負溫度系數

負溫度系數是半導體材料的特性，其電阻隨著(zhù)溫度的升高而降低。

什么是負溫度系數？

負溫度系數（NegativeTemperatureCoefficient，簡(jiǎn)稱(chēng)NTC）在確定各種電氣和電子元件的熱行為中起著(zhù)重要作用，例如熱敏電阻、放大器和半導體。有多種類(lèi)型的溫度傳感器可用作基本構建模塊，幫助保護電子系統免受熱故障的影響。

溫度系數（TemperatureCoefficient，TC）是指某些材料的特性，其物理值隨著(zhù)其本體溫度或周?chē)h(huán)境溫度的變化而變化。換句話(huà)說(shuō)，當材料或元件變熱（或變冷）時(shí)，其值會(huì )發(fā)生變化，因此在不同溫度下并不恒定。

大多數導電材料在其正常工作溫度范圍內的電阻值幾乎呈線(xiàn)性增加。然而，有一些電解質(zhì)和半導體材料的電阻值會(huì )隨著(zhù)溫度的升高而降低。也就是說(shuō)，當它們變熱時(shí)，電阻減小，對電流的阻礙減弱。

負溫度系數熱敏電阻

2.5Ω，20mmNTC熱敏電阻

電阻的溫度系數α（希臘字母alpha）通常用于表示材料的電阻隨溫度變化的程度。例如，α的正值意味著(zhù)其電阻隨溫度升高而增加，稱(chēng)為“正溫度系數”（PTC）。而α的負值意味著(zhù)其電阻隨溫度升高而降低，稱(chēng)為“負溫度系數”（NTC）。

盡管材料可以具有NTC或PTC溫度系數，但它們仍然遵循歐姆定律，就像固定電阻一樣，只是它們的電阻值會(huì )根據暴露的溫度而變化。

除了正溫度系數或負溫度系數外，一些金屬合金（如康銅）的α值為零，這意味著(zhù)它們的值不隨溫度變化。雖然某些材料的物理特性可能變化非常小，但其他材料的物理值會(huì )隨溫度變化而發(fā)生顯著(zhù)變化。

電阻溫度系數（TCR）的通用公式描述了材料的電阻如何隨溫度變化。其表達式為：

電阻溫度系數公式

R(T)=R0+R0(α?T)

或

R(T)=R0(1+α(T–T0))

其中：

-R(T)是給定溫度（T）下的電阻值（單位：歐姆）

-R0是參考溫度（通常為20°C）下的初始電阻值（單位：歐姆）

-α是材料在20°C時(shí)的電阻溫度系數（單位：Ω/°C）

-?T是高于20°C的溫度差（單位：°C）

NTC示例1

一根銅線(xiàn)圈在20°C時(shí)的初始電阻為25Ω。如果將其加熱到140°C，其電阻值將是多少？

銅線(xiàn)的溫度系數定義為：α=0.00393Ω/°C（此處取0.004）

溫度差為：?T=140°C–20°C=120°C

使用上述公式，銅線(xiàn)圈在140°C時(shí)的電阻為：

R=25(1+0.004(140–20))=37Ω

因此，銅線(xiàn)圈的電阻增加了12Ω，比其原始值25Ω增加了48%。

我們可以通過(guò)以下圖表顯示線(xiàn)圈電阻的增加。

電阻隨溫度的變化

如果愿意，我們還可以計算銅線(xiàn)圈冷卻到0°C時(shí)的電阻：

R=25(1+0.004(0–20))=23Ω

因此，我們可以看到，將線(xiàn)圈從0°C加熱到140°C會(huì )導致其電阻從23Ω增加到37Ω，而其在室溫下的電阻值為25°C。因此，在這個(gè)例子中，線(xiàn)圈具有正溫度系數。

知道圖表的斜率值后，我們可以計算材料在任何溫度下的電阻，因為電阻溫度系數（α）可以通過(guò)以下公式計算：

電阻溫度系數變化

其中，電阻R1在溫度T1下給出。

各種元件的溫度系數在大小和符號上也可能不同。例如，元件的初始值將在20°C室溫下給出，但隨著(zhù)周?chē)諝鉁囟鹊淖兓兓?，這可能會(huì )影響其操作。

