热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件.热敏电阻由半导体陶瓷材料组成,利用的原理是温度引起电阻变化.若电子和空穴的浓度分别为n、p,迁移率分别为μn、μp,则半导体的电导为:
σ=q(nμn+pμp)
因为n、p、μn、μp都是依赖温度T的函数,所以电导是温度的函数,因此可由测量电导而推算出温度的高低,并能做出电阻-温度特性曲线.这就是半导体热敏电阻的工作原理.
热敏电阻包括正温度系数(PTC)和负温度系数(NTC)热敏电阻,以及临界温度热敏电阻(CTR).它们的电阻-温度特性如图1所示.热敏电阻的主要特点是:①灵敏度较高,其电阻温度系数要比金属大10~100倍以上,能检测出10-6℃的温度变化;②工作温度范围宽,常温器件适用于-55℃~315℃,高温器件适用温度高于315℃(目前可达到2000℃),低温器件适用于-273℃~55℃;③体积小,能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度;④使用方便,电阻值可在0.1~100kΩ间任意选择;⑤易加工成复杂的形状,可大批量生产;⑥稳定性好、过载能力强.
由于半导体热敏电阻有的性能,所以在应用方面,它不仅可以作为测量元件(如测量温度、流量、液位等),还可以作为控制元件(如热敏开关、限流器)和电路补偿元件.热敏电阻广泛用于家用电器、电力工业、通讯、科学、宇航等各个领域,发展前景极其广阔
PTC热敏电阻
PTC(是指在某一温度下电阻急剧增加、具有正温度系数的热敏电阻现象或材料,可专门用作恒定温度传感器.该材料是以BaTiO3或SrTiO3或PbTiO3为主要成分的烧结体,其中掺入微量的Nb、Ta、Bi、Sb、Y、La等氧化物进行原子价控制而使之半导化,常将这种半导体化的BaTiO3等材料简称为半导(体)瓷;同时还添加增大其正电阻温度系数的Mn、Fe、Cu、Cr的氧化物和起其他作用的添加物,采用一般陶瓷工艺成形、高温烧结而使钛酸铂等及其固溶体半导化,从而得到正特性的热敏电阻材料.其温度系数及居里点温度随组分及烧结条件(尤其是冷却温度)不同而变化
钛酸钡半导瓷的PTC效应起因于粒界(晶粒间界).对于导电电子来说,晶粒间界面相当于一个势垒.当温度低时,由于钛酸钡内电场的作用,导致电子极容易越过势垒,则电阻值较小.当温度升高到居里点温度(即临界温度)附近时,内电场受到破坏,它不能帮助导电电子越过势垒.这相当于势垒升高,电阻值突然增大,产生PTC效应.钛酸钡半导瓷的PTC效应的物理模型有海望表面势垒模型、丹尼尔斯等人的钡缺位模型和叠加势垒模型,它们分别从不同方面对PTC效应作出了合理解释.
实验表明,在工作温度范围内,PTC热敏电阻的电阻-温度特性可近似用实验公式表示:
RT=RT0expBp(T-T0)
式中RT、RT0表示温度为T、T0时电阻值,Bp为该种材料的材料常数.
PTC效应起源于陶瓷的粒界和粒界间析出相的性质,并随杂质种类、浓度、烧结条件等而产生显著变化.近,进入实用化的热敏电阻中有利用硅片的硅温度敏感元件,这是体型且精度高的PTC热敏电阻,由n型硅构成,因其中的杂质产生的电子散射随温度上升而增加,从而电阻增加
R1、RP1和R2构成对直流工作电压+V的分压电路,其分压输出的直流电压加到集成电路A1的控制引脚13脚。接通电源后(S1接通),电路进入工作状态。
当水温较低时,热敏电阻R2阻值较小,分压电路输出的直流电压较小,集成电路13脚直流电压低,不足以使集成电路A1内部振荡器工作,此时蜂鸣器B不工作。
当水开了之后,热敏电阻器R2的阻值已增大很多,R1、RP1和R2分压电路输出的直流电压较大,集成电路A1的13脚直流电压高于阈值电压,使集成电路A1的内部振荡器工作,此时A1的6脚输出信号,驱动蜂鸣器B发出声响报警,表示水已开。
调整RP1阻值能改变这一电路的报警温度,RP1阻值大,报警温度高,反之则低。
彩色电视机中普遍使用PTC热敏电阻构成消磁电路。图2中所示,R3是PTC热敏电阻,L1是消磁线圈,K1是控制消磁电路的继电器,VT1是继电器的驱动三极管,A1是微处理器。
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