熱敏電阻

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熱敏電阻
NTC bead.jpg
負溫度系數(NTC)熱敏電阻器,珠型,絕緣電線
類型 被動元件
工作原理 電阻
電路符號
Thermistor.svg


熱敏電阻英語thermistor)是一種傳感器電阻,電阻值隨着溫度的變化而改變,且體積隨溫度的變化較一般的固定電阻要大很多。熱敏電阻的英文「thermistor」是由Thermal(熱)及resistor(電阻)兩詞組成的混成詞。熱敏電阻屬於可變電阻的一類,廣泛應用於各種電子元件中,例如湧流電流限制器英語Inrush current limiter溫度傳感器可復式保險絲、及自動調節的加熱器英語Heating element等。

不同於電阻溫度計使用純金屬,在熱敏電阻器中使用的材料通常是陶瓷聚合物。兩者也有不同的溫度響應性質,電阻溫度計適用於較大的溫度範圍;而熱敏電阻通常在有限的溫度範圍內實現較高的精度,通常是-90℃〜130℃。[1]

基本特性[編輯]

熱敏電阻最基本的特性是其阻值隨溫度的變化有極為顯著的變化,以及伏安曲線呈非線性。若電子和空穴的濃度分別為np,遷移率分別為\mu_n\mu_p,則半導體的電導為:

  \sigma=q(n\mu_n + p\mu_p)\,

因為np\mu_n\mu_p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。

假設,電阻和溫度之間的關係是線性的,則: :\Delta R=k\Delta T \,

\Delta R = 電阻變化
\Delta T = 溫度變化
k = 一階的電阻溫度系數

熱敏電阻可以依k值大致分為兩類:

  • k為正值,電阻隨溫度上昇而增加,稱為正溫度系數PTCPositive Temperature Coefficient)熱敏電阻。
  • k為負值,電阻隨溫度上昇而減少,稱為負溫度系數NTCNegative Temperature Coefficient)熱敏電阻。

此外還有一種臨界溫度熱敏電阻(CTRCritical Temperature Resistance),在一定溫度範圍內,其電阻會有大幅的變化[2]

非熱敏電阻的一般電阻,其k一般都相當接近零,因此在一定的溫度範圍內其電阻值可以接近一定值。

有時熱敏電阻不用溫度系數k來描述,而是用電阻溫度系數\alpha_T來描述,其定義為[3]

\alpha_T = \frac{1}{R(T)} \frac{dR}{dT}.

此處的\alpha_T系數和以下的a參數是不同的。

斯坦哈特-哈特公式[編輯]

在實務上,上述的線性近似只在很小溫度範圍下適用,若要考慮精密的溫度量測,需要更詳細的描述溫度-電阻曲線。斯坦哈特-哈特公式英語Steinhart–Hart equation是廣為使用的三階近似式:

{1 \over T} = a + b\,\ln(R) + c\,(\ln(R))^3

其中abc稱為斯坦哈特-哈特參數,每個熱敏電阻有不同的參數,T是以開爾文表示的溫度,R是電阻,單位是歐姆,若要電阻以溫度的函數表示,可以整理為下式:

R = e^{{\left( x - {1 \over 2}y \right)}^{1 \over 3} - {\left( x + {1 \over 2}y \right)}^{1 \over 3}}

其中

\begin{align}
  y &= {1 \over c}\left(a - {1 \over T}\right) \\
  x &= \sqrt{\left(\frac{b}{3c}\right)^3 + \left(\frac{y}{2}\right)^2}
\end{align}

在二百度的範圍內,斯坦哈特-哈特公式的誤差多半小於0.02 °C[4]。例如,室溫下(25 °C = 298.15 K)電阻值為3000 Ω的熱敏電阻,其參數為

\begin{align}
  a &= 1.40 \times 10^{-3} \\
  b &= 2.37 \times 10^{-4} \\
  c &= 9.90 \times 10^{-8}
\end{align}

NTC熱敏電阻的參數[編輯]

NTC熱敏電阻的電阻值隨溫度的上昇而下降,也可以用B(或β)參數來描述其特性,其實就是參數為a = (1/T_{0}) - (1/B) \ln(R_{0}), b = 1/Bc = 0斯坦哈特-哈特公式英語Steinhart–Hart equation

\frac{1}{T}=\frac{1}{T_0} + \frac{1}{B}\ln \left(\frac{R}{R_0}\right)

其中

  • T:溫度,單位為K
  • R0:為溫度T0 (25 °C = 298.15 K)時的電阻

求解R可得

R=R_0e^{-B\left(\frac{1}{T_0} - \frac{1}{T}\right)}

或者

R=r_\infty e^{B/T}

其中r_\infty=R_0 e^{-{B/T_0}}.

因此可以求解溫度為

T={B\over { {\ln{(R / r_\infty)}}}}

B參數的方程也可以表示為\ln R=B/T + \ln r_\infty,可以得熱敏電阻溫度及電阻的方程式轉換為\ln R1/T的線性方程式。由其平均斜率可以得到B參數的估計值。

歷史[編輯]

第一個NTC熱敏電阻是法拉第在1833年研究硫化銀的半導體特性時發現的。法拉第注意到硫化銀的阻值隨着溫度上昇而大幅下降(這也是第一次對於半導體材料特性的記錄) [5]

早期因為熱敏電阻不易生產,且應用的技術受限,商業化的使用一直到1930年代才開始[6]。第一個在商業應用上可行的熱敏電阻是由Samuel Ruben在1930年發明[7]

應用領域[編輯]

  • 溫度偵測
  • 電路開關
  • 湧流抑制
  • 馬達延時啟動
  • 過熱保護

相關條目[編輯]

參考文獻[編輯]

  1. ^ "NTC Thermistors". Micro-chip Technologies. 2010.
  2. ^ 李宏. 神奇的新材料(海洋與科技探索之旅). 青蘋果數據中心. 11 December 2013: 167–. GGKEY:JUBFQGAWFWC. 
  3. ^ Thermistor Terminology. U.S. Sensor
  4. ^ "Practical Temperature Measurements". Agilent Application Note. Agilent Semiconductor.
  5. ^ 1833 - First Semiconductor Effect is Recorded. Computer History Museum. [24 June 2014]. 
  6. ^ McGee, Thomas. Chapter 9. Principles and Methods of Temperature Measurement. John Wiley & Sons. 1988: 203. 
  7. ^ Jones, Deric P. (編). Biomedical Sensors. Momentum Press. 2009: 12. 

外部鏈接[編輯]