通常，電子元件的溫度系數以每攝氏度（°C）變化的部分每百萬(wàn)（ppm）表示。例如，100ppm/°C。

負溫度系數熱敏電阻

NTC材料最常見(jiàn)的應用之一是兩端“NTC熱敏電阻”。熱敏電阻（Thermistor）是由“熱”和“電阻”組合而成的詞，顧名思義，它是一種對溫度敏感的電阻，其電阻隨著(zhù)溫度的升高而顯著(zhù)降低。也就是說(shuō)，它們具有負溫度系數（NTC）。

熱敏電阻通常由半導體材料制成，將體溫變化轉化為電阻變化，廣泛應用于溫度傳感、控制系統和保護電路中。這些小型珠狀器件提供高精度和可靠的溫度測量。通常，NTC熱敏電阻比其他溫度傳感器（如RTD或熱電偶）更受歡迎，因為它們成本低、響應快且對小溫度變化敏感。

NTC熱敏電阻符號

通常，NTC熱敏電阻設計為在其室溫（25°C，77°F）中心電阻的±50°C左右的指定溫度范圍內實(shí)現高精度。超出此范圍，其精度可能會(huì )降低，或者材料的行為可能與預期不同。

此外，NTC熱敏電阻的電阻特性不是線(xiàn)性的，但可以進(jìn)行點(diǎn)匹配或曲線(xiàn)匹配。點(diǎn)匹配的NTC熱敏電阻設計為在特定溫度點(diǎn)具有保證的容差。例如，如果主要關(guān)注一個(gè)溫度點(diǎn)，如0°C、25°C、100°C等。

當需要測量更寬的溫度范圍時(shí)，例如-50°C到150°C，可以使用曲線(xiàn)匹配的熱敏電阻。請注意，雖然曲線(xiàn)匹配的熱敏電阻提供了更廣泛的電阻隨溫度變化的變化，但它們在特定溫度下的電阻值將因不同NTC熱敏電阻制造商而異。

熱敏電阻的電阻值也可以通過(guò)流經(jīng)元件的電流引起的溫度變化而變化。當它們與電路或元件串聯(lián)時(shí)，它們充當限流裝置。

NTC熱敏電阻具有高初始電阻，可以限制任何瞬態(tài)或浪涌電流變化。隨著(zhù)其加熱，其電阻下降，控制電流流動(dòng)和功率耗散。這種自熱效應需要幾秒鐘，在此期間電流逐漸增加而不是瞬間增加。

NTC熱敏電阻標記

NTC熱敏電阻通常帶有特定的標記，幫助識別其特性，如電阻值、容差，有時(shí)還有制造商代碼。這些編碼標記可能因制造商和熱敏電阻的尺寸而異，但以下是一些常見(jiàn)的NTC熱敏電阻標記識別方法。

1.電阻值標記

在特定溫度（通常為25°C）下的電阻值通常以歐姆（Ω）、千歐姆（kΩ）或兆歐姆（MΩ）標記。

2.直徑

直徑通常與熱敏電阻的型號或零件號相關(guān)聯(lián)，可能印在熱敏電阻體上。例如，盤(pán)式NTC熱敏電阻（如NTC10D-9）的直徑為9毫米，其中“10D-9”表示電阻值和與9毫米直徑對應的物理尺寸。熱敏電阻的直徑通常與其型號或零件號相關(guān)聯(lián)。

3.物理形狀或引線(xiàn)

盤(pán)式熱敏電阻和珠式熱敏電阻可以具有獨特的物理特性，如尺寸、形狀或引線(xiàn)類(lèi)型。雖然不是直接標記，但物理外觀(guān)可以幫助識別熱敏電阻的類(lèi)型。

要完全識別負溫度系數熱敏電阻，可以使用制造商的數據表以及任何數字代碼、容差值或制造商零件號來(lái)確認詳細信息，如溫度范圍、不同溫度下的確切電阻值和容差評級。

典型NTC熱敏電阻標記

因此，給定的NTC熱敏電阻示例是一個(gè)20毫米直徑的盤(pán)式熱敏電阻，其在室溫下的電阻值為2.5Ω。

負溫度系數熱敏電阻曲線(xiàn)

