NTC熱敏電阻專家-南京華巨電子有限公司,本文詳細介紹了NTC熱敏電阻基礎知識,應用范圍,參考電路,以及NTC阻值與溫度或者溫度與阻值之間關系的計算方法,是一片不可多得的NTC熱敏電阻的介紹文章,即使初學者第一次使用NTC熱敏電阻也能很好的把NTC熱敏電阻熟練的應用起來。

NTC負溫度系數熱敏電阻

NTC熱敏電阻是指具有負溫度系數的熱敏電阻。是使用單一高純度材料、具有接近理論密度結構的高性能陶瓷。因此,在實現小型化的同時,還具有電阻值、溫度特性波動小、對各種溫度變化響應快的特點,可進行高靈敏度、高精度的檢測。本公司提供各種形狀、特性的小型、高可靠性產品,可滿足廣大客戶的應用需求。

NTC負溫度系數熱敏電阻工作原理

NTC是Negative Temperature Coefficient 的縮寫,意思是負的溫度系數,泛指負溫度系數很大的半導體材料或元器件,所謂NTC熱敏電阻器就是負溫度系數熱敏電阻器。它是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料,采用陶瓷工藝制造而成的。這些金屬氧化物材料都具有半導體性質,因為在導電方式上完全類似鍺、硅等半導體材料。溫度低時,這些氧化物材料的載流子(電子和孔穴)數目少,所以其電阻值較高;隨著溫度的升高,載流子數目增加,所以電阻值降低。NTC熱敏電阻器在室溫下的變化范圍在10O~1000000歐姆,溫度系數-2%~-6.5%。NTC熱敏電阻器可廣泛應用于溫度測量、溫度補償、抑制浪涌電流等場合。

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NTC負溫度系數熱敏電阻專業術語

零功率電阻值 RT(Ω)

RT指在規定溫度 T 時,采用引起電阻值變化相對于總的測量誤差來說可以忽略不計的測量功率測得的電阻值。

電阻值和溫度變化的關系式為:

RT = RN expB(1/T – 1/TN)

RT :在溫度 T ( K )時的 NTC 熱敏電阻阻值。
RN :在額定溫度 TN ( K )時的 NTC 熱敏電阻阻值。
T :規定溫度( K )。
B : NTC 熱敏電阻的材料常數,又叫熱敏指數。
exp :以自然數 e 為底的指數( e = 2.71828 …)。

該關系式是經驗公式,只在額定溫度 TN 或額定電阻阻值 RN 的有限范圍內才具有一定的精確度,因為材料常數 B 本身也是溫度 T 的函數。

額定零功率電阻值 R25 (Ω)

根據國標規定,額定零功率電阻值是 NTC 熱敏電阻在基準溫度 25 ℃ 時測得的電阻值 R25,這個電阻值就是 NTC 熱敏電阻的標稱電阻值。通常所說 NTC 熱敏電阻多少阻值,亦指該值。

材料常數(熱敏指數) B 值( K )

B 值被定義為:

RT1 :溫度 T1 ( K )時的零功率電阻值。
RT2 :溫度 T2 ( K )時的零功率電阻值。
T1, T2 :兩個被指定的溫度( K )。

對于常用的 NTC 熱敏電阻, B 值范圍一般在 2000K ~ 6000K 之間。

零功率電阻溫度系數(αT )

在規定溫度下, NTC 熱敏電阻零動功率電阻值的相對變化與引起該變化的溫度變化值之比值。

αT :溫度 T ( K )時的零功率電阻溫度系數。
RT :溫度 T ( K )時的零功率電阻值。
T :溫度( T )。
B :材料常數。

耗散系數(δ)

在規定環境溫度下, NTC 熱敏電阻耗散系數是電阻中耗散的功率變化與電阻體相應的溫度變化之比值。

 δ: NTC 熱敏電阻耗散系數,( mW/ K )。
△ P : NTC 熱敏電阻消耗的功率( mW )。
△ T : NTC 熱敏電阻消耗功率△ P 時,電阻體相應的溫度變化( K )。

熱時間常數(τ)

在零功率條件下,當溫度突變時,熱敏電阻的溫度變化了始未兩個溫度差的 63.2% 時所需的時間,熱時間常數與 NTC 熱敏電阻的熱容量成正比,與其耗散系數成反比。

τ:熱時間常數( S )。
C: NTC 熱敏電阻的熱容量。
δ: NTC 熱敏電阻的耗散系數。

額定功率Pn

在規定的技術條件下,熱敏電阻器長期連續工作所允許消耗的功率。在此功率下,電阻體自身溫度不超過其最高工作溫度。

最高工作溫度Tmax

在規定的技術條件下,熱敏電阻器能長期連續工作所允許的最高溫度。即:

