В области электронной инженерии измерение и контроль температуры имеют первостепенное значение. Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC), как компактные и эффективные устройства измерения температуры, играют все более важную роль. Но как именно термисторы NTC осуществляют измерение температуры? Какими уникальными эксплуатационными характеристиками они обладают? И как инженеры должны выбирать и оптимизировать термисторы NTC для удовлетворения различных требований приложений? Эта статья предлагает углубленный анализ технологии термисторов NTC, ключевых характеристик и практических соображений, предлагая всеобъемлющее техническое руководство для инженеров и исследователей.

1. Термисторы NTC: Основа измерения температуры

Термисторы NTC - это специализированные полупроводниковые резисторы, определяющей характеристикой которых является значительное уменьшение сопротивления при повышении температуры. Эта уникальная температурная чувствительность обусловлена их составом материала и физическими механизмами. Обычно изготавливаемые из поликристаллических полупроводниковых керамических материалов со структурой шпинели, термисторы NTC в основном состоят из оксидов металлов, таких как марганец, никель, кобальт, железо и медь.

В отличие от обычных металлических проводников, где электрическое сопротивление возникает из-за атомных колебаний, препятствующих движению свободных электронов, термисторы NTC работают по механизму «прыжковой проводимости», включающему свободные электроны и дырочные пары. При повышении температуры концентрация этих носителей заряда увеличивается внутри материала, усиливая поток заряда и, следовательно, уменьшая сопротивление. Этот механизм проводимости можно объяснить с помощью зонной теории, которая раскрывает внутреннюю взаимосвязь между электронной структурой материала и его проводящими свойствами.

Точно контролируя состав материала и производственные процессы, инженеры могут точно настраивать температурные характеристики термисторов NTC для удовлетворения конкретных требований приложений.

2. Ключевые характеристики термисторов NTC

Изменение сопротивления в термисторах NTC зависит как от температуры окружающей среды, так и от эффектов самонагрева. Температура окружающей среды относится ко всем внешним источникам тепла, в то время как самонагрев возникает в результате джоулева нагрева, когда ток проходит через термистор. Анализ характеристик термисторов NTC обычно различает условия «без нагрузки» и «под нагрузкой».

2.1 Характеристики термисторов NTC без нагрузки

В условиях без нагрузки, когда самонагрев незначителен, поведение термистора NTC определяется в первую очередь свойствами материала и температурой окружающей среды.

2.1.1 Характеристики сопротивление-температура (R/T)

Зависимость между сопротивлением термистора NTC и абсолютной температурой можно аппроксимировать экспоненциальной функцией:

Где:

• R ₁ : Сопротивление (Ω) при температуре T ₁ (K)
• R ₂ : Эталонное сопротивление (Ω) при температуре T ₂ (K)
• B: Константа материала (K)

Хотя это уравнение обеспечивает математическое приближение, практические приложения обычно используют подробные таблицы R/T, которые указывают точные значения сопротивления во всем рабочем диапазоне температур, предлагая большую точность, чем упрощенная формула.

2.1.2 B-значение

B-значение - это критический параметр, представляющий наклон кривой сопротивление-температура, указывающий, насколько чувствительно сопротивление к изменениям температуры. Определяется материалом термистора, он рассчитывается как:

Поскольку экспоненциальная модель является приближением, B-значение не является идеально постоянным, а слегка изменяется в диапазоне температур. Стандартное обозначение, такое как B _25/85 , указывает диапазон температур (в данном случае от 25°C до 85°C), для которого рассчитывается B-значение.

Обычно используемые материалы NTC имеют B-значения, как правило, в диапазоне от 3000K до 5000K. Выбор зависит от требований приложения и включает в себя балансировку номинального сопротивления с другими ограничениями, поскольку не все B-значения подходят для каждого типа корпуса NTC.

2.1.3 Температурный коэффициент

Температурный коэффициент (α) определяет относительную скорость изменения сопротивления с температурой:

Этот коэффициент обычно отрицательный, что отражает поведение NTC. Его величина напрямую влияет на чувствительность измерения температуры—более высокие коэффициенты указывают на большую чувствительность к изменениям температуры.

2.1.4 Допуск

Допуск указывает допустимое отклонение от номинальных значений сопротивления, обычно указывается при 25°C (хотя могут быть указаны и другие температуры). Общий допуск сопротивления при заданной температуре учитывает как допуск эталонного сопротивления, так и изменение B-значения.

Температурный допуск может быть получен как:

Для точных измерений рекомендуется использовать стандартизированные таблицы R/T, а не упрощенные расчеты.

2.2 Характеристики электрической нагрузки

2.2.1 Константа теплоотдачи (δ _th )

Когда ток проходит через термистор, джоулев нагрев вызывает самонагрев, описываемый как:

Таким образом:

Выраженная в мВт/K, δ _th указывает мощность, необходимую для повышения температуры термистора на 1K. Более высокие значения означают лучшую теплоотдачу в окружающую среду. Обратите внимание, что опубликованные тепловые характеристики обычно предполагают условия неподвижного воздуха—различные условия окружающей среды или последующая обработка могут изменить эти значения.

2.2.2 Вольт-амперные характеристики

При постоянной электрической мощности температура термистора сначала резко повышается, а затем стабилизируется, когда рассеиваемая мощность уравновешивает тепловыделение. Зависимость напряжения от тока в тепловом равновесии выглядит следующим образом:

или

Построение графика зависимости напряжения от тока при постоянной температуре выявляет четыре характерные области:

1. Линейная область с незначительным самонагревом (приложения для измерения температуры)
2. Нелинейный рост до максимального напряжения
3. Точка пикового напряжения
4. Область отрицательного сопротивления (используется в приложениях ограничения тока или измерения уровня жидкости)

2.2.3 Максимальная мощность (P ₂₅ )

P ₂₅ представляет собой максимальную мощность, которую термистор может выдержать при 25°C в неподвижном воздухе. Работа на этом уровне помещает устройство в область самонагрева, чего обычно следует избегать, если только это не требуется конкретным приложением.

2.2.4 Постоянная времени теплового режима (τ)

Когда датчик температуры при T ₁ помещается в среду при T ₂ , его температура изменяется экспоненциально:

Постоянная времени τ (Тау 63,2) определяется как время, необходимое для достижения 63,2% от общего изменения температуры. Этот параметр существенно зависит от:

• Конструкции датчика (материалы, сборка)
• Метода установки (поверхностный монтаж, погружение)
• Окружающей среды (поток воздуха, жидкость)