廣泛應(yīng)用的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻
你是否想過(guò)：嬰兒取暖器、自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)、光纖路由器、自動(dòng)調(diào)溫浴盆等有什么相同之處？答案是它們都有一種關(guān)鍵部件：負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。 熱敏電阻是一種電阻值對(duì)溫度敏感的電阻器件，在溫度變化時(shí)，它的電阻值會(huì)按照預(yù)期的規(guī)律來(lái)變化。一般來(lái)說(shuō)，它的電阻會(huì)隨著溫度的上升而減少。在某些熱敏電阻作為電路保護(hù)元件的應(yīng)用中，會(huì)使用正溫度系數(shù)的熱敏電阻，但在溫度控制、溫度補(bǔ)償?shù)葢?yīng)用中，則是廣泛地使用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。
負(fù)溫度熱敏電阻的特性 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的基礎(chǔ)材料一般都是金屬氧化物的混合物。熱敏電阻的穩(wěn)定性、電阻特性、電阻溫度特性都可以通過(guò)改變電阻材料的化學(xué)成分和改變處理過(guò)程中的參數(shù)來(lái)進(jìn)行控制。這樣，就有各種不同特性的熱敏電阻可供選擇。再經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)暮筇幚恚邕m當(dāng)?shù)姆庋b技術(shù)，還可以進(jìn)一步改善穩(wěn)定性和電氣特性。取決于不同的結(jié)構(gòu)，熱敏電阻的工作溫度范圍可以從-80℃～600℃，甚至更高。 現(xiàn)在，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻隨著溫度的升高阻值可以有較大的減少：當(dāng)溫度從25℃上升到100℃時(shí)，典型的電阻變化量可以減少16%。 熱敏電阻的溫度電阻特性是非線性的，這種特性可以由Steinhart-Hart議程來(lái)定義。熱敏控制和溫度補(bǔ)償?shù)葢?yīng)用都是依賴于這種溫度電阻特性。 熱敏電阻在低電流時(shí)的功耗是很小的。在溫度不變時(shí)，熱敏電阻和一般固定電阻的特性相同：它的電壓和電流有線性關(guān)系。當(dāng)電流增加時(shí)，熱敏電阻不能消耗掉所產(chǎn)生的功率，結(jié)果是電阻上的電壓不隨電流線性增加，而是相對(duì)較小。這種現(xiàn)象也稱為“自熱”。典型的應(yīng)用如熱流量檢測(cè)和電平檢測(cè)等。 當(dāng)熱敏電阻的功率作跳躍式變化時(shí)，在達(dá)到穩(wěn)定的電流前總有一個(gè)時(shí)間的延遲。在這個(gè)時(shí)間延遲期間，熱敏電阻的電流將逐漸上升，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間T后達(dá)到穩(wěn)定。這種特性的最典型應(yīng)用是限制電流的突然增長(zhǎng)。
負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的類型 盤(pán)形熱敏電阻具有一個(gè)扁平型的熱敏電阻片，并帶有焊接的引線（圖1）?？梢允清兡せ虿诲兡さ摹１P(pán)形熱敏電阻通常用在成本低、功耗不大的場(chǎng)合，但不適合高精度、小尺寸和高靈敏度的場(chǎng)合。典型的工作溫度范圍為-40℃～+125℃。 薄片型熱敏電阻是將引線焊接在一對(duì)平行極板上的片狀熱敏電阻，外部經(jīng)過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂封裝（圖2）。