PTC热敏电阻经典应用

CE_Manager

8 Q& F) e( `+ b$ h

PTC热敏电阻经典应用

PTC 热敏电阻

PTC 是 Positive Temperature Coefficient 的缩写,意思是正的温度系数,泛指正温度系数很大的 半导体材料或元器件.通常我们提到的 PTC 是指正温度系数热敏电阻,简称 PTC热敏电阻.PTC 热敏电 阻是 一种典型具有温度敏感性的半导体电阻,超过一定的温度(居里温度)时,它的电阻值随着温度的升高呈阶跃 性的增高.

陶瓷材料通常用作高电阻的优良绝缘体,而陶瓷 PTC 热敏电阻是以钛酸钡为基,掺杂其它的多晶陶瓷 材料制造的,具有较低的电阻及半导特性.通过有目的的掺杂 一种化学价较高的材料作为晶体的点阵元来 达到的:在晶格中钡离子或钛酸盐离子的一部分被较高价的离子所替代,因而得到了一定数量产生导电性的 自由电子.对 于 PTC 热敏电阻效应,也就是电阻值阶跃增高的原因,在于材料组织是由许多小的微晶构成的, 在晶粒的界面上,即所谓的晶粒边界(晶界)上形成势垒,阻碍电 子越界进入到相邻区域中去,因此而产生高 的电阻.这种效应在温度低时被抵消: 在晶界上高的介电常数和自发的极化强度在低温时阻碍了势垒的形 成并使电子可以自由地流动.而这种效应在高温时,介电常数和极化强度大幅度地降低,导致势垒 及电阻大幅度地增高,呈现出强烈的 PTC 效应.

PTC 热敏电阻与温度的依赖关系（R-T 特性）

电 阻-温度特性通常简称为阻温特性，指在规定的电压下，PTC 热敏电阻零功率电阻与电阻体温度之 间的依赖关系。零功率电阻,是指在某一温度下测量 PTC 热敏 电阻值时,加在PTC 热敏电阻上的功耗极低, 低到因其功耗引起的 PTC 热敏电阻的阻值变化可以忽略不计.额定零功率电阻指环境温度 25℃条件下测得 的零功 率电阻值.

表征阻温特性好坏的重要参数是温度系数 α ,反映的是阻温特性曲线的陡峭程度。温度系数 α 越

大,PTC 热敏电阻对温度变化的反应就越灵敏，即 PTC 效应越显著，其相应的 PTC 热敏电阻的性能也就越 好， 使用寿命就越长。PTC 热敏电阻的温度系数定义为温度变化导致的电阻的相对变化. α =

(lgR2-lgR1)/(T2-T1)一般情况下，T1 取 Tc+15℃, T2 取 Tc+25℃来计算温度系数。 Rmin : 最小电阻 , Tmin: Rmin时的温度, RTc : 2 倍Rmin, Tc             : 居里温度 电压和电流的关系（V-I 特性）

电压-电流特性简称伏安特性，它展示了 PTC 热敏电阻在加电气负载达到热平衡的情况下，电压与电流 的相互依赖关系。

PTC 热敏电阻的伏安特性大致可分为三个区域：

在 0-Vk 之间的区域称为线性区，此间的电压和电流的关系基本符合欧姆定律，不产生明显的非线性 变化，也称不动作区。在 Vk-Vmax 之间的区域称为跃变 区，此时由于 PTC 热敏电阻的自热升温，电阻值产 生跃变，电流随着电压的上升而下降，所以此区也称动作区。在 VD 以上的区域称为击穿区，此时电流随着 电压 的上升而上升， PTC 热敏电阻的阻值呈指数型下降，于是电压越高，电流越大，PTC 热敏电阻的温度 越高，阻值越低，很快导致 PTC 热敏电阻的热击穿。伏安特性是过载保护 PTC 热敏电阻的重要参考特性。 电流和时间的关系（I-t 特性）

电流-时间特性是指 PTC 热敏电阻在施加电压的过程中，电流随时间变化的特性。开始加电瞬间的电 流称为起始电流，达到热平衡时的电流称为残余电流。

一定环境温度下,给 PTC 热敏电阻加一个起始电流(保证是动作电流),通过 PTC 热敏电阻的电流降低到 起始电流的 50%时经历的时间就是动作时间.电流-时间特性是自动消磁 PTC 热敏电阻、延时启动 PTC 热敏 电阻、过载保护 PTC 热敏电阻的重要参考特性。

应用一 晶体管温度补偿电路

晶体管的主要参数，如电流放大倍数、基极-发射极电压、集电极电流等，都与环境温度密切相关。因 此，在晶体管电路中需要采取必要的温度补偿措施，才能获得较高的稳定性和较宽的使用环境温度范围。 采用 NTC 热敏电阻器的晶体管温度补偿电路，普遍存在高温（一般在 50℃以上）补偿不足、输入阻抗

