温度点而言,NTC在水中和空气中分别有个两电压值,换言之,当我们知道一个温度点,同时又预先知道这个温度点上水和空气分别的电压值,就可以根据所测量到的电压值判断NTC是在水中还是在空气中。也就是说,测量液位的过程中还必须同时测量温度,而一般情况下,NTC在自热状态下不能测量温度,这就需要增加一个测量温度的NTC。利用两隻NTC,一隻处於非自热状态,另一隻处於自热状态,经过电子电路的处理就可以对水位进行测量了。同理,其它气体和液体介质的液位测量的问题都可以得到解决。

需要指出,设计液位元测量电路需要完成一些基础性的工作,原因是不同电路的NTC所处於的自热状态不一定一样,需要通过试验或计算获取测量温度范围内每个温度点上两种介质的电气参数,為两个对应系列。通常,先明定测量方案,再确定电路,然后根据电路要求测量或计算出每个温度条件下两种介质的资料。有时类比电路需要绘製出NTC在两种介质的温度电压曲线(同一温度参照系中的曲线),而数位及单片机电路需要对两种介质的电气参数列表。

5风速测量原理

根据上述对耗散係数δ测量的描述,NTC处於自热状态中对空气流动表现的敏感性,表明它具有测量风速的潜力。在同一温度和电气条件下,例如在稳定的室温环境下,给NTC提供一个產生自热的恒定电流(见图二)。首先将NTC置於静止空气中,此时端电压最小,然后将风速由小到大逐渐增加,相应地,端电压逐渐升高。因為流动的空气使NTC的自热温度下降,阻值增加,空气流速越大,温度下降越明显,阻值增加更显著,反过来,当我们知道NTC自热下降的程度(端电压值的大小)就可以知道风速的大小,这就是NTC测量风速的基本原理。

实际测量时空气的温度是不同的,因為空气温度的下降也会导致自热温度的下降,所以测量风速的时候同时要测量空气温度。一旦知道空气温度,同时又知道在这一温度条件下随风速增加而自热温度下降的参数(端电压值的大小),经过对这两个资料的处理就就可以完成对风速的测量。

与液位测量一样,风速测量也要完成一些基础工作。不过,风速测量的基础或计算工作量比液位测量要多许多倍,液位测量只需获取两种介质不同温度下的参数,也就是两组资料,而风速测量必需获取测量(风速、温度)范围内的每个温度点上不同风速的资料,為一个族系列。

6其他的应用

NTC除了用於温度测量之外,测量液位和风速也有许多可比优势,具有取代其它测量及控制方式的潜力。

关於NTC在水位测量上的一个应用实例见《家电科技》杂誌2008年第21期中有详细介绍,(在此不再赘述)。 其它象热水壶、咖啡壶、加湿器等家电的缺水报警都可以考虑採用NTC的液位测量技术。

NTC还可以广泛应在测量风速及风量的场所,特点是不仅价格低廉,而且电路结构极為简单。例如:①家用空调器的过滤网除尘提示。安装在出风口的NTC检测风速,当检测到的风速与风量挡位的风速相比降低到了规定的幅度,提示使用者清洁过滤网;②同样的思路也可以实现吸尘器的除尘提示;③燃气热水器的排风监测。当NTC检测到排风停止(或被堵)的故障时,切断气源及报警;④ 冷气计量,对集中冷气供应系统进行单独计量,出风口安装的NTC计量风速(再考虑风口面积、平均风速等因素),能够实现集中供冷分别计费。
 

NTC热敏电阻的应用
1 NTC热敏电阻简介半导体热敏电阻器是利用半导体材料的电阻率随温度变化的性质制成的温度敏感元件,按其温度特性分为正温度系数(PTC)热敏电阻器、负温度系数(NTC)热敏电阻器和临界温度系数(CTR)热敏电阻器等几类。NTC是NegativeTemperatureCoefficient的缩写,实为负温度系数之意,它是一种以钛酸钡为主要成分的高技术半导体功能陶瓷材料,其主要的特点是在工作温度范围内电阻随温度的升高而降低。利用其基本的电阻)温度特性、电压)电流特性,NTC系列热敏电阻已广泛应用于家用电器产品中,以达到自动增益调整、过负荷保护、温度控制、温度补偿、稳压稳幅等作用。
1.图1 电阻-温度特性
  NTC热敏电阻
图1是NTC型热敏电阻的阻值温度特性图。用于测量的NTC型热敏电阻,在较小的温度范围内,其电阻)温度特性关系为RT=R0eB1T-1T0,式中:RT、R0-温度T、T0时的电阻值;T-热力学温度;B-热敏电阻材料常数,一般取2000~6000K,可由下式表示
  热敏电阻温度特性图

