广泛应用的负温度系数热敏电阻

2006-05-07 15:50:20来源: 电子产品世界

你是否想过:婴儿取暖器、自动空调系统、光纤路由器、自动调温浴盆等有什么相同之处?答案是它们都有一种关键部件:负温度系数热敏电阻。

热敏电阻是一种电阻值对温度敏感的电阻器件,在温度变化时,它的电阻值会按照预期的规律来变化。一般来说,它的电阻会随着温度的上升而减少。在某些热敏电阻作为电路保护元件的应用中,会使用正温度系数的热敏电阻,但在温度控制、温度补偿等应用中,则是广泛地使用负温度系数热敏电阻。

负温度热敏电阻的特性

负温度系数热敏电阻的基础材料一般都是金属氧化物的混合物。热敏电阻的稳定性、电阻特性、电阻温度特性都可以通过改变电阻材料的化学成分和改变处理过程中的参数来进行控制。这样,就有各种不同特性的热敏电阻可供选择。再经过适当的后处理,如适当的封装技术,还可以进一步改善稳定性和电气特性。取决于不同的结构,热敏电阻的工作温度范围可以从-80℃~600℃,甚至更高。

现在,负温度系数热敏电阻随着温度的升高阻值可以有较大的减少:当温度从25℃上升到100℃时,典型的电阻变化量可以减少16%。

热敏电阻的温度电阻特性是非线性的,这种特性可以由Steinhart-Hart议程来定义。热敏控制和温度补偿等应用都是依赖于这种温度电阻特性。

热敏电阻在低电流时的功耗是很小的。在温度不变时,热敏电阻和一般固定电阻的特性相同:它的电压和电流有线性关系。当电流增加时,热敏电阻不能消耗掉所产生的功率,结果是电阻上的电压不随电流线性增加,而是相对较小。这种现象也称为“自热”。典型的应用如热流量检测和电平检测等。

当热敏电阻的功率作跳跃式变化时,在达到稳定的电流前总有一个时间的延迟。在这个时间延迟期间,热敏电阻的电流将逐渐上升,经过一定的时间T后达到稳定。这种特性的最典型应用是限制电流的突然增长。

负温度系数热敏电阻的类型

盘形热敏电阻具有一个扁平型的热敏电阻片,并带有焊接的引线(图1)。可以是镀膜或不镀膜的。盘形热敏电阻通常用在成本低、功耗不大的场合,但不适合高精度、小尺寸和高灵敏度的场合。典型的工作温度范围为-40℃~+125℃。

薄片型热敏电阻是将引线焊接在一对平行极板上的片状热敏电阻,外部经过环氧树脂封装(图2)。这类热敏电阻经过精细的处理,可以得到很小的电阻误差。这种薄片型热敏电阻最适合在需要高精度、高稳定性、而价格又比较适中的应用场合。这类热敏电阻的设计还可以有若干选项,便利它们可以适用于各种不同的设计环境。它们的典型工作温度范围也是-40℃~+125℃。

表面贴装式(Surface-mount)热敏电阻是一种有标准形状的器件,带有一端弯曲的电极,这使得它们更适合于在电路板上用机械设备来插、拔(图3)。在生产时,可以使用各种工业标准和适当的处理过程,使得产生的质量可以有多种选择。近来这类电阻在设计上的改进,使得表面贴装式热敏电阻可以应用在以前只能使用带有引线的热敏电阻的场合。它们的典型工作温度范围是-50℃~+125℃。

玻璃珠型热敏电阻在制造时将外部的引线焊接到一个很小的珠型热敏电阻上,再封装在一个小玻璃管里(图4)。这类热敏电阴的稳定性特别好,可工作在较高的温度下(+300℃),但精确度较差。尽管这类热敏电阻的设计相对较早,但小型产品又有了一种新的应用:在光纤通信路由器中作温度管理。

玻璃封装热敏电阻是由玻璃密封的片状热敏电阻,并带有轴向的引线(图5)。这种封装的热敏电阻具有薄片状热敏电阻的优点,并具有玻璃封装热敏电阻的高工作温度,稳定性则并不突出。

