热敏电阻详细介绍

敏创电子

发布时间:03-3012:03

热敏电阻是电阻温度计,或电阻取决于温度的电阻。该术语是“热”和“电阻”的组合。它由金属氧化物制成,压成珠子,圆盘或圆柱形,然后用不透气的材料如环氧树脂或玻璃封装。

热敏电阻的类型有两种:负温度系数(NTC)和正温度系数(PTC)。使用NTC热敏电阻,当温度升高时,电阻会降低。相反,当温度降低时,电阻增加。这类热敏电阻使用量最多。

PTC热敏电阻的工作方式略有不同。当温度升高时,电阻增加,而当温度降低时,电阻降低。这种类型的热敏电阻通常用作保险丝。

通常,热敏电阻在目标温度附近约50C的有限温度范围内实现高精度。该范围取决于基极电阻。

热敏电阻符号是:

热敏电阻符号 - 美国和日本

T的箭头表示电阻可根据温度变化。箭头或条的方向不重要。

热敏电阻易于使用,价格低廉,坚固耐用,并且可以预测温度变化。虽然它们在过热或过低的温度下不能很好地工作,但它们是在所需基点测量温度的应用的首选传感器。当需要非常精确的温度时,它们是理想的。

热敏电阻的一些最常见的用途是用于数字温度计,用于测量油和冷却剂温度的汽车,以及烤箱和冰箱等家用电器,但几乎所有需要加热或冷却保护电路以确保安全的应用中都有这种用途。操作。对于更复杂的应用,例如激光稳定探测器,光学模块和电荷耦合器件,内置热敏电阻。例如,10kΩ热敏电阻是内置于激光封装中的标准。

热敏电阻如何“读取”温度

热敏电阻实际上并不“读取”任何东西,而是热敏电阻的电阻随温度而变化。电阻变化多少取决于热敏电阻中使用的材料类型。

与其他传感器不同,热敏电阻是非线性的,这意味着表示电阻和温度之间关系的图表上的点不会形成直线。线路的位置及其变化程度取决于热敏电阻的结构。典型的热敏电阻图如下所示:

图2:电阻与温度的关系

下面将详细介绍如何将阻力变化转换为可测量数据。

热敏电阻和其他温度传感器的区别

除热敏电阻外,还使用了几种其他类型的温度传感器。最常见的是电阻温度检测器(RTD)和集成电路(IC),例如LM335和AD590类型。哪种传感器最适合特定用途是基于许多因素。下表简要比较了每种方法的优缺点。

温度范围:可以使用传感器类型的大致温度范围。在给定的温度范围内,一些传感器比其他传感器工作得更好

相对成本:相对成本,因为这些传感器相互比较。例如,热敏电阻相对于RTD而言便宜,部分原因是RTD选择的材料是铂。

时间常数:从一个温度值更改为另一个温度值所需的大致时间。这是热敏电阻从初始读数到最终读数达到63.2%温差的时间(以秒为单位)。

稳定性:控制器根据传感器的温度反馈保持恒定温度的能力。

灵敏度:对温度变化的响应程度。

常见的热敏电阻有哪些外形

热敏电阻有各种形状 - 圆盘,芯片,珠子或棒,可以表面安装或嵌入系统中。它们可以封装在环氧树脂,玻璃,烘烤酚醛树脂或涂漆中。最佳形状通常取决于所监测的材料,例如固体,液体或气体。

例如,珠子热敏电阻是嵌入装置的理想选择,而棒,圆盘或圆柱头最适合光学表面。热敏电阻芯片通常安装在印刷电路板(PCB)上。有许多不同形状的热敏电阻,其中一些例子是:

图3:热敏电阻类型

选择一种形状,使其与温度受监控的设备最大程度地接触。无论热敏电阻的类型如何,必须使用高导热膏或环氧胶制成与被监控设备的连接。通常重要的是该糊剂或胶水不导电。

热敏电阻是怎么在控制系统中工作的

热敏电阻的主要用途是测量器件的温度。在温度控制系统中,热敏电阻是较大系统中较小但很重要的部分。温度控制器监控热敏电阻的温度。然后告诉加热器或冷却器何时打开或关闭以保持传感器的温度。

在下图中,示出了示例系统,有三个主要部件用于调节设备的温度:温度传感器,温度控制器和Peltier设备(在此标记为TEC或热电冷却器)。传感器头连接到冷却板,冷却板需要保持特定温度以冷却设备,并且电线连接到温度控制器。温度控制器还电连接到Peltier设备,该设备加热并冷却目标设备。散热器连接到Peltier设备,以帮助散热。

图4:热敏电阻控制系统

温度传感器的工作是将温度反馈发送到温度控制器。传感器有一小部分电流流过它,称为偏置电流,由温度控制器发送。控制器无法读取电阻,因此必须通过使用电流源在热敏电阻上施加偏置电流来产生控制电压,从而将电阻变化转换为电压变化。

温度控制器是这项操作的大脑。它获取传感器信息,将其与待冷却单元所需的信息(称为设定值)进行比较,并调整通过Peltier设备的电流以更改温度以匹配设定值。

系统中热敏电阻的位置会影响控制系统的稳定性和精度。为获得最佳稳定性,热敏电阻需要尽可能靠近热电或电阻加热器放置。为获得最佳精度,热敏电阻需要靠近需要温度控制的设备。理想情况下,热敏电阻嵌入在设备中,但也可以使用导热膏或胶水进行连接。即使嵌入了器件,也应使用导热膏或胶水消除气隙。