T0-環境溫度。

測量功率Pm

熱敏電阻在規定的環境溫度下, 阻體受測量電流加熱引起的阻值變化相對于總的測量誤差來說可以忽略不計時所消耗的功率。
一般要求阻值變化大于0.1%,則這時的測量功率Pm為: 

電阻溫度特性

NTC熱敏電阻的溫度特性可用下式近似表示:

式中:
RT:溫度T時零功率電阻值。
A:與熱敏電阻器材料物理特性及幾何尺寸有關的系數。 
B:B值。
T:溫度(k)。
更精確的表達式為:

式中:RT:熱敏電阻器在溫度T時的零功率電阻值。
   T:為絕對溫度值,K;
   A、B、C、D:為特定的常數。

點擊下載A、B、C、D常數計算工具


熱敏電阻的基本特性

電阻-溫度特性

熱敏電阻的電阻-溫度特性可近似地用式1表示。

(式1) R=Ro exp {B(I/T-I/To)}

R : 溫度T(K)時的電阻值
Ro : 溫度T0(K)時的電阻值
B : B 值
*T(K)= t(ºC)+273.15


但實際上,熱敏電阻的B值并非是恒定的,其變化大小因材料構成而異,最大甚至可達5K/°C。因此在較大的溫度范圍內應用式1時,將與實測值之間存在一定誤差。

此處,若將式1中的B值用式2所示的作為溫度的函數計算時,則可降低與實測值之間的誤差,可認為近似相等。

(式2) BT=CT2+DT+E

上式中,C、D、E為常數。
另外,因生產條件不同造成的B值的波動會引起常數E發生變化,但常數C、D 不變。因此,在探討B值的波動量時,只需考慮常數E即可。


  常數C、D、E的計算
常數C、D、E可由4點的(溫度、電阻值)數據 (T0, R0). (T1, R1). (T2, R2) and (T3, R3),通過式3~6計算。
首先由式樣3根據T0和T1,T2,T3的電阻值求出B1,B2,B3,然后代入以下各式樣。




  電阻值計算例

試根據電阻-溫度特性表,求25°C時的電阻值為5(kΩ),B值偏差為50(K)的熱敏電阻在10°C~30°C的電阻值。

  步 驟

(1) 根據電阻-溫度特性表,求常數C、D、E。

To=25+273.15   T1=10+273.15   T2=20+273.15   T3=30+273.15

(2) 代入BT=CT2+DT+E+50,求BT

(3) 將數值代入R=5exp {(BTI/T-I/298.15)},求R。
*T : 10+273.15~30+273.15



  電阻-溫度特性圖如圖1所示

電阻溫度系數

所謂電阻溫度系數(α),是指在任意溫度下溫度變化1°C(K)時的零負載電阻變化率。電阻溫度系數(α)與B值的關系,可將式1微分得到。



這里α前的負號(-),表示當溫度上升時零負載電阻降低。

散熱系數 (JIS-C2570)

散熱系數(δ)是指在熱平衡狀態下,熱敏電阻元件通過自身發熱使其溫度上升1°C時所需的功率。
在熱平衡狀態下,熱敏電阻的溫度T1、環境溫度T2及消耗功率P之間關系如下式所示。



產品目錄記載值為下列測定條件下的典型值。

    (1) 25°C靜止空氣中。
    (2) 軸向引腳、經向引腳型在出廠狀態下測定。

額定功率(JIS-C2570)

在額定環境溫度下,可連續負載運行的功率最大值。
產品目錄記載值是以25°C為額定環境溫度、由下式計算出的值。

(式) 額定功率=散熱系數×(最高使用溫度-25)

最大運行功率

最大運行功率=t×散熱系數 … (3.3)
這是使用熱敏電阻進行溫度檢測或溫度補償時,自身發熱產生的溫度上升容許值所對應功率。(JIS中未定義。)容許溫度上升t°C時,最大運行功率可由下式計算。

應環境溫度變化的熱響應時間常數(JIS-C2570)

指在零負載狀態下,當熱敏電阻的環境溫度發生急劇變化時,熱敏電阻元件產生最初溫度與最終溫度兩者溫度差的63.2%的溫度變化所需的時間。

熱敏電阻的環境溫度從T1變為T2時,經過時間t與熱敏電阻的溫度T之間存在以下關系。

T= (T1-T2)exp(-t/τ)+T2......(3.1)
(T2-T1){1-exp(-t/τ)}+T1.....(3.2)
常數τ稱熱響應時間常數。
上式中,若令t=τ時,則(T-T1)/(T2-T1)=0.632。

換言之,如上面的定義所述,熱敏電阻產生初始溫度差63.2%的溫度變化所需的時間即為熱響應時間常數。

經過時間與熱敏電阻溫度變化率的關系如下表所示。




產品目錄記錄值為下列測定條件下的典型值。
    (1) 靜止空氣中環境溫度從50°C至25°C變化時,熱敏電阻的溫度變化至34.2°C所需時間。
    (2) 軸向引腳、徑向引腳型在出廠狀態下測定。

