搞硬件,不懂PTC热敏电阻?那怎么行?
菜鸟EE的笔记 2024-12-04

PTC(正温度系数热敏电阻)结构与NTC类似。但是,从导电机理上看,两者存在较大差异。PTC主要有两大类型,一类是陶瓷型PTC。这种PTC是BaTiO3为主体,掺杂微量的Nb、Ta、Bi、Sb烧结而成的半导体材料,其导电机理采用海旺模型进行解释。该理论认为,PTC效应是由于陶瓷晶界受主类型的缺陷及杂质易在晶界富集,捕获电子后,在晶界处形成肖特基势垒,其势垒高度与介电系数成反比。在居里温度以下时,BaTiO3的自发极化使介电系数保持在较高水平,因此电阻率比较低;居里温度以上,介电系数降低,势垒高度迅速增加,从而导致电阻迅速增大。另一类是以高分子聚合物为基体,加入石墨等导电填料制成的聚合物PTC,解释其PTC现象常用热膨胀理论,正常情况下,PTC呈低阻状态,大电流通过时,产生的热量使聚合物迅速膨胀,导电通路被切断,从而使电阻迅速上升。

关键参数与器件选型
零功率阻值:环境温度为25℃时,以不引起PTC阻值变化的功率所测得的电阻值;
最大电压、电流:表示在工作温度范围内可以对PTC热敏电阻持续施加的电压电流的最大值;
跳闸电流:在限定的条件环境下,使PTC热敏电阻在限定的时间内动作的最小稳态电流;
保持电流:PTC热敏电阻保持不动作情况下,可以通过的最大电流;
居里温度:两倍于25°C下PTC阻值所对应的温度;
动作时间:引起PTC动作电流降至1/2所需的时间;
电阻温度特性:描述PTC阻值温度关系的曲线,PTC陶瓷材料在低温下会呈现NTC(负温度系数热敏电阻)特性,随后再表现为PTC特性,特别是在达到居里温度后,其阻值会随温度的升高而显著增加。村田的文档中还提到PTC存在一个TN点,在TN点之后若继续升高温度,PTC电阻也将失去其正温度热敏特性,需要避免。

伏安特性:在PTC动作前电流随电压上升而上升,动作后,由于阻值的增加,电流也会下降,呈现一个恒功率的特性。

根据PTC的特性,其可应用于电器如暖风机等的加热电路中,也可用于温度补偿,利用其温度特性抑制晶体管的温漂,还可以用于电机启动,抑制电机启动时的大电流。可以发现,NTC和PTC都可用于缓启电路,那么二者有什么不同呢?NTC利用的是其初始阶段的高阻值对启动电流进行限制,一般用于开关电源的启动电路中,正常工作时,其阻值比较低,额外的功耗比较少,但在电机起动的场景下,起动电流比较大,持续时间比较长,在实际应用中,电机还可能存在频繁的正反转切换。在此场景下,若使用NTC,则维持高阻值的时间有限,且频繁启动时NTC来不及降温,阻值比较低,无法在反复启动的情况下限制起动电流,而PTC则可以适应这种转换。但是在正常工作时需增加继电器将PTC进行短路。
PTC工作时的阻值很大,因此会承受大部分的压降,选用时需要考虑最大工作电压不低于电源电压,并考虑裕量。为了得到可靠的开关性能,跳闸电流最好不低于保持电流的两倍。由于环境温度对跳闸电流和保持电流的影响比较大,因此,要把最恶劣的情况考虑进去,对保持电流来说,应考虑高温场景下的电流值;对于保持电流来说,则应选用低温场景下的电流值。

制程工艺
在原料的制备时,可在原料中可以加入适当的金属单质,金属单质在晶界处会形成导电通路,降低PTC的零功率电阻。在粉料制备时,为调节温度系数,也会掺杂受主元素,如MnNO3等。另外,各文献中对PTC电极材料及制备工艺的描述也更加多样,相较于NTC一般使用丝网印刷印制银电极,  PTC电极材料的选择 及印制的工艺更加多样,常见的用于PTC电极的材料有铝、银、In-Ga合金等,制备工艺有丝网印刷、化学镀等。在NTC热敏电阻一文中已经阐述了电极制备需要考虑的因素,从形成良好的欧姆接触的角度考虑:上述几种金属材料均有较高的功函数。功函数代表金属或半导体电子对原子核的束缚能力,功函数越高,电子逃逸的阻力越大,一般将电子的费米能级(热力学平衡时电子有50%概率占据的最高能级)做为判断相互接触的两种固体电子得失难易程度的依据,且固体在接触时,两者的总体费米能级最终将趋于一致,而功函数越高的物质,其费米能级越小。因此在金属与半导体接触时,半导体的功函数较低,只会失去电子,以N型半导体为例,其主要载流子为电子,若失去电子,则会在接触界面形成类似PN结的一个耗尽区,在耗尽区形成一个半导体指向金属的内电场,形成电子势垒,表现出整流特性,因此其电阻较高;反之,如金属功函数低,则金属失去电子,N型半导体获得大量载流子,形成电子势阱,电阻率大大降低,形成欧姆接触。对P型半导体而言,其 多数载流子为空穴,若金属功函数较高,则半导体失去电子,会形成空穴势阱,金半之间形成欧姆接触,反之,则形成肖特基接触。因此,铝、银、In-Ga合金与N型半导体制成的PTC陶瓷均可形成良好的欧姆接触。其余制备工艺与NTC类似,不再重复。

失效模式
PTC的主要失效模式主要有因PTC陶瓷体内部自发极化分布不均,加电后产生热应力导致的瓷体分层,应力异常升高导致的瓷体碎裂,过压或过流导致的电阻击穿等。关于高强度耐压、过流保护用PTC热变阻器的研究。


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