! c8 n! r* Q2 y+ x

随温度升高而下降，功耗较大等缺点。PTC 热敏电阻 晶体管温度补偿电路能克服上述缺点，扩大晶体管使 用环境温度范围。

图(a)(b)(c) 为三种不同接法的晶体管基本补偿电路，适用于不同的晶体管及工作电流，以求保证在较 宽的温度范围内的最佳补偿效果。此外，图 2.1.1(b)和图 2.1.1(c)除有稳定工作电流的作用外， 还兼有 过热过流保护的功能，即当电流或环境温度超过设定值时，RT 阻值剧增，从而使使晶体管截止。

图中为采用 PTC 热敏电阻的晶体管放大电路。 图中 RT 为 25℃时阻值 180Ω 的 PTC 热敏电阻，当环境 温度变化时，其阻值随之变化使晶体管发射极电压呈反向变化，从而使集电极电流保持稳定。

应用二 测温控温电路 本测温控温电路适用于家用空调、电热取暖器、恒温箱、温床育苗、人工孵化、农牧科研等电热设

备。 其使用温度范围是 0~50℃，测控温精度为±（0.2~0.5）℃.

2.2.1 原理电路

本测温控温电路由温度检测、显示、设定及控制等部分组成，见图 2.2.1。图中 D1~D4 为单电源四运 放器 LM324 的四个单独的运算放大器。 RT1~RTn 为 PTC 感温探头，其用量取决于被测对象的容积。 RP1 用 于对微安表调零，RP2 用于调节 D2 的输出使微安表指满度。S 为转换开关。

由 RT 检测到的温度信息， 输入 D1 的反馈回路。 该信息既作为 D2 的输入信号， 经 D2 放大后通过 微安表显示被测温度；又作为比较器 D4 的同相输入信号，与 D3 输出的设定基准信号，构成 D4 的差模输入 电压。

当被控对象的实际温度低于由 RP3 预设的温度时，RT 的阻值较小，此时 D4 同相输入电压的绝对值小 于反相输入电压的绝对值，于是 D4 输出为高电位，从而使晶体管 V 饱和导通，继电器 K 得电吸合常开触 点 JK，负载 RL 由市电供电，对被控物进行加热。

当被控对象的实际温度升到预设值时， D4 同相输入电压的绝对值大于反相输入电压的绝对值， D4 的输出为低电位，从而导致 V 截止，K 失电释放触点 JK 至常开，市电停止向 RL供电，被控物进入恒温阶 段。 如此反复运行，达到预设的控温目的。

2.2.2 主要元器件选择

本测温控温电路选用 PTC 热敏电阻为感温元件，该元件在 0℃时的电阻值为 264Ω， 制作成温度传感 器探测头，按图 2.2.2 线化处理后封装于护套内，其电阻-温度特性见图 2.2.3.

线化后的 PTC 热 敏电阻感温探头具有良好的线性，其平均灵敏度达 16Ω/℃左右。 如果采用数模转换网 络、与非门电路及数码显示器， 替代本电路的微安表显示器，很容易实现远距离多点集中的遥测。继电器

3 x3 Z7 s* b; h. Q! d

的选型取决于负载功率。为便于调节，RP1~RP4 选用线性带锁紧机构的微调电位器。

2.2.3 安装与调试

调试工作主要是调整指示器的零点和满度指示。 先将 S 接通 R0，调节 RP1 使微安表指零，于此同时， 调节 RP4 使其阻值与 RP1 相同，以保持 D1 与 D4 的对称性。然后将 S 接通 R1，调节 RP2 使微安表指满度。 最后，按 RT 的标准阻-温曲线， 将 RP3 调到与设定温度相应的阻值，即可投入使用。

应用三 过热保护电路 生产中所用的自动车床、电热烘箱、球磨机等连续运转的机电设备，以及其它无人值守的设备， 因为

电机过热或温控器失灵造成的事故时有发生，需要采取相应的保安措施。PTC 热敏电阻过热保护电路能够 方便、有效地预防上述事故的发生 。

2.3.1 原理电路

图 2.3.1 是以电机过热保护为例，由 PTC 热敏电阻和施密特电路构成的控制电路。图中，RT1、RT2、 RT3 为三只特性一致的阶跃型 PTC 热敏电阻 器，它们分别埋设在电机定子的绕组里。 正常情况下，PTC 热 敏电阻器处于常温状态，它们的总电阻值小于 1KΩ。此时，V1 截止，V2 导通，继电器 K 得电吸合常开触 点，电机由市电供电运转。