另外應注意,散熱系數、熱響應時間常數隨環境溫度、組裝條件而變化。

 


 

NTC負溫度系數熱敏電阻R-T特性 
 

   
B 值相同, 阻值不同的 R-T 特性曲線示意圖 

 

相同阻值,不同B值的NTC熱敏電阻R-T特性曲線示意圖

 

 


 

度測量、控制用NTC熱敏電阻器

外形結構

環氧封裝系列NTC熱敏電阻

玻璃封裝系列NTC熱敏電阻

應用電路原理圖

溫度測量(惠斯登電橋電路)

溫度控制

應用設計

  • 電子溫度計、電子萬年歷、電子鐘溫度顯示、電子禮品;
  • 冷暖設備、加熱恒溫電器;
  • 汽車電子溫度測控電路;
  • 溫度傳感器、溫度儀表;
  • 醫療電子設備、電子盥洗設備;
  • 手機電池及充電電器。

溫度補償用NTC熱敏電阻器

產品概述

許多半導體和ICs有溫度系數而且要求溫度補償,以在較大的溫度范圍中達到穩定性能的作用,由于NTC熱敏電阻器有較高的溫度系數,所以廣泛應用于溫度補償。

主要參數

額定零功率電阻值R25 (Ω)
R25允許偏差(%)
B值(25/50 ℃)/(K)
時間常數 ≤30S
耗散系數 ≥6mW/ ℃
測量功率 ≤0.1mW
額定功率 ≤0.5W
使用溫度范圍 -55 ℃ ~+125 ℃

降功耗曲線:

應用原理及實例

為了避免電子電路中在開機瞬間產生的浪涌電流,在電源電路中串接一個功率型NTC熱敏電阻,能有效的抑制開機時的浪涌電流,并在完成浪涌電流抑制作用后,由于通過其電流的持續作用,功率型熱敏電阻的阻值將下降的一個非常小的程度,它消耗的功率可以忽略不計,不會對正常的工作電流造成影響,所以在電源回路中使用功率型NTC熱敏電阻,是抑制開機浪涌電流保護電子設備免遭破壞的最為簡便而有效的措施。

NTC熱敏電阻電路,NTC溫度傳感器電路,NTC測溫電路圖-華巨電子


溫度是實際應用中經常需要測試的參數,從鋼鐵制造到半導體生產,很多工藝都要依靠溫度來實現,溫度傳感器是應用系統與現實世界之間的橋梁。本文對不同的溫度傳感器進行簡要概述,并介紹與電路系統之間的接口。

 

1:熱敏電阻器的電阻/溫度曲線。

溫度測量應用非常廣泛,不僅生產工藝需要溫度控制,有些電子產品還需對它們自身的溫度進行測量,如計算機要監控CPU的溫度,馬達控制器要知道功率驅動IC的溫度等等,下面介紹幾種常用的溫度傳感器

熱敏電阻器

用來測量溫度的傳感器種類很多,熱敏電阻器就是其中之一。許多熱敏電阻具有負溫度系數(NTC),也就是說溫度下降時它的電阻值會升高。在所有被動式溫度傳感器中,熱敏電阻的靈敏度(即溫度每變化一度時電阻的變化)最高,但熱敏電阻的電阻/溫度曲線是非線性的。

1是一個典型的NTC熱敏電阻器性能參數,這些數據是對

2:熱敏電阻測量溫度的典型電路

熱敏電阻進行量測得到的,但它也代表了NTC熱敏電阻的總體情況。其中電阻值以一個比率形式給出(R/R25),該比率表示當前溫度下的阻值與25℃時的阻值之比,通常同一系列的熱敏電阻器具有類似的特性和相同電阻/溫度曲線。以表1中的熱敏電阻系列為例,25℃時阻值為10KΩ的電阻,在0℃時電阻為28.1KΩ,60℃時電阻為4.086KΩ;與此類似,25℃時電阻為5KΩ的熱敏電阻在0℃時電阻則為14.050KΩ。

1是熱敏電阻的溫度曲線,可以看到電阻/溫度曲線是非線性的。雖然這里的熱敏電阻數據以10℃為增量,但有些熱敏電阻可以以5℃甚至1℃為增量。如果想要知道兩點之間某一溫度下的阻值,可以用這個曲線來估計,也可以直接計算出電阻值,計算公式如下:

這里T指開氏絕對溫度,ABCD是常數,根據熱敏電阻的特性而各有不同,這些參數由熱敏電阻的制造商提供。

熱敏電阻一般有一個誤差范圍,用來規定樣品之間的一致性。根據使用的材料不同,誤差值通常在1%10%之間。有些熱敏電阻設計成應用時可以互換,用于不能進行現場調節的場合,例如一臺儀器,用戶或現場工程師只能更換熱敏電阻而無法進行校準,這種熱敏電阻比普通的精度要高很多,也要貴得多。