這類熱敏電阻經(jīng)過(guò)精細(xì)的處理，可以得到很小的電阻誤差。這種薄片型熱敏電阻最適合在需要高精度、高穩(wěn)定性、而價(jià)格又比較適中的應(yīng)用場(chǎng)合。這類熱敏電阻的設(shè)計(jì)還可以有若干選項(xiàng)，便利它們可以適用于各種不同的設(shè)計(jì)環(huán)境。它們的典型工作溫度范圍也是-40℃～+125℃。 表面貼裝式（Surface-mount）熱敏電阻是一種有標(biāo)準(zhǔn)形狀的器件，帶有一端彎曲的電極，這使得它們更適合于在電路板上用機(jī)械設(shè)備來(lái)插、拔（圖3）。在生產(chǎn)時(shí)，可以使用各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和適當(dāng)?shù)奶幚磉^(guò)程，使得產(chǎn)生的質(zhì)量可以有多種選擇。近來(lái)這類電阻在設(shè)計(jì)上的改進(jìn)，使得表面貼裝式熱敏電阻可以應(yīng)用在以前只能使用帶有引線的熱敏電阻的場(chǎng)合。它們的典型工作溫度范圍是-50℃～+125℃。 玻璃珠型熱敏電阻在制造時(shí)將外部的引線焊接到一個(gè)很小的珠型熱敏電阻上，再封裝在一個(gè)小玻璃管里（圖4）。這類熱敏電陰的穩(wěn)定性特別好，可工作在較高的溫度下（+300℃），但精確度較差。盡管這類熱敏電阻的設(shè)計(jì)相對(duì)較早，但小型產(chǎn)品又有了一種新的應(yīng)用：在光纖通信路由器中作溫度管理。 玻璃封裝熱敏電阻是由玻璃密封的片狀熱敏電阻，并帶有軸向的引線（圖5）。這種封裝的熱敏電阻具有薄片狀熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)，并具有玻璃封裝熱敏電阻的高工作溫度，穩(wěn)定性則并不突出。
熱敏電阻的應(yīng)用 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻有多種不同的應(yīng)用，既可作為電路元件，也可用作溫度敏感探針。 熱敏電阻在一些設(shè)備的功率管理中起著非常關(guān)鍵的作用，如無(wú)線話機(jī)、筆記本電腦、個(gè)人數(shù)字助理（PDA）等。如果充電電流很大，這些設(shè)備的電池完成充電就會(huì)很快。但同時(shí)也會(huì)存在過(guò)熱的危險(xiǎn)。如果過(guò)熱便利溫度超過(guò)了電池的居里溫度，電池的損壞就不能恢復(fù)。但如果充電電流太低，則電流充電時(shí)間就會(huì)長(zhǎng)到無(wú)法忍受。在電池電路中使用熱敏電阻，就可以檢測(cè)過(guò)量的電流或電流的過(guò)熱，從而調(diào)整充電的速率。其結(jié)果是，電池開(kāi)始充電時(shí)的電流會(huì)比較大，這樣，在比較短的時(shí)間內(nèi)就可以以較大的充電電流快速充電。而當(dāng)將要達(dá)到臨界電流或臨界溫度時(shí)，可以控制充電的速度使之降低，然后，再比較平穩(wěn)地完成充電。玻璃封裝熱敏電阻可選作這種限制電流的器件，不過(guò)，將很快被表面封裝式熱敏電阻所代替。 筆記本電腦越來(lái)越小的尺寸也對(duì)工程師進(jìn)出了挑戰(zhàn)。電腦的主板對(duì)溫度是非常敏感的，而主板又是非常接近發(fā)熱的電源電路，不斷提高的CPU主頻不僅提高了CPU的速度，也使得它的工作溫度更高了。在這種場(chǎng)合，表面封裝式熱敏電阻既可以快速響應(yīng)來(lái)進(jìn)行過(guò)熱的保護(hù)，也比較容易使用，但有時(shí)也無(wú)法將熱敏電阻安裝在需要的位置。將表面封裝式熱敏電阻結(jié)合一種特殊形狀的帶狀線可以將溫度敏感元件放在特定的敏感點(diǎn)，從而進(jìn)一步提高了保護(hù)的能力。 