負溫度系數(shù)

負溫度系數(shù)是半導體材料的特性，其電阻隨著溫度的升高而降低。

什么是負溫度系數(shù)？

負溫度系數(shù)（NegativeTemperatureCoefficient，簡稱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、放大器和半導體。有多種類型的溫度傳感器可用作基本構建模塊，幫助保護電子系統(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，當材料或元件變熱（或變冷）時，其值會發(fā)生變化，因此在不同溫度下并不恒定。

大多數(shù)導電材料在其正常工作溫度范圍內的電阻值幾乎呈線性增加。然而，有一些電解質和半導體材料的電阻值會隨著溫度的升高而降低。也就是說，當它們變熱時，電阻減小，對電流的阻礙減弱。

負溫度系數(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的負值意味著其電阻隨溫度升高而降低，稱為“負溫度系數(shù)”（NTC）。

盡管材料可以具有NTC或PTC溫度系數(shù)，但它們仍然遵循歐姆定律，就像固定電阻一樣，只是它們的電阻值會根據(jù)暴露的溫度而變化。

除了正溫度系數(shù)或負溫度系數(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，我們還可以計算銅線圈冷卻到0°C時的電阻：

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會導致其電阻從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，我們可以計算材料在任何溫度下的電阻，因為電阻溫度系數(shù)（α）可以通過以下公式計算：

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。

負溫度系數(shù)熱敏電阻

NTC材料最常見的應用之一是兩端“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，它們具有負溫度系數(shù)（NTC）。

熱敏電阻通常由半導體材料制成，將體溫變化轉化為電阻變化，廣泛應用于溫度傳感、控制系統(tǒng)和保護電路中。這些小型珠狀器件提供高精度和可靠的溫度測量。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，因為它們成本低、響應快且對小溫度變化敏感。

NTC熱敏電阻符號

通常，NTC熱敏電阻設計為在其室溫（25°C，77°F）中心電阻的±50°C左右的指定溫度范圍內實現(xiàn)高精度。超出此范圍，其精度可能會降低，或者材料的行為可能與預期不同。

此外，NTC熱敏電阻的電阻特性不是線性的，但可以進行點匹配或曲線匹配。點匹配的NTC熱敏電阻設計為在特定溫度點具有保證的容差。例如，如果主要關注一個溫度點，如0°C、25°C、100°C等。

當需要測量更寬的溫度范圍時，例如-50°C到150°C，可以使用曲線匹配的熱敏電阻。請注意，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，但它們在特定溫度下的電阻值將因不同NTC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。當它們與電路或元件串聯(lián)時，它們充當限流裝置。

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，控制電流流動和功率耗散。這種自熱效應需要幾秒鐘，在此期間電流逐漸增加而不是瞬間增加。

NTC熱敏電阻標記

NTC熱敏電阻通常帶有特定的標記，幫助識別其特性，如電阻值、容差，有時還有制造商代碼。這些編碼標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熱敏電阻標記識別方法。

1.電阻值標記

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）標記。

2.直徑

直徑通常與熱敏電阻的型號或零件號相關聯(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毫米直徑對應的物理尺寸。熱敏電阻的直徑通常與其型號或零件號相關聯(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特的物理特性，如尺寸、形狀或引線類型。雖然不是直接標記，但物理外觀可以幫助識別熱敏電阻的類型。

要完全識別負溫度系數(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來確認詳細信息，如溫度范圍、不同溫度下的確切電阻值和容差評級。

典型NTC熱敏電阻標記

因此，給定的NTC熱敏電阻示例是一個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系的圖表上的點不形成直線，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構決定。

將溫度轉換為電壓

使用NTC熱敏電阻將溫度轉換為電壓通常涉及創(chuàng)建一個分壓電路。該電路將熱敏電阻的電阻變化（隨溫度變化）轉換為相應的電壓，可以通過模數(shù)轉換器（ADC）或其他測量設備讀取。

因為通過電阻的電流總是會在其上產(chǎn)生電壓降，所以我們可以使用固定的外部激勵電壓和串聯(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。

測量熱敏電阻（或固定電阻，取決于測量位置）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換的靈敏度，選擇一個固定電阻，其值接近熱敏電阻在預期溫度范圍內的電阻。例如，如果熱敏電阻在25°C時的電阻為10kΩ，則10kΩ的固定電阻將在該溫度附近提供良好的響應。

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

NTC示例2

一個1kΩ的NTC熱敏電阻，Beta系數(shù)為3950，與一個1kΩ的固定電阻串聯(lián)連接在12伏電源上，用于測量10°C到100°C的溫度范圍。計算在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：

負溫度系數(shù)總結

在本負溫度系數(shù)教程中，我們已經(jīng)看到材料和元件在加熱或冷卻時會改變其物理值。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。

術語“負溫度系數(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，負溫度系數(shù)（NTC）的概念在日常技術和專業(yè)工業(yè)應用中起著重要作用，提供了一種可靠且經(jīng)濟有效的方式來監(jiān)測和控制溫度。了解負溫度系數(shù)傳感器的工作原理及其應用領域對于任何從事電子設計或熱管理的人員來說都是必不可少的。