2是利用熱敏電阻測量溫度的典型電路。電阻R1將熱敏電阻的電壓拉升到參考電壓,一般它與ADC的參考電壓一致,因此如果ADC的參考電壓是5VVref也將是5V。熱敏電阻和電阻串聯產生分壓,其阻值變化使得節點處的電壓也產生變化,該電路的精度取決于熱敏電阻和電阻的誤差以及參考電壓的精度。

     自熱問題

    

 

2:熱敏電阻測量溫度的典型電路。

 

由于熱敏電阻是一個電阻,電流流過它時會產生一定的熱量,因此電路設計人員應確保拉升電阻足夠大,以防止熱敏電阻自熱過度,否則系統測量的是熱敏電阻發出的熱,而不是周圍環境的溫度。

熱敏電阻消耗的能量對溫度的影響用耗散常數來表示,它指將熱敏電阻溫度提高比環境溫度高1℃所需要的毫瓦數。耗散常數因熱敏電阻的封裝、管腳規格、包封材料及其它因素不同而不一樣。

系統所允許的自熱量及限流電阻大小由測量精度決定,測量精度為±5℃的測量系統比精度為±1℃測量系統可承受的熱敏電阻自熱要大。

3:對熱敏電阻進行標定。

應注意拉升電阻的阻值必須進行計算,以限定整個測量溫度范圍內的自熱功耗。給定出電阻值以后,由于熱敏電阻阻值變化,耗散功率在不同溫度下也有所不同。

有時需要對熱敏電阻的輸入進行標定以便得到合適的溫度分辨率,圖3是一個將1040℃溫度范圍擴展到ADC整個05V輸入區間的電路。運算放大器輸出公式如下:

一旦熱敏電阻的輸入標定完成以后,就可以用圖表表示出實際電阻與溫度的對應情況。由于熱敏電阻是非線性的,所以需要用圖表表示,系統要知道對應每一個溫度ADC的值是多少,表的精度具體是以1℃為增量還是以5℃為增量要根據具體應用來定。

     累積誤差

用熱敏電阻測量溫度時,在輸入電路中要選擇好傳感器及其它元件,以便和所需要的精度相匹配。有些場合需要精度為1%的電阻,而有些可能需要精度為0.1%的電阻。在任何情況下都應用一張表格算出所有元件的累積誤差對測量精度的影響,這些元件包括電阻、參考電壓及熱敏電阻本身。

如果要求精度高而又想少花一點錢,則需要在系統構建好后對它進行校準,由于線路板及熱敏電阻必須在現場更換,所以一般情況下不建議這樣做。在設備不能作現場更換或工程師有其它方法監控溫度的情況下,也可以讓軟件建一張溫度對應ADC變化的表格,這時需要用其它工具測量實際溫度值,軟件才能創建相對應的表格。對于有些必須要現場更換熱敏電阻的系統,可以將要更換的元件(傳感器或整個模擬前端)在出廠前就校準好,并把校準結果保存在磁盤或其它存儲介質上,當然,元件更換后軟件必須要能夠知道使用校準后的數據。

4RTD與熱敏電阻的電阻/溫度曲線的比較。

總的來說,熱敏電阻是一種低成本溫度測量方法,而且使用也很簡單,下面我們介紹電阻溫度探測器和熱電偶溫度傳感器。

電阻溫度探測器

電阻溫度探測器(RTD)實際上是一根特殊的導線,它的電阻隨溫度變化而變化,通常RTD材料包括銅、鉑、鎳及鎳/鐵合金。RTD元件可以是一根導線,也可以是一層薄膜,采用電鍍或濺射的方法涂敷在陶瓷類材料基底上。

RTD的電阻值以0℃阻值作為標稱值。0 100Ω鉑RTD電阻在1℃時它的阻值通常為100.39Ω,50℃時為119.4Ω,圖4RTD電阻/溫度曲線與熱敏電阻的電阻/溫度曲線的比較。RTD的誤差要比熱敏電阻小,對于鉑來說,誤差一般在0.01%,鎳一般為0.5%。除誤差和電阻較小以外,RTD與熱敏電阻的接口電路基本相同。

熱電偶

熱電偶由兩種不同金屬結合而成,它受熱時會產生微小的電壓,電壓大小取決于組成熱電偶的兩種金屬材料,鐵-康銅(J)、銅-康銅(T)和鉻-(K)熱電偶是最常用的三種。

5:熱點偶溫度測量接口電路。

熱電偶產生的電壓很小,通常只有幾毫伏。K型熱電偶溫度每變化1℃時電壓變化只有大約40μV,因此測量系統要能測出4μV的電壓變化測量精度才可以達到0.1℃。

由于兩種不同類型的金屬結合在一起會產生電位差,所以熱電偶與測量系統的連接也會產生電壓。一般把連接點放在隔熱塊上以減小這一影響,使兩個節點處以同一溫度下,從而降低誤差。有時候也會測量隔熱塊的溫度,以補償溫度的影響(5)

