热敏电阻器是电阻值对温度极为敏感的一种电阻器,也叫半导体热敏电阻器。它可由单晶、多晶以及玻璃、塑料等半导体材料制成。这种电阻器具有一系列特殊的电性能,最基本的特性是其阻值随温度的变化有极为显著的变化,以及伏安曲线呈非线性。以下是影响其使用的因素:
一、温度特性
热敏系数
定义与重要性:热敏系数是衡量热敏电阻器温度敏感性的关键指标。正温度系数(PTC)热敏电阻的电阻值随温度升高而增大,负温度系数(NTC)热敏电阻则相反。热敏系数的大小直接决定了热敏电阻在温度变化时电阻值的变化幅度。例如,NTC 热敏电阻的热敏系数一般在 - 2%/℃到 - 6%/℃之间,这意味着温度每升高 1℃,其电阻值会降低 2% - 6%。不同应用场景对热敏系数有不同要求,在温度测量和控制精度要求高的场合,需要选择热敏系数合适的热敏电阻。
材料和工艺影响:热敏系数主要取决于热敏电阻的材料成分和制造工艺。对于 NTC 热敏电阻,常用的材料是金属氧化物(如锰、镍、钴等的氧化物),这些氧化物的配比和烧结工艺会影响热敏系数。例如,通过改变锰、镍、钴的比例,可以调节 NTC 热敏电阻的热敏系数,以满足不同的应用需求。
温度范围和稳定性
工作温度范围限制:热敏电阻器都有其规定的工作温度范围。超出这个范围,热敏电阻的性能可能会发生变化,甚至损坏。例如,一般的 PTC 热敏电阻工作温度范围可能在 - 50℃到 300℃之间,而一些特殊用途的高温 PTC 热敏电阻可以在高达 600℃的温度下工作。在实际应用中,如汽车发动机温度监测,需要使用能在高温环境下稳定工作的热敏电阻;而在冷藏设备中,则需要在低温范围性能良好的热敏电阻。
温度稳定性:在工作温度范围内,热敏电阻的性能(如电阻 - 温度特性)应保持稳定。然而,长时间在高温或温度变化剧烈的环境下使用,可能会导致热敏电阻的性能漂移。这主要是由于材料的老化、内部结构的变化等原因引起的。例如,在高温环境下,热敏电阻内部的化学键可能会发生断裂或重组,从而改变其热敏特性。为了保证温度测量和控制的准确性,需要考虑热敏电阻的温度稳定性,选择质量可靠、经过老化测试的产品。
二、电气特性
额定功率和过载能力
额定功率的意义:额定功率是指热敏电阻器在规定的技术条件下长期连续工作所允许消耗的最大功率。如果实际功率超过额定功率,热敏电阻可能会因为过热而损坏。例如,一个额定功率为 1W 的热敏电阻,当通过它的电流和两端的电压使得其消耗功率超过 1W 时,就会产生过多的热量,导致热敏电阻性能下降甚至烧毁。在设计电路时,必须根据热敏电阻的额定功率来合理选择工作电流和电压,以确保其正常工作。
过载能力及影响因素:热敏电阻的过载能力与它的材料、结构和散热条件有关。一般来说,体积较大的热敏电阻散热条件较好,过载能力相对较强。例如,在一些过流保护电路中,当电路中出现瞬间的大电流时,热敏电阻需要承受短时间的过载。如果热敏电阻的过载能力不足,就无法有效地保护电路。同时,不同材料制成的热敏电阻在过载后的恢复能力也不同,一些高质量的热敏电阻在过载后,当电流恢复正常时,其性能可以较快地恢复到原来的状态。
电阻精度和线性度
电阻精度的影响:电阻精度是指热敏电阻实际电阻值与标称电阻值之间的偏差程度。在精密温度测量和控制电路中,如医疗设备中的温度传感器、高精度的工业温控系统等,需要使用电阻精度高的热敏电阻。例如,在某些高精度温度测量电路中,要求热敏电阻的电阻精度在 ±1% 以内,以确保温度测量的准确性。电阻精度主要受材料纯度、制造工艺和生产设备的精度等因素影响。
线性度的重要性和特点:线性度是指热敏电阻的电阻 - 温度特性曲线与理想直线的接近程度。在一些简单的温度检测和控制电路中,如果热敏电阻的线性度较好,就可以采用简单的线性补偿方法来提高温度测量的精度。然而,大多数热敏电阻的电阻 - 温度特性是非线性的。例如,NTC 热敏电阻的电阻 - 温度曲线是指数下降的,这在实际应用中可能需要更复杂的电路(如采用微处理器进行非线性补偿)来准确测量温度。
三、环境因素
湿度影响
受潮后的性能变化:湿度对热敏电阻器的性能有显著影响。当热敏电阻暴露在高湿度环境中时,其表面可能会吸附水分,导致绝缘性能下降。对于一些封装不良的热敏电阻,水分还可能渗入内部,改变其材料的电学性能。例如,湿度可能会使热敏电阻的阻值发生漂移,在湿度变化时,其电阻 - 温度特性曲线也可能会发生变化。在一些对湿度敏感的环境(如户外气象站、潮湿的工业车间等)使用热敏电阻时,需要考虑采取防潮措施。
防潮措施及封装方式:为了减少湿度的影响,热敏电阻通常采用密封封装的方式。常见的封装材料有环氧树脂、玻璃等。这些封装材料可以有效地防止水分进入热敏电阻内部。此外,在安装热敏电阻时,也可以将其放置在干燥的环境中或者使用防潮盒进行保护。例如,在电子设备的电路板上,对于需要在潮湿环境下工作的热敏电阻,可以通过涂覆防潮漆或者使用密封胶来提高其防潮性能。
化学物质和气体的作用
化学腐蚀的危害:热敏电阻可能会受到周围化学物质和气体的腐蚀。例如,在化工生产环境中,热敏电阻可能会接触到酸性、碱性或腐蚀性的气体和液体。这些化学物质可能会与热敏电阻的材料发生化学反应,导致其性能下降。如硫化物气体可能会与热敏电阻的金属氧化物材料发生反应,改变其化学成分和电学性能。
防护方法和材料选择:为了防止化学腐蚀,在选择热敏电阻时,要考虑其材料对工作环境中化学物质的耐受性。同时,可以采用防护涂层或耐腐蚀的封装材料来保护热敏电阻。例如,在有化学腐蚀风险的环境中,可以使用聚四氟乙烯(PTFE)等耐腐蚀材料对热敏电阻进行封装,或者在热敏电阻表面涂覆一层防腐涂料。
机械应力和振动
机械应力导致的损坏:在安装和使用过程中,热敏电阻可能会受到机械应力的作用。例如,在安装时如果用力过大,可能会导致热敏电阻的引脚弯曲或内部结构损坏。此外,在一些振动环境(如汽车发动机舱、工业振动设备附近)中,长期的振动可能会使热敏电阻的焊点松动、内部元件移位或产生裂纹,从而影响其性能。
抗振措施和安装注意事项:为了减少机械应力和振动的影响,在安装热敏电阻时要注意操作规范,避免过度用力。对于在振动环境中使用的热敏电阻,可以采用减震措施,如使用橡胶垫、减震支架等。同时,选择机械强度高、封装牢固的热敏电阻也有助于提高其抗振性能。例如,在航空航天设备中使用的热敏电阻,通常会采用特殊的加固封装和减震安装方式,以确保其在恶劣的机械环境下能够正常工作。