Thermistors

熱敏電阻元件

Technical note

技術資訊

NTC熱敏電阻和壓敏電阻對溫度或電流顯示規律的動作特性。下面對基本的術語和特性進行說明。

NTC熱敏電阻技術信息

1.電阻-溫度特性

所謂電阻-溫度特性,是指零負載電阻值和元件溫度之間的關系。該電阻-溫度特性透過實測求出。但是,B常數不明時,在某個溫度範圍內,可以用下式近似求出。

在上式中,表明零負載電阻值的對數和絕對溫度的倒數是線性關係。
電阻-溫度特性例見圖3.1.1所示。

2.零負載電阻值

熱敏電阻是將周圍溫度固定後測量電阻值。但是,受測量電阻時的電流導致的自發電的影響,理論上是無法準確測量電阻值的,因此通常是在可以忽略自發熱的狀態下進行電阻值的測量。

所謂零負載電阻值,是指與測量的綜合誤差相比,自發熱導致的電阻變化可以忽略(熱擴散常數的1/20以下的電功率)的足夠低的電功率(以下稱為「零負載」。)下的、在規定溫度下測量時的熱敏電阻元件的直流電阻值。

此外,代表標準值的零負載電阻值稱為公稱零負載電阻值,如果沒有特別規定,將周圍溫度25℃下的值作為公稱零負載電阻值。公稱零負載電阻值對應的推薦容許差如表3.1.1.1所示,在JIS C 2570-1998 (直熱型NTC熱敏電阻通則)中是如下規定的。因此,即使電阻值公差相同,B常數較高的,精度結果也更佳。

上表的算式是用零負載電阻溫度系數(αT)除以電阻值容許差求出的。實際計算時+側、-側應該相同,上表進行了若干的編輯。

公稱零負載電阻值對應的容許差越小,電路越容易設計,但容許差越小越昂貴,因此設計電路時最好能盡量擴大熱敏電阻的容許差。

3.B常數

B常數表示用電阻-溫度特性的任意2點的溫度求出的電阻變化的大小,用下式表示。

B常數雖說是常數,但實際上並不是固定值,如圖3.1.2.1所示,隨著溫度升到高溫B常數有稍許變大。 要確定B常數,需要2個點的溫度Ta、Tb。典型的是25℃、85℃,但根據用途,有時也採用25℃和50℃或100℃和200℃等各種組合,使用時需要注意。為了明確表達這個溫度Ta,Tb,要將B常數表達為Ba/b。

2點的溫度Ta、Tb之差在10℃以下時,測定溫度的誤差導致的B常數的誤差會擴大;另一方面,如果溫度差超過100℃,會與使用溫度附近下方的B常數差異過大。因此,Ta、Tb的溫度差最好是50℃~100℃。
代表標準值的B常數稱為公稱B常數,其推薦容許差在JIS C 2570-1998中是如下規定的。

此外,熱敏電阻的比電阻和B常數是由材料組分成分決定的。如果熱敏電阻元件形狀固定,一般來說,有B常數越大,零負載電阻值越大的趨勢。因此,即使比如更改相同元件形狀的熱敏電阻元件,B常數和零負載電阻值的組合也不能自由選擇。

4.零負載電阻溫度系數和熱擴散常數

零負載電阻溫度系數是表示任意溫度T下的每1℃的零負載電阻值變化率的系數,用下式表示。

由上式可知,零負載電阻溫度系數(αT)根據溫度而大幅變化,特別是在低溫區變化極大。要直觀地評價某個溫度周邊的溫度斜率時,使用這個零負載電阻溫度系數(αT)很方便。

零負載電阻值的溫度斜率的評價指數有αT和B常數2個,只比較溫度斜率的大小時,一般使用B常數。

熱擴散常數表示在溫度穩定的狀態下,通過自發熱的方式將熱敏電阻元件的溫度提高1℃所需要的電功率。
用熱敏電阻的電功率除以元件的溫度上升的量來求出,單位用(mW/℃)表示。

熱擴散常數取決於熱敏電阻的表面積、結構、保護體的材質、環境條件(例如介質或介質的流速等)。
在熱平衡狀態下,供給熱敏電阻的電能和釋放的熱能的關係用下式近似表達。

上式不包含熱輻射的項。可以將熱擴散常數δ視為固定值是在周圍溫度100℃以下時。

5.熱時間常數

所謂熱時間常數(τ),是表示熱敏電阻對熱的回應程度的常數。
熱敏電阻的動作都是熱現象,因此必定伴有時間的延遲。
在熱敏電阻上負載電功率,從熱平衡狀態急劇變為零負載狀態時,熱敏電阻的溫度改變63.2%所需要的時間即為熱時間常數(τ)。
將熱敏電阻的負載狀態下的熱平衡溫度Tb設為零負載狀態,放置到周圍溫度Ta(Ta<Tb)時,熱敏電阻溫度變化在Tb可以忽略熱輻射影響的100℃以下有如下關係式成立。