測量熱電偶電壓要求的增益一般為100300,而熱電偶擷取的噪聲也會放大同樣的倍數。通常采用測量放大器來放大信號,因為它可以除去熱電偶連線里的共模噪聲。市場上還可以買到熱電偶信號調節器,如模擬器件公司的AD594/595,可用來簡化硬件接口。

固態熱傳感器

1:典型NTC熱敏電阻器性能參數。

最簡單的半導體溫度傳感器就是一個PN結,例如二極管或晶體管基極-發射極之間的PN結。如果一個恒定電流流過正向偏置的硅PN結,正向壓降在溫度每變化1℃時會降低1.8mV。很多IC利用半導體的這一特性來測量溫度,包括美信的MAX1617、國半的LM335LM74等等。半導體傳感器的接口形式多樣,從電壓輸出到串行SPI/微線接口都可以。

溫度傳感器種類很多,通過正確地選擇軟件和硬件,一定可以找到適合自己應用的傳感器。

以下推薦幾款村田NTC熱敏電阻測溫電路:

 

功率型NTC熱敏電阻器的選用原則
    1.電阻器的最大工作電流〉實際電源回路的工作電流
    2.功率型電阻器的標稱電阻值
        R≥1.414*E/Im
      式中  E為線路電壓  Im為浪涌電流
            對于轉換電源,逆變電源,開關電源,UPS電源, Im=100倍工作電流
            對于燈絲,加熱器等回路   Im=30倍工作電流
    3.B值越大,殘余電阻越小,工作時溫升越小
    4.一般說,時間常數與耗散系數的乘積越大,則表示電阻器的熱容量越大,電阻器抑制浪涌電流的能力也越強。

功率型NTC熱敏電阻,主要應用于開關電源,UPS,大功率電子產品的開機防浪涌

MF72功率型熱敏電阻

SCD大功率NTC熱敏電阻

MF74超大功率型熱敏電阻

MF72功率型NTC熱敏電阻 MF73大功率型NTC熱敏電阻 MF74超大功率型NTC熱敏電阻
0.1A~11A 2A~32A 10A~36A

下圖為使用MF72熱敏電阻前后浪涌電流得比較曲線圖,虛線為使用熱敏電阻前,實線為使用熱敏電阻后。

隨著電子產品對可靠性要求的不斷提高和能源資源的日益緊縮,高可靠性和高效節能的電子產品將是未來電子產品發展的一個方向,因此在產品的電源設計上,必須要充分考慮其可靠性能和電源使用效率。
本文首先分析電子產品為什么會有開機浪涌,然后以典型的電源電路為例分析如何使用熱敏電阻抑制浪涌電流,最后介紹熱敏電阻在實際應用中應如何選型。
開機浪涌電流產生的原因

1是典型的電子產品電源部分簡化電路,C1是與負載并聯的濾波電容。在開機上電的瞬間,電容電壓不能突變,因此會產生一個很大的充電電流。根據一階電路零狀態響應模型所建立的一階線性非齊次方程可以求出其電流初始值相當于把濾波電容短路而得到的電流值。這個電流就是我們常說的輸入浪涌電流,它是在對濾波電容進行初始充電時產生的,其大小取決于啟動上電時輸入電壓的幅值以及由橋式整流器和電解電容其所形成的回路的總電阻。

1 電源示意圖

假設輸入電壓V1220Vac,整個電網內阻(含整流橋和濾波電容)Rs=1Ω,若正好在電源輸入波形達到90度相位的時候開機,那么開機瞬間浪涌電流的峰值將達到I=220×1.414/1=311(A)。這個浪涌電流雖然時間很短,但如果不加以抑制,會減短輸入電容和整流橋的壽命,還可能造成輸入電源電壓的降低,讓使用同一輸入電源的其它動力設備瞬間掉電,對臨近設備的正常工作產生干擾。

浪涌電流的抑制

浪涌電流的抑制方法有很多,一般中小功率電源中采用電阻限流的辦法抑制開機浪涌電流。圖2是一個常見的110V/220V雙輸入電源示意圖,以此為例,我們分析一下如何使用NTC熱敏電阻進行浪涌電流的抑制。

2 110/220Vac雙輸入電源示意圖

NTC
熱敏電阻,即負溫度系數熱敏電阻,其特性是電阻值隨著溫度的升高而呈非線性的下降。NTC在應用上一般分為測溫熱敏電阻和功率型熱敏電阻,用于抑制浪涌的NTC熱敏電阻指的就是功率型熱敏電阻器。