下图显示了两个热敏电阻,一个直接连接到设备,一个远程设备或远离设备。如果传感器离设备太远,热滞后时间会显着降低温度测量的准确度,而将热敏电阻放置在离珀耳帖设备太远的位置会降低稳定性。

图5:热敏电阻放置

在下图中,该图表显示了两个热敏电阻的温度读数差异。连接到设备的热敏电阻快速响应热负荷的变化并记录准确的温度。远程热敏电阻也起了反应但速度不是很快。更重要的是,读数偏差超过半度。当需要精确的温度时,这种差异可能非常显着。

选择传感器放置后,需要配置系统的其余部分。这包括确定基本热敏电阻的电阻,传感器的偏置电流以及温度控制器上负载的设定温度。

热敏电阻和偏置电流如何应用

热敏电阻的分类是在室温下测得的电阻量,即25°C。根据制造商的要求,需要保持温度的装置具有一定的技术规格以便最佳使用。必须在选择传感器之前识别这些。因此,了解以下内容非常重要:

设备的最高和最低温度是多少?

在测量环境温度50°C以内的单点温度时,热敏电阻是理想选择。如果温度过高或过低,热敏电阻将无法工作。虽然有例外,但大多数热敏电阻在-55°C至+ 114°C的范围内工作效果最佳。

由于热敏电阻是非线性的,意味着温度与电阻值在曲线图上绘制为曲线而不是直线,因此无法正确记录非常高或极低的温度。例如,非常高的温度下的非常小的变化将记录可忽略的电阻变化,这不会转化为精确的电压变化。

热敏电阻的最佳使用范围

根据控制器的偏置电流,每个热敏电阻都有一个最佳的有效范围,这意味着可以准确记录温度变化很小的温度范围。

下表显示了两种最常见偏置电流下波长热敏电阻的最有效温度范围。

图7:热敏电阻选择表

最好选择一个设定点温度在该范围中间的热敏电阻。热敏电阻的灵敏度取决于温度。例如,热敏电阻在较冷的温度下可能比在较温暖的温度下更敏感,就像Wavelength的TCS10K510kΩ热敏电阻一样。使用TCS10K5时,灵敏度在0°C和1°C之间为每摄氏度162 mV,在25°C和26°C之间为43 mV /°C,在49°C和50°之间为14 mV°C C。

温度控制器的传感器输入的电压上限和下限

传感器反馈到温度控制器的电压限制由制造商规定。理想情况是选择热敏电阻和偏置电流组合,以产生温度控制器允许范围内的电压。

电压与欧姆定律的电阻有关。该等式用于确定需要什么偏置电流。欧姆定律指出,通过两点之间的导体的电流与两点之间的电位差成正比,对于这种偏置电流,写为:

V = I BIAS x R

其中:

V是电压,单位为伏特(V)

I BIAS是电流,单位是安培或安培(A)

I BIAS表示电流固定

R是电阻,单位为欧姆(Ω)

控制器产生偏置电流以将热敏电阻器电阻转换为可测量的电压。控制器只接受一定范围的电压。例如,如果控制器范围为0到5 V,则热敏电阻电压必须不低于0.25 V,以便低端电气噪声不会干扰读数,并且不高于5 V才能读取。

假设使用上述控制器和100kΩ热敏电阻,例如Wavelength的TCS651,器件需要维持的温度为20°C。根据TCS651数据表,在20°C时电阻为126700Ω。为了确定热敏电阻是否可以与控制器一起工作,我们需要知道偏置电流的可用范围。使用欧姆定律来解决I BIAS,我们知道以下内容:

V / R = I BIAS

0.25 / 126700 =2μA是范围的最低端

5.0 / 126700 =39.5μA是最高端

是的,如果温度控制器偏置电流可以设置在2μA和39.5μA之间,则此热敏电阻将工作。

选择热敏电阻和偏置电流时,最好选择产生电压的范围中间的电阻。控制器反馈输入需要处于电压状态,该电压源自热敏电阻器电阻。

由于人们最容易与温度相关,因此通常需要将电阻改变为温度。用于将热敏电阻器电阻转换为温度的最准确模型称为Steinhart-Hart方程。

STEINHART-HART方程

Steinhart-Hart方程是在计算机无处不在时开发的模型,大多数数学计算都是使用幻灯片规则和其他数学辅助工具完成的,例如超越函数表。该方程式被开发为一种简单方法,可以轻松,更精确地对热敏电阻温度进行建模。

Steinhart-Hart方程公式:

1 / T = A + B(lnR)+ C(lnR)2 + D(lnR)3 + E(lnR)4 ...

其中:

T是温度,以开尔文(K,开尔文=摄氏+ 273.15)

R是T处的电阻,欧姆(Ω)

A,B,C,D和E是Steinhart-Hart系数,根据类型而变化使用的热敏电阻和检测的温度范围。

ln是自然日志,或登录到Napierian基地2.71828

这些术语可以无限延续,但由于误差很小,方程在立方项后被截断,平方项被消除,因此使用的标准Steinhart-Hart方程如下:

1 / T = A + B(lnR)+ C(lnR)3

计算机程序的乐趣之一是,需要几天甚至几周才能解决的方程式可以在瞬间完成。在任何搜索引擎中输入“Steinhart-Hart方程计算器”,并返回在线计算器链接页面。

STEINHART-HART方程如何使用

该等式更精确地计算热敏电阻的实际电阻随温度的变化。温度范围越窄,电阻计算就越准确。大多数热敏电阻制造商提供典型温度范围的A,B和C系数。

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