热敏电阻的阻值温度特性图

电阻温度系数 

若B=4000K,T=323.15K(50°C),则a=-3.8%/°C。可见a是表征热敏电阻材料性能的重要参数。
1.2 伏安特性
       把静态情况下热敏电阻上的端电压与通过热敏电阻的电流之间的关系称为伏安特性。它是热敏电阻的重要特性,如图2所示。  
       由图2可见,热敏电阻只有在小电流范围内端电压和电流成正比,因为电压低时电流也小,温度没有显著升高,它的电流和电压关系符合欧姆定律。但当电流增加到一定数值时,元件由于温度升高而阻值下降,故电压反而下降。因此,要根据热敏电阻的允许功耗来确定电流,在测温中电流不能选得太高。

2 NTC热敏电阻应用实例分析
2.1 在电风扇温控电路中的应用
       图3所示为一电风扇温控开关电路,图中VD1~VD4组成的桥式整流电路和单相可控硅VS构成主回路,运算放大器IC2作为温控电路的比较器,IC2的输入端电阻R1~R4组成单臂电桥。VS的控制极连接IC2的输出端,受IC2的输出控制。降压电阻R0和电源集成块IC1组成简单电源,为电桥和比较器提供直流电压。桥臂R2~R4阻值固定且相等,桥臂R1阻值可变,由电位器RP和具有负温度系数的NTC热敏电阻RT组成。RT为温控电路的温度传感元件,其阻值随环境温度而变化,RP为温度预置元件,调节RP可将温度预置在某一温度状态。当环境温度低于预置温度时,R1阻值较大,使比较器IC2同相输入端电压低于反向输入端电压,即UR2<UR4,IC2输出低电平不能触发VS。随着温度的逐渐上升,当环境温度高于预置温度时,R1阻值减小,使IC1同相输入端电压升高,UR2>UR4,IC2输出高电平触发VS导通,串接在主电路中的电风扇接入市电并开始运转。电路中的开关S为温控选择开关,如果合上S,则温控电路将不起作用,只有断开S时温控电路才起作用,这样可供人们随意选择。
  电风扇温控开关电路
2.2 在RC振荡器中的应用

图4所示为一RC桥式振荡器,又称文氏桥振荡器,它由同相放大器和具有选频作用的RC串并联正反馈网络组成。
集成运放LM741组成同相放大电路,6脚输出频率为f0的信号通过RC串并联网络反馈到放大器的输入端3脚。因为RC选频网络的反馈系数F=1/3,因此,只要使放大器的放大倍数Auf=3,就能满足振幅平衡条件;由于同相放大器的输入信号与输出信号的相位差为0b,RC串并联选频网络的移相也为0b,所以信号的总相移满足相位平衡条件,属正反馈。因此,电路对信号中频率为f0的分量能够产生自激振荡,而其他的频率分量由于选频网络的作用,反馈电压低,相移不为零,则不产生自激振荡。
RC桥式振荡电路的振荡频率取决于RC选频回路的R1、R2、C1、C2参数。通常情况下,R1=R2=R,C1=C2=C,振荡频率为f0=12PRC。 

热敏电阻
在RC桥式振荡器电路中,反馈电阻Rf常采用具有负温度系数的NTC热敏电阻以便顺利起振。当振荡器的输出幅度增大时,流过Rf的电流增强,随热敏电阻的温度上升其电阻变小,使放大器的增益下降,从而自动调节振荡输出信号趋于稳定。
2.3 温度补偿
       仪表中通常用的一些零件,多数是用金属丝制成的,例如线圈、线绕电阻等。金属一般具有正的温度系数,采用负的温度系数的热敏电阻进行补偿,可以抵消由于温度变化所产生的误差。实际应用时,将负温度系数的热敏电阻与锰铜丝电阻并联后再与被补偿元件串联,如图5所示。 

温度补偿特性图
2.4 热敏电阻测温电路
       图6所示为热敏电阻测温原理图,RT1和RT2为两个匹配的珠状热敏电阻,只要RT1和RT2有温差,放大器就会输出与温差有关的信号。这个电路由于结构简单,一般情况下可测出0.01e的温差,因而被普遍使用。

 


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