2R1~R4為熱敏電阻浪涌抑制器通常放置的位置。對于同時兼容110Vac220Vac輸入的雙電壓輸入產品,應該在R1R2位置同時放兩個NTC熱敏電阻,這樣可使在110Vac輸入連接線連接時和220Vac輸入連接線斷開時的沖擊電流大小一致,也可單獨在R3R4處放置一個NTC熱敏電阻。對于只有220Vac輸入的單電壓產品,只需在R3R1位置放1NTC熱敏電阻即可。

其工作原理如下:

在常溫下,NTC熱敏電阻具有較高的電阻值(一般選用10Ω),即標稱零功率電阻值。參考圖1的例子,串接10ΩNTC時,開機浪涌電流為:I=220×1.414/(1+10)= 28(A),比未使用NTC熱敏電阻時的311A降低了10倍,有效的起到了抑制浪涌電流的作用。

開機后,由于NTC熱敏電阻迅速發熱、溫度升高,其電阻值會在毫秒級的時間內迅速下降到一個很小的級別,一般只有零點幾歐到幾歐的大小,相對于傳統的固定阻值限流電阻而言,這意味著電阻上的功耗因為阻值的下降隨之降低了幾十到上百倍,因此這種設計非常適合對轉換效率和節能有較高要求的產品,如開關電源。

斷電后,NTC熱敏電阻隨著自身的冷卻,電阻值會逐漸恢復到標稱零功率電阻值,恢復時間需要幾十秒到幾分鐘不等。下一次啟動時,又按上述過程循環。

改進型電源設計

上述使用NTC浪涌抑制器的電路與使用固定電阻的電路相比,已經具備了節能的特性。對于某些特殊的產品,如工業產品,有時客戶會提出如下要求:1、如何降低NTC的故障率以提高其使用壽命?2、如何將NTC的功耗降至最低?3、如何使串聯了NTC熱敏電阻的電源電路能適應循環開關的應用條件?

對于第12兩點,因為NTC熱敏電阻的主要作用是抑制浪涌,產品正常啟動后它所消耗的能量是我們不需要的,如果有一種可行的辦法能將NTC熱敏電阻從正常工作的電路中切斷,就可以滿足這種要求。

對于第3點,首先分析為什么使用了NTC熱敏電阻的產品不能頻繁開關。從電路工作原理的分析我們可以看到,在正常工作狀態下,是有一定電流通過NTC熱敏電阻的,這個工作電流足以使NTC的表面溫度達到100200。當產品關斷時,NTC熱敏電阻必須要從高溫低阻狀態完全恢復到常溫高阻狀態才能達到與上一次同等的浪涌抑制效果。這個恢復時間與NTC熱敏電阻的耗散系數和熱容有關,工程上一般以冷卻時間常數作為參考。所謂冷卻時間常數,指的是在規定的介質中,NTC熱敏電阻自熱后冷卻到其溫升的63.2%所需要的時間(單位為秒)。冷卻時間常數并不是NTC熱敏電阻恢復到常態所需要的時間,但冷卻時間常數越大,所需要的恢復時間就越長,反之則越短。

在上述思路的指導下,產生了圖3的改進型電路。產品上電瞬間,NTC熱敏電阻將浪涌電流抑制到一個合適的水平,之后產品得電正常工作,此時繼電器線圈從負載電路得電后動作,將NTC熱敏電阻從工作電路中切去。這樣,NTC熱敏電阻僅在產品啟動時工作,而當產品正常工作時是不接入電路的。這樣既延長了NTC熱敏電阻的使用壽命,又保證其有充分的冷卻時間,能適用于需要頻繁開關的應用場合。

3 帶繼電器旁路電路的電源設計示意圖

NTC
熱敏電阻的選型

NTC
熱敏電阻的選型要考慮以下幾個要點:

最大額定電壓和濾波電容值

濾波電容的大小決定了應該選用多大尺寸的NTC。對于某個尺寸的NTC熱敏電阻來說,允許接入的濾波電容的大小是有嚴格要求的,這個值也與最大額定電壓有關。在電源應用中,開機浪涌是因為電容充電產生的,因此通常用給定電壓值下的允許接入的電容量來評估NTC熱敏電阻承受浪涌電流的能力。對于某一個具體的NTC熱敏電阻來說,所能承受的最大能量已經確定了,根據一階電路中電阻的能量消耗公式E=1/2×CV2可以看出,其允許的接入的電容值與額定電壓的平方成反比。簡單來說,就是輸入電壓越大,允許接入的最大電容值就越小,反之亦然。

