PTC热敏电阻原理解析和应用

PTC 是 Positive Temperature Coefficient 的缩写,意思是正的温度系数,泛指正温度系数很大的半导体材料或元器件。

通常我们提到的 PTC 是指正温度系数热敏电阻,简称 PTC 热敏电阻.PTC 热敏电阻是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻,超过一定的温度(居里温度)时,它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高.陶瓷材料通常用作高电阻的优良绝缘体,而陶瓷 PTC 热敏电阻是以钛酸钡为基,掺杂其它的多晶陶瓷材料制造的,具有较低的电阻及半导特性.通过有目的的掺杂 一种化学价较高的材料作为晶体的点阵元来达到的。

在晶格中钡离子或钛酸盐离子的一部分被较高价的离子所替代,因而得到了一定数量产生导电性的自由电子,对于 PTC 热敏电阻效应,也就是电阻值阶跃增高的原因,在于材料组织是由许多小的微晶构成的,在晶粒的界面上,即所谓的晶粒边界(晶界)上形成势垒,阻碍电 子越界进入到相邻区域中去,因此而产生高的电阻.这种效应在温度低时被抵消: 在晶界上高的介电常数和自发的极化强度在低温时阻碍了势垒的形成并使电子可以自由地流动.而这种效应在高温时,介电常数和极化强度大幅度地降低,导致势垒 及电阻大幅度地增高,呈现出强烈的 PTC 效应.PTC 热敏电阻与温度的依赖关系  

 电阻-温度特性通常简称为阻温特性,指在规定的电压下,PTC 热敏电阻零功率电阻与电阻体温度之间的依赖关系。零功率电阻,是指在某一温度下测量 PTC 热敏 电阻值时,加在 PTC 热敏电阻上的功耗极低,低到因其功耗引起的 PTC 热敏电阻的阻值变化可以忽略不计.额定零功率电阻指环境温度 25℃条件下测得的零功率电阻值. 表征阻温特性好坏的重要参数是温度系数 α ,反映的是阻温特性曲线的陡峭程度。温度系数 α 越大,PTC 热敏电阻对温度变化的反应就越灵敏,即 PTC 效应越显著,其相应的 PTC 热敏电阻的性能也就越好,使用寿命就越长。PTC 热敏电阻的温度系数定义为温度变化导致的电阻的相对变化. α =(lgR2-lgR1)/(T2-T1)一般情况下,T1 取 Tc+15, T2 取 Tc+25℃来计算温度系数。

 

 电压和电流的关系(V-I 特性)  电压-电流特性简称伏安特性,它展示了 PTC 热敏电阻在加电气负载达到热平衡的情况下,电压与电流的相互依赖关系。

PTC 热敏电阻的伏安特性大致可分为三个区域:

1.在 0-Vk 之间的区域称为线性区,此间的电压和电流的关系基本符合欧姆定律,不产生明显的非线性变化,也称不动作区。

2.在 Vk-Vmax 之间的区域称为跃变 区,此时由于 PTC 热敏电阻的自热升温,电阻值产生跃变,电流随着电压的上升而下降,所以此区也称动作区。

3.在 VD 以上的区域称为击穿区,此时电流随着电压的上升而上升, PTC 热敏电阻的阻值呈指数型下降,于是电压越高,电流越大,PTC 热敏电阻的温度越高,阻值越低,很快导致 PTC 热敏电阻的热击穿。伏安特性是过载保护 PTC 热敏电阻的重要参考特性。电流和时间的关系(I-t 特性)  电流-时间特性是指 PTC 热敏电阻在施加电压的过程中,电流随时间变化的特性。开始加电瞬间的电流称为起始电流,达到热平衡时的电流称为残余电流。   

 一定环境温度下,给 PTC热敏电阻加一个起始电流(保证是动作电流),通过 PTC热敏电阻的电流降低到起始电流的 50%时经历的时间就是动作时间.电流-时间特性是自动消磁 PTC 热敏电阻、延时启动 PTC 热敏电阻、过载保护 PTC 热敏电阻的重要参考特性。 应用 

 

 晶体管温度补偿电路  晶体管的主要参数,如电流放大倍数、基极-发射极电压、集电极电流等,都与环境温度密切相关。因此,在晶体管电路中需要采取必要的温度补偿措施,才能获得较高的稳定性和较宽的使用环境温度范围。  

采用 NTC 热敏电阻器的晶体管温度补偿电路,普遍存在高温(一般在 50℃以上)补偿不足、输入阻抗随温度升高而下降,功耗较大等缺点。PTC 热敏电阻 晶体管温度补偿电路能克服上述缺点,扩大晶体管使用环境温度范围。 

图一 

图二 

图一中为三种不同接法的晶体管基本补偿电路,适用于不同的晶体管及工作电流,以求保证在较宽的温度范围内的最佳补偿效果。

此外,图一中的第三第三种除有稳定工作电流的作用外,还兼有过热过流保护的功能,即当电流或环境温度超过设定值时,RT 阻值剧增,从而使使晶体管截止。 

 图二中为采用 PTC 热敏电阻的晶体管放大电路。当环境温度变化时,其阻值随之变化使晶体管发射极电压呈反向变化,从而使集电极电流保持稳定。

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