概述:
熱敏電阻器按其電阻-溫度特性可分為正溫度系數熱敏電阻器(PTCR)及負溫度系數熱敏電阻器(NTCR)。PTC是Positive Temperature Coefficient的縮寫,為正溫度系數的意思。NTC是Negative Temperature Coefficient 的縮寫,為負溫度系數的意思。其中正溫度系數熱敏電阻器(PTCR)包括:突變型(階躍型)PTC熱敏電阻器及緩變型(線性)PTC熱敏電阻器兩種。其突變型(階躍型)PTC熱敏電阻器又細分兩類,一類為陶瓷PTC熱敏電阻器(CPTC),在BaTiO3,V2O5,,BN等材料中摻入半導化元素后都可發現PTC效應。目前得到廣泛應用的是BaTiO3系PTC熱敏電阻器;第二類是有機高分子PTC熱敏電阻器(PPTC),在聚乙烯高分子材料中摻入碳黑形成PTC效應。這里介紹的是BaTiO3系PTC熱敏電阻器,屬于典型的直熱式階躍型正溫度系數熱敏電阻器,當溫度增加到居里溫度以上時,其電阻值呈階躍式增加,可達到4~10個數量級。溫度的變化可以由流過熱敏電阻的電流來獲得,也可以由外界輸入熱能或者這二者的迭加來獲得。
PTC熱敏電阻器的應用及優點:
1、作為加熱用的陶瓷PTC元件,具有自動恒溫的特性,可省去一套溫控線路;
2、作為開關用的陶瓷PTC元件,具有過流、過熱保護功能,避免電器設備損壞,結構簡單、可靠;
3、作為溫度保護用的陶瓷PTC元件,在溫控點附近有很大的電阻溫度系數,配置一個簡單的比較器電路可實現較精確的溫度控制;
4、開關溫度調整范圍大:-40℃~320℃;
5、電阻溫度系數高:最高超過40%/℃;
6、電阻值范圍大:0.1Ω~20kΩ
7、工作電壓范圍大:3V~1000V
PTC熱敏電阻器三大特性:
BaTiO3陶瓷是一種典型的鐵電材料,常溫下其電阻率大于1012Ω.cm,相對介電常數高達104,是一種優良的陶瓷電容器材料。在這種材料中引入稀土元素如Y、Nb等,可使其電阻率下降到10Ω.cm以下,成為具有很大的正溫度系數的半導體陶瓷材料,在居里溫度以上幾十度的溫度范圍內,其電阻率可增大4-10個數量級,產生PTC效應。這種效應是一種晶界效應,只有多晶陶瓷材料才具有。正是由于這種PTC效應,PTC熱敏電阻器得到了極其廣泛的應用。根據應用領域劃分,PTC熱敏電阻器有三大特性:
電阻-溫度特性;伏安特性;電流時間特性。
● 電阻--溫度特性(R--T特性):
指的是在規定電壓下,PTC熱敏電阻器的零功率電阻值與電阻本體溫度之間的關系(如下圖所示)。
●電壓--電流特性(V—I特性):
指加在熱敏電阻器引出端的電壓與達到熱平衡的穩態條件下的電流之間的關系(如下圖所示)。
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●電流—時間特性(I—T特性):
指熱敏電阻器在施加電壓過程中,電流隨時間的變化特性。開始加電壓瞬間的電流稱為起始電流,平衡時的電流稱為殘余電流(如下圖所示)。
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▇ PTC的失效模式
●衡量PTC熱敏電阻器可靠性有兩個主要指標:
A.耐電壓能力----超過規定的電壓可導致PTC熱敏電阻器短路擊穿,施加高電壓可淘汰耐壓低的產品,確保PTC熱敏電阻器在最大工作電壓(Vmax)以下是安全的;
B、耐電流能力----超過規定的電流或開關次數可導致PTC熱敏電阻器呈現不可恢復的高阻態而失效,循環通斷試驗不能全部淘汰早期失效的產品。
●在規定的使用條件下,PTC失效后呈現高電阻態。長期(一般大于1000小時)施加在PTC熱敏電阻器上的電壓導致其常溫電阻升高的幅度極小,居里溫度超過200℃的PTC發熱元件相對要明顯。除PTC發熱元件外,PTC失效的主要原因是由于開關操作中陶瓷體中心產生應力開裂。如下圖,在PTC熱敏電阻器動作動過程中,PTC瓷片內溫度、電阻率、電場、和功率密度的分布不均勻導致中心應力大而分層裂開。
PTC瓷片內溫度、電阻率、電場、和功率密度沿片厚度方向的分布