NTC
熱敏電阻產品的規范一般定義了在220Vac下允許接入的最大電容值。假設某應用條件最大額定電壓是420Vac,濾波電容值為200μF,根據上述能量公式可以折算出在220Vac下的等效電容值應為200×4202/2202=729μF,這樣在選型時就必須選擇220Vac下允許接入電容值大于729μF的型號。

產品允許的最大啟動電流值和長期加載在NTC熱敏電阻上的工作電流

電子產品允許的最大啟動電流值決定了NTC熱敏電阻的阻值。假設電源額定輸入為220Vac,內阻為,允許的最大啟動電流為60A,那么選取的NTC在初始狀態下的最小阻值為Rmin=(220×1.414/60)-1=4.2(Ω)。至此,滿足條件的NTC熱敏電阻一般會有一個或多個,此時再按下面的方法進行選擇。

產品正常工作時,長期加載在NTC熱敏電阻上的電流應不大于規格書規定的電流。根據這個原則可以從阻值大于4.2Ω的多個電阻中挑選出一個適合的阻值。當然這指的是在常溫情況下。如果工作的環境溫度不是常溫,就需要按下文提到的原則來進行NTC熱敏電阻的降額設計。

NTC
熱敏電阻的工作環境

由于NTC熱敏電阻受環境溫度影響較大,一般在產品規格書中只給出常溫下(25)的阻值,若產品應用條件不是在常溫下,或因產品本身設計或結構的原因,導致NTC熱敏電阻周圍環境溫度不是常溫的時候,必須先計算出NTC在初始狀態下的阻值才能進行以上步驟的選擇。

當環境溫度過高或過低時,必須根據廠家提供的降功耗曲線進行降額設計。將功耗曲線一般有兩種形式,如圖4所示。

4 降功耗曲線
對曲線a,允許的最大持續工作電流可用以下公式表示:


對曲線b,允許的最大持續工作電流可用以下公式表示:


事實上,不少生產廠家都對自己的產品定義了環境溫度類別,在實際應用中,應盡量使NTC熱敏電阻工作的環境溫度不超出廠家規定的上/下限溫度。同時,應注意不要使其工作在潮濕的環境中,因為過于潮濕的環境會加速NTC熱敏電阻的老化。

如何改善NTC熱敏電阻的產品不能頻繁開關的問題



為什么使用了NTC熱敏電阻的產品不能頻繁開關?下面是他們的簡要分析與改善。

簡要分析

我們可以在電路工作原理的分析中看到,有使用到NTC熱敏電阻的產品,在正常工作狀態下,是有一定電流通過NTC熱敏電阻的,這個工作電流足以使NTC的表面溫度達到100℃~200℃。當產品關斷時,NTC熱敏電阻必須要從高溫低阻狀態完全恢復到常溫高阻狀態才能達到與上一次同等的浪涌抑制效果。這個恢復時間與NTC熱敏電阻的耗散系數和熱容有關,工程上一般以冷卻時間常數作為參考。所謂冷卻時間常數,指的是在規定的介質中,NTC熱敏電阻自熱后冷卻到其溫升的63.2%所需要的時間(單位為秒)。冷卻時間常數并不是NTC熱敏電阻恢復到常態所需要的時間,但冷卻時間常數越大,所需要的恢復時間就越長,反之則越短。

如何改善

在上述思路的指導下,產品上電瞬間,NTC熱敏電阻將浪涌電流抑制到一個合適的水平,之后產品得電正常工作,此時繼電器線圈從負載電路得電后動作,將NTC熱敏電阻從工作電路中切去。這樣,NTC熱敏電阻僅在產品啟動時工作,而當產品正常工作時是不接入電路的。這樣既延長了NTC熱敏電阻的使用壽命,又保證其有充分的冷卻時間,能適用于需要頻繁開關的應用場合。

通過以上分析可以看出,對于需要頻繁開關的應用場合,電路中必須增加繼電器旁路電路以保證NTC熱敏電阻能完全冷卻恢復到初始狀態下的電阻。在產品選型上,要根據最大額定電壓和濾波電容值選定產品系列,根據產品允許的最大啟動電流值和長時間加載在NTC熱敏電阻上的工作電流來選擇NTC熱敏電阻的阻值,同時要考慮工作環境的溫度,適當進行降額設計。


結論

通過以上分析可以看出,在電源設計中使用NTC熱敏電阻型浪涌抑制器,其抑制浪涌電流的能力與普通電阻相當,而在電阻上的功耗則可降低幾十到上百倍。對于需要頻繁開關的應用場合,電路中必須增加繼電器旁路電路以保證NTC熱敏電阻能完全冷卻恢復到初始狀態下的電阻。在產品選型上,要根據最大額定電壓和濾波電容值選定產品系列,根據產品允許的最大啟動電流值和長時間加載在NTC熱敏電阻上的工作電流來選擇NTC熱敏電阻的阻值,同時要考慮工作環境的溫度,適當進行降額設計。  