当电机因故障局部过热时，只要有一只 PTC 热敏电阻受热超过预设温度时，其阻值就会超过 10KΩ 以 上。 于是 V1 导通、V2 截止，VD2 显示红色报警，K 失电释放，电机停止运转，达到保护目的。

2.3.2 主要元器件选择 PTC热敏电阻的选型取决于电机的绝缘等级。通常按比电机绝缘等级相对应的极限温度低 40℃左右的

范围选择PTC热敏电阻的居里温度。例如，对于B1 级绝缘的电机，其极限温度为 130℃，应当选居里温度

90℃的PTC热敏电阻。***（参数表 ? 过热保护用PTC热敏电阻）

继电器 K 的选择取决于电机的容量，图 2.3.1 中的是 JRX-13F，触点负载 0.5A，适合小型电机。RP 应选 带锁紧机构的电位器。

2.3.3 安装与调试

推荐的安装方式是将 PTC 热敏电阻分别埋设在电机定子的绕组里。 调试方法是：将 PTC 热敏电阻置于 恒温箱中，设定温度为 TK,调节 RP 使 PTC 热敏电阻在 TK-5℃时，VD2 不亮，K不动作；在 TK+5℃时，VD2 灯亮，K 动作。锁紧 RP 即可。

应用四 轴温过热保护电路 长期连续运转的机电设备都离不开轴承、轴瓦。因轴温过热引起的故障时有发生。采用轴温过热保护电

路可以有效地防止恶性事故的发生。

: }5 t, w0 T7 D8 J- J! |& o) i* b
0 @/ `. c, T, P. g' o; S

2.10.1 原理电路

图 2.10.1 是轴温过热保护电路原理图。在正常情况下，调节 RP1 使 Ui<Uc/3,于是 IC 输出为高电位， K 不动作常闭触点得到维持。随着轴温的升高，RT 受热阻值增大，导致Ui≥2Uc/3,位置 7 的输出由高电位 翻转为低电位。于是 K 得电拉开常闭触点，切断运转设备的电源，使轴承或轴瓦得到保护。

2.10.2 主要元器件选择

PTC 热敏电阻 RT 是轴温过热保护电路的关键元件，该元件的常温电阻值≤500Ω。PTC 热敏电阻器密封 在里面，并保证与外壳有良好的热传导及电绝缘。

2.10.3 安装与调试

PTC 热敏电阻探头紧固在易于发热超温的部位，使其头部与被控对象接触良好，建议在空隙处填充导 热硅脂，以改善热传导条件。

应用五 液位控制电路 现有的金属电极型液位监控器，由于检测信号是液位和液质的函数，因此它的应用范围受到一定限制。本 液位控制电路是以 PTC 热敏电阻作为液位传感元件，配备适当的护套可以用于各类液体的液位控制。

2.17.1 原理电路

本液位控制电路 由检测、控制及执行机构组成。其工作原理如图 2.17.1.图中，CW140 为三端固定稳 压集成块（输入电路略）；两只 PTC 热敏电阻（RT1、RT2） 与 R1、R2 组成桥式液位检测电路；TWH8778 电子开关与继电器 K 组成控制电路；由光电耦合器 4N25 提供触发信号；K 的触点 Jk 与电磁阀组成执行电 路。

在正常情况下，RT1、RT2 均处于液体中，电桥平衡 Uab 为零，于是 4N25 截止，TWH8778 及 K 不动作， 触点 Jk 常开，DF-1 关闭。当液位下降到使 RT1 露出液面时，PTC 热敏电阻阻值迅速增大，于是电桥失去平 衡，4N25 导通，并触发⑤使 TWH8778 导通，K 得电吸合 Jk，DF-1 开启向储液罐补充液体。当液位上升到使 RT1 浸入液体时，其阻值迅速减小，电桥自动平衡，4N25 截止，K 失电释放 Jk，DF-1 关闭，停止输入液体。

# o5 B! K* {- F; A3 ?

2.17.2 主要元器件选择

RT1、RT2 是液位控制电路的关键部件。选择居里温度大于 60℃的 PTC 热敏电阻。将其封装在特制的探 头中。

继电器 K 的选择取决于电磁阀的类型，这里以水电磁阀 DF-1 为例，选用了 JRX-18F 通用电磁继电器.

2.17.3 安装与调试

两只 PTC 热敏电阻器均安装在液体罐的壁上。其中，RT1 装在设定的上限液位处；RT2 装在设定的下限 液位处。安装前进行调试，方法是：将 RT1、RT2 的传感头浸入液体中，调节 RP 使 Uab 为零，指示灯 VD1 不亮。然后使 RT1 露出液面，调节 R5 至 VD1 亮、Jk 吸合，DF-1 动作。调试完毕后锁紧 RP 及 R5，将 RT1、 RT2 安装在设定的位置。

; w) R' X& O3 q  X

wu68aq

看看。