热敏电阻的应用

负温度系数热敏电阻有多种不同的应用,既可作为电路元件,也可用作温度敏感探针。

热敏电阻在一些设备的功率管理中起着非常关键的作用,如无线话机、笔记本电脑、个人数字助理(PDA)等。如果充电电流很大,这些设备的电池完成充电就会很快。但同时也会存在过热的危险。如果过热便利温度超过了电池的居里温度,电池的损坏就不能恢复。但如果充电电流太低,则电流充电时间就会长到无法忍受。在电池电路中使用热敏电阻,就可以检测过量的电流或电流的过热,从而调整充电的速率。其结果是,电池开始充电时的电流会比较大,这样,在比较短的时间内就可以以较大的充电电流快速充电。而当将要达到临界电流或临界温度时,可以控制充电的速度使之降低,然后,再比较平稳地完成充电。玻璃封装热敏电阻可选作这种限制电流的器件,不过,将很快被表面封装式热敏电阻所代替。

笔记本电脑越来越小的尺寸也对工程师进出了挑战。电脑的主板对温度是非常敏感的,而主板又是非常接近发热的电源电路,不断提高的CPU主频不仅提高了CPU的速度,也使得它的工作温度更高了。在这种场合,表面封装式热敏电阻既可以快速响应来进行过热的保护,也比较容易使用,但有时也无法将热敏电阻安装在需要的位置。将表面封装式热敏电阻结合一种特殊形状的带状线可以将温度敏感元件放在特定的敏感点,从而进一步提高了保护的能力。

食品和药品工业在运输过程中也使用温度控制来保证产品的质量。为了防止部分或全部地损失药品的有效性,有不少药品在运输中要精确地控制温度和温度。在运输过程中温度记录器不断地管理着运输的条件。典型的记录器可能是一组放在不同位置的测试卡,它可以包含内部热敏电阻元件,外部热敏电阻探针,或两者兼而有之。记录器的参数,如记录的频度,通常是由PC机通过串行口来控制的。有各种不同的探针可以满足不同应用环境的需要。

温度通常是人体最经常测量的参数,并且一直是多种人体严重情况的早期警告。特别是新生儿,更是要通过体温来仔细地监察他们的状态。

在医院的环境中新生儿经常用取暖器,甚至婴儿箱来保持温度。温度调节可用一个安放在婴儿腹部的热敏电阻探针来实现。婴儿箱通常是密封的,除了要监控婴儿的温度外,还要控制婴儿箱内的空气。

一种通过热电堆探测红外辐射以测试温度的耳膜温度计在医院和家庭都有广泛的应用。为了保证精确的测量,使用一个热敏电阻来调整热电堆对于周围温度的测量。

另一个很有意思的应用是心肌热敏电阻探针。在做心脏手术时,经常要降低心脏的温度以保护心脏的安全。但这时心脏温度的控制必须十分精确。为此,可以将一个热敏电阻封装在探针(长0.5~1.0英寸)内,探针则插入到心脏肌肉中。探针连接到一个监控器,以便随时为专家提供精确的温度信息。

一种可靠的测量心脏中血液流动情况的方法是使用一种热力导管。这种导管有多个通道。其中一个通道中有一个热敏电阻,另一个则用来向心脏注入冷冻的盐水溶液,其他的通道则可根据需要来安排。这个导管道过上动脉插入心脏。在盐水溶液注入动脉时,热敏电阻连续地测量测试的下降情况和停止注入后温度的上升情况。温度恢复到正常人体温度的时间可以反映动脉的通畅程度。这种诊断过程所得到的以帮助医生决定治疗方案。

汽车工业现在化替了空间工业成为传感技术进步的推动者。长期以来,热敏电阻广泛地用来测量水的温度,现在,则有许多新的应用。这些应用中有许多是应用在豪华轿车中的,而且这将很快成为热敏电阻的一种主流的应用。

现在对热敏电阻工业提出了更高的要求:更小的尺寸、更高的稳定性、更好的高温测试性能,等等,在所有这些方面现在都取得了进展。在这些进展的基础上将会有许多更新的应用:包括更精确的患者温度的监控、微小温差传感器、用来改进燃料效率的汽车中的高温传感器,等等。回顾热敏电阻应用200年来的进展,可以相信,现在热敏电阻工业和研究的进展一定可以满足电子工业现在和将来对于热敏传感所提出的各种需求。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/packing/200605/3603.html
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