电阻-温度特性(R-T特性)

NTC热敏电阻的电阻值是在有足够低的自热(由于施加的电流而产生的热)的电流下测量的。作为标准,建议使用最大工作电流
并且,电阻值需要与温度成对表示。

特性曲线由以下公式描述。

R1 = R0 exp(B(1T11T0))

R0, R1
温度为T0, T1时的电阻值
T0, T1
绝对温度

图1 : NTC热敏电阻的R-T特性

B常数

B常数是表征NTC热敏电阻的单个值。B常数的调节总是需要两点。B常数描述了两个点的斜率。
如果选择的两点不同,B常数也会不同,所以比较时请注意。(见图2)

R1 = R0 exp(B(1T11T0))

R1, R0
温度为T1、T0时的阻值
T1, T0
绝对温度

将上式(参考电阻 − 温度特性)变形后

B = ln(R1R0)/(1T11T0⊿R⊿T

表示两点间斜率。

  • 村田使用25°C和50°C两点定义B常数,写作B(25/50)。

图2 : 2点选择的不同B常数

如图3所示,1/T(T为绝对温度)与阻值成对数比例关系。可以看出,该关系近似于直线。

图3 : 横轴为1/T的温度特性

伏安特性(V-I特性)

NTC热敏电阻的V-I特性如图4所示。

在电流较小的区域中,随着电流的逐渐上升,欧姆接触的电压也逐渐上升。通过从热敏电阻表面和其它部位散热,电流流经造成的自发热不会造成电阻温度的升高。
然而,当发热量较大时,热敏电阻自身的温度上升,电阻值减小。在这样的区域中,电流与电压之间的比例关系不再成立。

通常,在自发热尽可能低的区域范围内使用热敏电阻。作为标准,建议工作电流保持在最大工作电流以下。

在超过电压顶点的区域中使用,可能会导致重复发热和电阻值降低等热失控反应,造成热敏电阻发红、破损,请避免在该范围使用。

图4 : NTC热敏电阻的V-I特性

电阻温度系数(α)

NTC热敏电阻在单位温度下的变化率为温度系数,由以下公式计算。

α = 1RdRdT

R = R0 exp(B(1T1T0))

R, R0
温度为T, T0时的阻值
T、T0
绝对温度

Ex)靠近50°C,B常数为3380K时

α = − 3380(273.15 + 50)2 × 100 [%/°C] = −3.2 [%/°C]

由此,电阻温度系数由下所示。

α = − BT2 × 100 [%/°C]

表1 : 金属的温度系数

金属名称 温度系数 [%/°C]
白金 0.39
0.43
0.67
0.60
铁(纯铁) 0.66

热耗散常数(δ)

环境温度为T1的情况下,当热敏电阻消耗电功率P(mw)后其温度变为T2,则以下的公式成立。

P = δ(T2 − T1)

δ为热耗散常数(mW/°C)。上式变形后如下所示。

δ = P(T2 − T1)

热耗散常数δ是指在自发热条件下提高1°C温度所需的功率。
热耗散常数δ由“功耗导致的自热”和“散热”之间的平衡来决定,因此根据热敏电阻工作环境的不同而变化显著。
Murata定义了“单位元件的热耗散常数”这一概念。

图5 : 贴片NTC热敏电阻的散热状态

热时间常数(τ)

当一个保持在温度T0的热敏电阻突然被改变到环境温度T1时,它改变到目标温度T1所需的时间被称为热时间常数(τ)。通常,该值是指达到T0和T1之间温差的63.2%所需的时间。

当保持在一个温度(T0)的热敏电阻暴露在另一个温度(T1)时,温度是呈指数变化的,经过时间(t)时的温度(T)表示如下。

T = (T1 − T0) (1 − exp (−t/τ) ) + T0

t = τ

T = (T1 − T0) (1−e-1) + T0

T − T0T1 − T0 =1 − e-1 = 0.632

这就是为什么τ被规定为达到63.2%温差的时间。

图6 : NTC热敏电阻的热时间常数

表2 : 热时间常数和温度变化率

时间 温度变化
τ 63.2%
86.5%
95.0%
99.8%
99.9%

最大电压(Vmax)

可直接施加到热敏电阻的最大电压。当施加的电压超过最大电压时会造成产品性能恶化甚至毁坏。
此外,由于自发热,元件的温度上升。需要注意元件的温度不能超过工作温度范围。

图7 : NCU15型最大电压降额

最大工作电流(Iop)、最大工作电压(Vop)

Murata将最大工作电流、最大工作电压定义为施加时自发热为0.1℃的电流和电压。参考该值,热敏电阻能够实现更准确的测温。

故施加电流 /电压超过最大工作电流 / 电压时并不会造成热敏电阻的性能退化。但请注意元件的自发热会带来检测上的误差。

图8 : 散热差异导致的最大工作电流 / 电压的变化

Murata如何计算最大工作电流

  • 计算最大工作电流时,需要使用单位元件定义的热耗散常数(1mW/°C)。热耗散常数表示散热的程度,但散热状态随工作环境的不同有较大的差异。
  • 其中工作环境包括基板的材料,厚度,结构,焊接区域尺寸,热板接触,树脂封装等。单位元件定义的使用,排除了环境的干扰因素。
  • 而根据经验来看,实际使用中的热耗散常数约为单位元件的3~4倍。假设,实际的热耗散常数为3.5倍,那么最大工作电流如图中蓝色曲线所示。与1mW/°C的情况相比,现在是1.9倍(√3.5倍)。

零负载电阻值

在自发热可忽略不计的电流(电压)下测量的电阻值。作为标准,建议使用最大工作电流

图9 : Murata的电阻值测量方法