功率型NTC熱敏電阻的選型三要素

最大額定電壓和濾波電容值

產品允許的最大啟動電流值和長期加載在NTC熱敏電阻上的工作電流

NTC熱敏電阻的工作環境

首先看最大額定電壓和濾波電容值

濾波電容的大小決定了應該選用多大尺寸的NTC。對于某個尺寸的NTC熱敏電阻來說,允許接入的濾波電容的大小是有嚴格要求的,這個值也與最大額定電壓有關。在電源應用中,開機浪涌是因為電容充電產生的,因此通常用給定電壓值下的允許接入的電容量來評估NTC熱敏電阻承受浪涌電流的能力。對于某一個具體的NTC熱敏電阻來說,所能承受的最大能量已經確定了,根據一階電路中電阻的能量消耗公式E=1/2×CV2可以看出,其允許的接入的電容值與額定電壓的平方成反比。簡單來說,就是輸入電壓越大,允許接入的最大電容值就越小,反之亦然。

其次產品允許的最大啟動電流值和長期加載在NTC熱敏電阻上的工作電流

電子產品允許的最大啟動電流值決定了NTC熱敏電阻的阻值。假設電源額定輸入為220Vac,內阻為1Ω,允許的最大啟動電流為60A,那么選取的NTC在初始狀態下的最小阻值為Rmin=(220×1.414/60)-1=4.2(Ω)。至此,滿足條件的NTC熱敏電阻一般會有一個或多個,再按下面的方法進行選擇。

產品正常工作時,長期加載在NTC熱敏電阻上的電流應不大于規格書規定的電流。根據這個原則可以從阻值大于4.2Ω的多個電阻中挑選出一個適合的阻值。當然這指的是在常溫情況下。如果工作的環境溫度不是常溫,就需要按下文提到的原則來進行NTC熱敏電阻的降額設計。

最后是NTC熱敏電阻的工作環境

由于NTC熱敏電阻受環境溫度影響較大,一般在產品規格書中只給出常溫下(25℃)的阻值,若產品應用條件不是在常溫下,或因產品本身設計或結構的原因,導致NTC熱敏電阻周圍環境溫度不是常溫的時候,必須先計算出NTC在初始狀態下的阻值才能進行以上步驟的選擇。

當環境溫度過高或過低時,必須根據廠家提供的降功耗曲線進行降額設計。

事實上,不少生產廠家都對自己的產品定義了環境溫度類別,在實際應用中,應盡量使NTC熱敏電阻工作的環境溫度不超出廠家規定的上/下限溫度。同時,應注意不要使其工作在潮濕的環境中,因為過于潮濕的環境會加速NTC熱敏電阻的老化。

下圖為MF72-3D25的R-T阻溫特性曲線

這種NTC抑制浪涌電路也有缺點,例如,當關斷電源后快速重啟動時,熱敏電阻還未完全冷卻,會喪失部分浪涌抑制功能,這也就是為何短暫地關掉又開啟電源是有害操作的原因。另外因為NTC熱敏電阻在環境溫度高的時候阻值會比較低,不一定能起到很好的浪涌抑制效果,比如25攝氏度時阻值為10歐的NTC熱敏電阻到了環境溫度-10攝氏度時阻值有34歐太大了,環境溫度60攝氏度時只有3歐左右阻值太小了不能很好的抑制開機浪涌電流。這種情況下可以采用浪涌抑制型PTC熱敏電阻加繼電器組合很好的替代NTC熱敏電阻,這是因為PTC熱敏電阻在居里溫度以下阻值變化不大,能夠很好的抑制開機浪涌電流,開機時電源通過PTC給后級電容上電充電,PTC熱敏電阻起到浪涌電流抑制的作用,一旦電容充電完成,繼電器把PTC熱敏電阻短接,電流直接通過繼電器給后級供電,PTC熱敏電阻處于不工作狀態,所以電源重啟是PTC熱敏電阻隨即即可投入使用,不會喪失浪涌抑制功能,另外在后級電路短路的情況下浪涌抑制型PTC熱敏電阻由于帶有自保護功能,這時浪涌抑制型PTC熱敏電阻又可以起到保險絲的作用,切斷電路保護設備防止事故進一步擴大。其電路圖如下圖所示。


單個浪涌抑制型PTC熱敏電阻后級最大允許電容量按照以下公式計算

C : 濾波電容. 

Tc: PTC的居里溫度Ta :環境溫度

Cth:浪涌抑制型PTC熱敏電阻的熱容量

V : 電容器兩端最高充電電壓,電源電壓為交流電,V是交流電的峰值。

K 系數 直流DC時 K = 1 三相交流電整流時 K = 0.96 單相橋式整流時 K = 0.76 

以上參數可以在:http://www.fcqrn.club/ptcremin/wmz12adianyuan.htm查找到


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