曲線(xiàn)匹配的熱敏電阻以其在室溫（25°C）下的電阻值為特征。但與其他傳感器不同，NTC熱敏電阻是非線(xiàn)性器件，這意味著(zhù)表示電阻與溫度關(guān)系的圖表上的點(diǎn)不形成直線(xiàn)，而是如下圖所示：

非線(xiàn)性NTC熱敏電阻曲線(xiàn)

顯然，線(xiàn)的斜率及其變化程度將由熱敏電阻的類(lèi)型和結構決定。

將溫度轉換為電壓

使用NTC熱敏電阻將溫度轉換為電壓通常涉及創(chuàng )建一個(gè)分壓電路。該電路將熱敏電阻的電阻變化（隨溫度變化）轉換為相應的電壓，可以通過(guò)模數轉換器（ADC）或其他測量設備讀取。

因為通過(guò)電阻的電流總是會(huì )在其上產(chǎn)生電壓降，所以我們可以使用固定的外部激勵電壓和串聯(lián)連接的NTC熱敏電阻和固定值電阻來(lái)產(chǎn)生輸出電壓，如圖所示。

NTC熱敏電阻分壓配置

隨著(zhù)溫度的變化，NTC熱敏電阻的電阻變化，從而改變固定電阻上的輸出電壓。

測量熱敏電阻（或固定電阻，取決于測量位置）上的輸出電壓（VTEMP），然后可以通過(guò)微控制器（如Arduino、RaspberryPi等）的模擬輸入引腳或電壓表直接讀取。

為了最大化電壓到溫度轉換的靈敏度，選擇一個(gè)固定電阻，其值接近熱敏電阻在預期溫度范圍內的電阻。例如，如果熱敏電阻在25°C時(shí)的電阻為10kΩ，則10kΩ的固定電阻將在該溫度附近提供良好的響應。

如前所述，由于NTC熱敏電阻的電阻與溫度之間的關(guān)系是非線(xiàn)性的，因此需要某種形式的線(xiàn)性化電路（如運算放大器）來(lái)產(chǎn)生線(xiàn)性輸出電壓。

NTC示例2

一個(gè)1kΩ的NTC熱敏電阻，Beta系數為3950，與一個(gè)1kΩ的固定電阻串聯(lián)連接在12伏電源上，用于測量10°C到100°C的溫度范圍。計算在37°C溫度下熱敏電阻上的電壓降。

熱敏電阻在37°C溫度下的電阻。

其中：

-R0是熱敏電阻在參考溫度25°C下的電阻。

-T是測量熱敏電阻電阻的溫度，以開(kāi)爾文（K）表示。T=T(°C)+273.15

-T0是參考溫度（通常為25°C時(shí)的298.15K）。

-B值（Beta系數）為3950。

因此，熱敏電阻在37°C溫度下的電壓降為：

負溫度系數總結

在本負溫度系數教程中，我們已經(jīng)看到材料和元件在加熱或冷卻時(shí)會(huì )改變其物理值。材料電阻隨溫度變化的速率稱(chēng)為材料的“溫度系數”，通常用希臘字母α表示。

術(shù)語(yǔ)“負溫度系數”（NTC）是指某些材料的特性，其電阻隨溫度升高而降低。在正溫度系數（PTC）材料中，其電阻隨溫度升高而增加。

NTC材料最常見(jiàn)的應用之一是NTC熱敏電阻。熱敏電阻是一種熱敏感的無(wú)源器件，通常由半導體材料制成，其電阻隨溫度變化非常迅速。因此，它們常見(jiàn)于恒溫器、汽車(chē)溫度傳感器和家用電器中。

因此，負溫度系數（NTC）的概念在日常技術(shù)和專(zhuān)業(yè)工業(yè)應用中起著(zhù)重要作用，提供了一種可靠且經(jīng)濟有效的方式來(lái)監測和控制溫度。了解負溫度系數傳感器的工作原理及其應用領(lǐng)域對于任何從事電子設計或熱管理的人員來(lái)說(shuō)都是必不可少的。