也就是說,溫度效應(Tb-T)變為溫度範圍(Tb-Ta)的63.2%的時間為γ。像這樣將熱敏電阻的周圍溫度急劇變化時,將熱敏電阻的負載電流從非零負載的狀態急劇變為零負載狀態時的熱時間常數稱為「自發熱的熱時間常數」[thermal time constant by the self-heat dissipation]。此外,將零負載的狀態下使熱敏電阻的周圍溫度急劇變化時的熱時間常數稱為「周圍溫度變化的熱時間常數」[thermal time constant by the change of the ambient temperature]。根據熱敏電阻的結構及保護體,這2種熱時間常數可能有很大不同,需要明確是哪一個熱時間常數。另外更重要的是,自發熱的熱時間常數分為兩種,一種是從加熱狀態中減少負載電流使其冷卻時的冷卻時間常數,另一種是使負載電流增減加,從冷卻狀態到達過熱時的加熱時間常數。

6.類別溫度範圍

所謂類別溫度範圍,是指在零負載時可連續使用的熱敏電阻元件的溫度範圍。在該範圍中,制造商保證熱敏電阻的功能等品質。因此,必須要在該溫度範圍內使用。在超出該「類別溫度範圍」的溫度下使用時,熱敏電阻的特性有急速老化的風險,需要注意。熱敏電阻有產生自發熱時,實際可使用的周圍溫度範圍是用類別上限溫度減去自發熱導致的溫度上升部分後的溫度。

類別溫度範圍一般用類別上限溫度和類別下限溫度來規定。主要在低溫下使用、高溫側為常溫時,有時個別規格書中只規定了類別下限溫度來代替類別溫度範圍。同樣,主要在高溫下使用、低溫側為常溫時,有時只規定類別上限溫度。

如下表3.4.1所示,JIS C 2570-1998中規定的是類別溫度。

7.額定電功率

熱敏電阻上加載電壓後即開始自發熱,達到與周圍溫度相應的熱平衡溫度,但電功率過大可能導致熱失控,根據自發熱的程度,也有可能導致特性被破壞,因此規定了可連續負載的電功率的上限。

所謂額定電功率,是指在個別規格書中規定的額定周圍溫度(一般25℃)下,可連續負載的電功率的最大值。單位用毫瓦(mW)表示。

可在任意周圍溫度下連續負載的電功率的最大值稱為最大電功率。當周圍溫度在額定周圍溫度以下時,最大電功率等於額定電功率;當周圍溫度超過額定周圍溫度時,最大電功率可以根據如下連接的直線求出:在電功率減輕曲線或類別上限溫度(θmax)以下,連接在個別標準中規定的溫度(θL)中電功率為0的點和額定電功率的點。

8.圖像符號及文字符號的標準

直熱型NTC熱敏電阻的「圖像符號」及「文字符號」在JIS C 2570-1998中有規定。

9.關於溫度

所謂溫度,是對我們感覺到的溫暖或寒冷的程度進行數值化後的東西。那麽,它是用什麽定義來數值化的呢?根據定義的方法,有3種不同的溫度。這些溫度分別是華氏(Fahrenheit)溫度(單位℉)、攝氏(Celcius)溫度(單位℃)、熱力學溫度(單位K:克耳文)。

華氏溫度據稱是將冰和氯化銨混合時的溫度和人體體溫這2點之間分成96等分後的溫度。攝氏溫度是將冰的冰點和沸點之間分成100等分的溫度,而熱力學溫度是將水的三相點定義為273.15K,以這個1/273.15作為這種溫度的單位。華氏溫度(t2)和攝氏溫度(t1)的關系用式5.1及式5.2表示。

根據式5.3,可知攝氏溫度單位的大小與熱力學溫度單位開爾文相等。(溫度差用克耳文或攝氏度來表示)。

熱力學溫度可以使用理想氣體,根據理想狀態下的壓力之比來求出。但是,由於現實中不可能有理想氣體或理想狀態,人們只能努力完備接近理想的條件,同時加以補償來求出熱力學溫度的正確值。具體來說,是利用了氣體溫度計、音速溫度計、熱噪聲溫度計、放射溫度計。

溫度這個單位也需要像其他單位(長度或質量)一樣進行國際標準化。標準化的方法是定義固定點和確定該定義固定間的補償方法。
當今採用的溫度標準是「1990年國際溫標」(ITS-90)。
在日本,是作為1990年10月2日省令施行。

表5. 1表示ITS-90的定義定點和內插儀器。