食品和藥品工業(yè)在運(yùn)輸過(guò)程中也使用溫度控制來(lái)保證產(chǎn)品的質(zhì)量。為了防止部分或全部地?fù)p失藥品的有效性，有不少藥品在運(yùn)輸中要精確地控制溫度和溫度。在運(yùn)輸過(guò)程中溫度記錄器不斷地管理著運(yùn)輸?shù)臈l件。典型的記錄器可能是一組放在不同位置的測(cè)試卡，它可以包含內(nèi)部熱敏電阻元件，外部熱敏電阻探針，或兩者兼而有之。記錄器的參數(shù)，如記錄的頻度，通常是由PC機(jī)通過(guò)串行口來(lái)控制的。有各種不同的探針可以滿足不同應(yīng)用環(huán)境的需要。 溫度通常是人體最經(jīng)常測(cè)量的參數(shù)，并且一直是多種人體嚴(yán)重情況的早期警告。特別是新生兒，更是要通過(guò)體溫來(lái)仔細(xì)地監(jiān)察他們的狀態(tài)。 在醫(yī)院的環(huán)境中新生兒經(jīng)常用取暖器，甚至嬰兒箱來(lái)保持溫度。溫度調(diào)節(jié)可用一個(gè)安放在嬰兒腹部的熱敏電阻探針來(lái)實(shí)現(xiàn)。嬰兒箱通常是密封的，除了要監(jiān)控嬰兒的溫度外，還要控制嬰兒箱內(nèi)的空氣。 一種通過(guò)熱電堆探測(cè)紅外輻射以測(cè)試溫度的耳膜溫度計(jì)在醫(yī)院和家庭都有廣泛的應(yīng)用。為了保證精確的測(cè)量，使用一個(gè)熱敏電阻來(lái)調(diào)整熱電堆對(duì)于周圍溫度的測(cè)量。 另一個(gè)很有意思的應(yīng)用是心肌熱敏電阻探針。在做心臟手術(shù)時(shí)，經(jīng)常要降低心臟的溫度以保護(hù)心臟的安全。但這時(shí)心臟溫度的控制必須十分精確。為此，可以將一個(gè)熱敏電阻封裝在探針（長(zhǎng)0.5～1.0英寸）內(nèi)，探針則插入到心臟肌肉中。探針連接到一個(gè)監(jiān)控器，以便隨時(shí)為專家提供精確的溫度信息。 一種可靠的測(cè)量心臟中血液流動(dòng)情況的方法是使用一種熱力導(dǎo)管。這種導(dǎo)管有多個(gè)通道。其中一個(gè)通道中有一個(gè)熱敏電阻，另一個(gè)則用來(lái)向心臟注入冷凍的鹽水溶液，其他的通道則可根據(jù)需要來(lái)安排。這個(gè)導(dǎo)管道過(guò)上動(dòng)脈插入心臟。在鹽水溶液注入動(dòng)脈時(shí)，熱敏電阻連續(xù)地測(cè)量測(cè)試的下降情況和停止注入后溫度的上升情況。溫度恢復(fù)到正常人體溫度的時(shí)間可以反映動(dòng)脈的通暢程度。這種診斷過(guò)程所得到的以幫助醫(yī)生決定治療方案。 汽車工業(yè)現(xiàn)在化替了空間工業(yè)成為傳感技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)者。長(zhǎng)期以來(lái)，熱敏電阻廣泛地用來(lái)測(cè)量水的溫度，現(xiàn)在，則有許多新的應(yīng)用。這些應(yīng)用中有許多是應(yīng)用在豪華轎車中的，而且這將很快成為熱敏電阻的一種主流的應(yīng)用。 現(xiàn)在對(duì)熱敏電阻工業(yè)提出了更高的要求：更小的尺寸、更高的穩(wěn)定性、更好的高溫測(cè)試性能，等等，在所有這些方面現(xiàn)在都取得了進(jìn)展。在這些進(jìn)展的基礎(chǔ)上將會(huì)有許多更新的應(yīng)用：包括更精確的患者溫度的監(jiān)控、微小溫差傳感器、用來(lái)改進(jìn)燃料效率的汽車中的高溫傳感器，等等?；仡櫉崦綦娮钁?yīng)用200年來(lái)的進(jìn)展，可以相信，現(xiàn)在熱敏電阻工業(yè)和研究的進(jìn)展一定可以滿足電子工業(yè)現(xiàn)在和將來(lái)對(duì)于熱敏傳感所提出的各種需求。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2017-12-13
