PTC热敏电阻 (POSISTOR)基本特性

PTC热敏电阻(POSISTOR)的基本知识

电阻-温度特性(R-T特性)

居里温度(C.P.)即阻值为25°C时的阻值的两倍时所对应的温度。
室温至居里点的范围内,电阻值稍有降低但基本维持一定。当环境温度超过居里点,电阻值对数增长。

图1 : BaTiO3和PTC热敏电阻的电阻温度特性

【参考】

居里点(c.p.)有多种类型,如图2所示。

图2 : 居里点不同的PTC阻值-温度特性

环境温度超过居里点后,若仍然持续上升,PTC将失去正的温度特性,阻值降低。阻值开始下降的点被称为TN点。
因此,PTC热敏电阻的额定值被设计为不得超过TN点。

图3 : PTC热敏电阻的TN点

伏安特性

I-V特性、静特性

PTC热敏电阻的I-V特性如图4所示。
施加电压使得电阻的内部发热和向外的散热达到平衡状态时,外加电压和稳定自电流之间关系建立。定值电阻区域内、V = IR关系成立,PTC热敏电阻无自发热。PTC热敏电阻还拥有最大电流点和恒功率区域两个参数。

图4 : 电流-电压特性

与R-T特性的关系

与阻值-温度特性之间的关系图
超过电流最大值被称为“跳闸”。

图5 : PTC I-V特性与R-T特性的关系

I-V特性的变化

通过控制图6中的“初始电阻值”、“居里点”、“散热量”来调整过流保护PTC的特性。

初始阻值不同
居里点不同
散热能力不同
环境温度不同

图6 : 各因素引起的 I-V 特性变化

对于固定特性的PTC,其I-V特性会随着环境温度的变化而波动,如图6“环境温度变化”所示。最大电流点是跳闸电流
从该图中可以确认跳闸电流值因环境温度而异。因此,跳闸电流是在25°C(例如−10°C)以外的额定温度下定义的。

保持电流(Hold电流)

表示由于环境温度以外的原因而未达到电流最大值的电流。

图7 : PTC接线图

跳闸电流(工作电流)

在伏安特性中,电流的最大点被称为跳闸电流

在图7的电路中、

  1. 若流经PTC热敏电阻的电流小于跳闸电流

    图8所示、在负载曲线a与PTC热敏电阻的伏安特性曲线交点A处稳定,作为简单的定值电阻工作。

  2. 若流经PTC热敏电阻大于跳闸电流

    在负载曲线b与伏安特性曲线的交点B处稳定。
    也就是说,当大于跳闸电流的电流通过电路时,PTC热敏电阻的阻值增大,将电路电流衰减到小于跳闸电流的值,从而保护电源和负载。

图8 : I-V特性及负载曲线

【参考】负载曲线

PTC伏安特性图中的负载曲线,表示回路电阻的分压由于图7中PTC两端的电压增大而不断下降时流经回路的电流。

  1. 正常时(回路不发生异常,正常工作)

    假设正常工作状态下电流为正常I,那么,电源电压E / 正常I = 正常回路电阻。

  2. 异常时(回路的某部分发生异常)

    假设异常时电流为异常I,那么,电源电压E / 异常I = 异常回路电阻。

在上述电路电阻上施加电压将导致图9中所示的结果。

图9 : 电路电阻的I-V特性

根据定义,若将横轴改为“PTC处的压降=电源电压-电路电阻处的压降”,纵横轴均以对数表示,则特性如图11所示。

图10 : 将水平轴更改为PTC处的电压
图11 : 将两个轴更改为对数

保护电流变动范围

PTC热敏电阻的跳闸电流因环境温度、阻值、温度特性、形状等因素而异。跳闸电流上限以上的电流区域称为跳闸电流区域,下限以下的电流范围称为保持电流区域,上下限之间的电流区域称为保护电流变动范围
如果电路电流小于保持电流,PTC热敏电阻作为一个简单的固定电阻工作,但当电流大于跳闸电流时,电阻值增加以执行保护操作。

图12 : 保护电流变动范围与I-V特性变化之间的关系

【参考】保护电流变动范围的计算

电能
施加跳闸电流时的功率
热能
V-I顶点(CP)时的发热

根据热平衡式电能 = 热能

方程1
D
热耗散常数
R
电阻值
Ia
环境温度为Ta时的跳闸电流
Tcp
居里温度

同一元件的D和R相同,将Ia与环境温度为25°C时的跳闸电流相比,

方程2

若居里点为120°C,在环境温度条件为6060°C及−10°C时,分别计算得出 :

方程3

→ 25°C跳闸电流的0.795倍

方程4

→ 25°C跳闸电流的1.17倍

图13 : 保护电流变动范围

动作曲线

PTC热敏电阻跳闸时的元件温度可以根据动作曲线估算出来。

工作曲线的绘制方法

  1. 热耗散常数

    在装置的使用环境下施加异常电压,此时测量实际的电流及元件温度,并确认散热常数。
    (由于贴片型PTC的散热常数随实装状态而变化,这项确认环节是必要的。)

  2. 阻值计算

    任意设定元件的发热温度,用下式计算电阻值。
    Rx=(异常电压)2/(散热常数 ×(元件发热温度−环境温度))

  3. 动作曲线与阻值-温度特性交点的确认

    该点表示PTC在异常电压下跳闸后的元件温度。

图14 : R-T特性和动作曲线

电流时间特性(动特性)

表示施加的电压在电流最大点右侧时,内部发热与向外散热达到平衡状态之前的电流与时间的关系。

图15 : 施加过跳闸电流时的工作时间

随着施加电压(电流)的增加,瞬时功耗增加,达到热平衡所需的时间缩短。

动作时间

定义:突入电流降至1/2所花费的时间。

图16 : 工作时间特性
图17 : 突入电流和工作时间

最大电压、最大电流

表示在工作温度范围内可以对PTC热敏电阻持续施加的电压 / 电流最大值。

耐电压

表示在25°C的静止空气中,可以承受3分钟的电压。通过从0V逐渐升压至耐电压的方法确认。
耐电压随着元件厚度的增加和电极之间的距离的增加而增加。也就是说,晶粒越多耐电压越高。