負(fù)溫度系數(shù)

負(fù)溫度系數(shù)是半導(dǎo)體材料的特性，其電阻隨著溫度的升高而降低。

什么是負(fù)溫度系數(shù)？

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

溫度系數(shù)（TemperatureCoefficient，TC）是指某些材料的特性，其物理值隨著其本體溫度或周圍環(huán)境溫度的變化而變化。換句話說，當(dāng)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(shù)導(dǎo)電材料在其正常工作溫度范圍內(nèi)的電阻值幾乎呈線性增加。然而，有一些電解質(zhì)和半導(dǎo)體材料的電阻值會(huì)隨著溫度的升高而降低。也就是說，當(dāng)它們變熱時(shí)，電阻減小，對(duì)電流的阻礙減弱。

負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻

2.5Ω，20mmNTC熱敏電阻

電阻的溫度系數(shù)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的正值意味著其電阻隨溫度升高而增加，稱為“正溫度系數(shù)”（PTC）。而α的負(fù)值意味著其電阻隨溫度升高而降低，稱為“負(fù)溫度系數(shù)”（NTC）。

盡管材料可以具有NTC或PTC溫度系數(shù)，但它們?nèi)匀蛔裱瓪W姆定律，就像固定電阻一樣，只是它們的電阻值會(huì)根據(jù)暴露的溫度而變化。

除了正溫度系數(shù)或負(fù)溫度系數(shù)外，一些金屬合金（如康銅）的α值為零，這意味著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)生顯著變化。

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

電阻溫度系數(shù)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(shù)（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？

銅線的溫度系數(shù)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，銅線圈在140°C時(shí)的電阻為：

R=25(1+0.004(140–20))=37Ω

因此，銅線圈的電阻增加了12Ω，比其原始值25Ω增加了48%。

我們可以通過以下圖表顯示線圈電阻的增加。

電阻隨溫度的變化

如果愿意，我們還可以計(jì)算銅線圈冷卻到0°C時(shí)的電阻：

R=25(1+0.004(0–20))=23Ω

因此，我們可以看到，將線圈從0°C加熱到140°C會(huì)導(dǎo)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，線圈具有正溫度系數(shù)。

知道圖表的斜率值后，我們可以計(jì)算材料在任何溫度下的電阻，因?yàn)殡娮铚囟认禂?shù)（α）可以通過以下公式計(jì)算：

電阻溫度系數(shù)變化

其中，電阻R1在溫度T1下給出。

各種元件的溫度系數(shù)在大小和符號(hào)上也可能不同。例如，元件的初始值將在20°C室溫下給出，但隨著周圍空氣溫度的變化而變化，這可能會(huì)影響其操作。

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

負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻

NTC材料最常見的應(yīng)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(duì)溫度敏感的電阻，其電阻隨著溫度的升高而顯著降低。也就是說，它們具有負(fù)溫度系數(shù)（NTC）。

熱敏電阻通常由半導(dǎo)體材料制成，將體溫變化轉(zhuǎn)化為電阻變化，廣泛應(yīng)用于溫度傳感、控制系統(tǒng)和保護(hù)電路中。這些小型珠狀器件提供高精度和可靠的溫度測(cè)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?yàn)樗鼈兂杀镜?、響?yīng)快且對(duì)小溫度變化敏感。

NTC熱敏電阻符號(hào)

通常，NTC熱敏電阻設(shè)計(jì)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(nèi)實(shí)現(xiàn)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(yù)期不同。

此外，NTC熱敏電阻的電阻特性不是線性的，但可以進(jìn)行點(diǎn)匹配或曲線匹配。點(diǎn)匹配的NTC熱敏電阻設(shè)計(jì)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(dāng)需要測(cè)量更寬的溫度范圍時(shí)，例如-50°C到150°C，可以使用曲線匹配的熱敏電阻。請(qǐng)注意，雖然曲線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?cè)谔囟囟认碌碾娮柚祵⒁虿煌琋TC熱敏電阻制造商而異。

熱敏電阻的電阻值也可以通過流經(jīng)元件的電流引起的溫度變化而變化。當(dāng)它們與電路或元件串聯(lián)時(shí)，它們充當(dāng)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(yīng)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(biāo)記

NTC熱敏電阻通常帶有特定的標(biāo)記，幫助識(shí)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(biāo)記可能因制造商和熱敏電阻的尺寸而異，但以下是一些常見的NTC熱敏電阻標(biāo)記識(shí)別方法。

1.電阻值標(biāo)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(biāo)記。

2.直徑

直徑通常與熱敏電阻的型號(hào)或零件號(hào)相關(guān)聯(lián)，可能印在熱敏電阻體上。例如，盤式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(duì)應(yīng)的物理尺寸。熱敏電阻的直徑通常與其型號(hào)或零件號(hào)相關(guān)聯(lián)。

3.物理形狀或引線

盤式熱敏電阻和珠式熱敏電阻可以具有獨(dú)特的物理特性，如尺寸、形狀或引線類型。雖然不是直接標(biāo)記，但物理外觀可以幫助識(shí)別熱敏電阻的類型。

要完全識(shí)別負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，可以使用制造商的數(shù)據(jù)表以及任何數(shù)字代碼、容差值或制造商零件號(hào)來確認(rèn)詳細(xì)信息，如溫度范圍、不同溫度下的確切電阻值和容差評(píng)級(jí)。

典型NTC熱敏電阻標(biāo)記

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

負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻曲線

曲線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熱敏電阻是非線性器件，這意味著表示電阻與溫度關(guān)系的圖表上的點(diǎn)不形成直線，而是如下圖所示：

非線性NTC熱敏電阻曲線

顯然，線的斜率及其變化程度將由熱敏電阻的類型和結(jié)構(gòu)決定。

將溫度轉(zhuǎn)換為電壓

使用NTC熱敏電阻將溫度轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓，可以通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）或其他測(cè)量設(shè)備讀取。

因?yàn)橥ㄟ^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(lì)電壓和串聯(lián)連接的NTC熱敏電阻和固定值電阻來產(chǎn)生輸出電壓，如圖所示。

NTC熱敏電阻分壓配置

隨著溫度的變化，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(cè)量熱敏電阻（或固定電阻，取決于測(cè)量位置）上的輸出電壓（VTEMP），然后可以通過微控制器（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(zhuǎn)換的靈敏度，選擇一個(gè)固定電阻，其值接近熱敏電阻在預(yù)期溫度范圍內(nèi)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(yīng)。

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

NTC示例2

一個(gè)1kΩ的NTC熱敏電阻，Beta系數(shù)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(cè)量10°C到100°C的溫度范圍。計(jì)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(cè)量熱敏電阻電阻的溫度，以開爾文（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(shù)）為3950。

因此，熱敏電阻在37°C溫度下的電壓降為：

負(fù)溫度系數(shù)總結(jié)

在本負(fù)溫度系數(shù)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為材料的“溫度系數(shù)”，通常用希臘字母α表示。

術(shù)語“負(fù)溫度系數(shù)”（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(shù)（PTC）材料中，其電阻隨溫度升高而增加。

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

因此，負(fù)溫度系數(shù)（NTC）的概念在日常技術(shù)和專業(yè)工業(yè)應(yīng)用中起著重要作用，提供了一種可靠且經(jīng)濟(jì)有效的方式來監(jiān)測(cè)和控制溫度。了解負(fù)溫度系數(shù)傳感器的工作原理及其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ谌魏螐氖码娮釉O(shè)計(jì)或熱管理的人員來說都是必不可少的。