半导体热敏电阻器介绍与应用

热敏电阻利用半导体材料的阻值随温度的变化而变化的特性实现温度测量。与其他温度传感器相比，热敏电阻温度系数大，灵敏度高，响应迅速，测量线路简单，有些型号的传感器不用放大器就能输出几伏的电压，体积小，寿命长，价格便宜。由于本身阻值较大，因此可以不必考虑导线带来的误差，适于远距离的测量和控制。在需要耐湿、耐酸、耐碱、耐热冲击、耐振动的场合可靠性较高。它的缺点是非线性较严重，在电路上要进行线性补偿，互换性较差。

热敏电阻主要用于点温度、小温差温度的测量；远距离、多点测量与控制；温度补偿和电路的自动调节等。其测温范围为-50～450℃。

在现代汽车的发动机、自动变速器和空调系统中均使用热敏电阻温度传感器，用于测量发动机的水温、进气温度、自动变速器油液温度、空调系统环境温度，为发动机的燃油喷射、自动变速器的换挡、离合器锁定、油压控制以及空调系统自动调节提供数据，然后由电子控制单元对其实现控制。

图7-29 三种类型热敏电阻的典型特性

1.分类及特性

半导体热敏电阻按半导体电阻随温度变化的典型特性分为三种类型，即负电阻温度系数热敏电阻（NTC）、正电阻温度系数热敏电阻（PTC）和在某一特性温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻（CTR）。它们的特性曲线如图7-29所示。

由图7-29可见，使用CTR组成热控制开关是十分理想的。但在温度测量中，则主要采用NTC，其温度特性如下式所示：

式中 R_t、R₀——分别为T和T₀时的热敏电阻值；

B——热敏电阻的材料常数，其值主要取决于热敏电阻的材料。一般情况下，B=2000～6000K，在高温下使用时，B值将增大；

T——被测温度，单位为K。

若定义为热敏电阻的温度系数α，则由式有

为了使用方便，常取环境温度为25℃作为参考温度（即T₀=25℃），则NTC热敏电阻器的电阻-温度关系式为

可见，α随温度降低而迅速增大。如B值为4000K，当T=293.15K（20℃）时，用上式可求得α=4.7%/℃，约为铂电阻的12倍，因此，这种测温电阻灵敏度高。R₀的常用范围是几百欧到一百千欧，所以这种测温电阻的引线电阻影响小，可以忽略。体积小也是半导体热敏电阻的又一个特点。由于有这些特点，使它非常适合于测量微弱的温度变化、温差以及温度场的分布。

R_t/R₂₅关系如图7-30所示。

PTC热敏电阻既可作为温度敏感元件，又可在电子线路中起限流、保护作用。PTC突变型热敏电阻主要用作温度开关；PTC缓变型热敏电阻主要用于在较宽的温度范围内进行温度补偿或温度测量。当PTC热敏电阻用于电路自动调节时，为克服或减小其分布电容较大的缺点，应选用直流或60Hz以下的工频电源。

其特性是利用正温度热敏材料，在居里点附近结构发生相变引起电导率突变来取得的，典型特性曲线如图7-31所示。

图7-30 R_t/R_t0-T特性曲线

图7-31 PTC热敏电阻器的电阻—温度曲线

PTC热敏电阻的工作温度范围较窄，在工作区两端，电阻—温度曲线上有两个拐点：T_p1和T_p2。当温度低于T_p1时，温度灵敏度低；当温度升高到T_p1后，电阻值随温度值剧烈增高（按指数规律迅速增大）；当温度升到T_p2时，正温度系数热敏电阻器在工作温度范围内存在温度T_c，对应有较大的温度系数α_tp。

经实验证实：在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻器的电阻—温度特性可近似用下面的实验公式表示：

R_t=R_t0expB_P（T-T₀）

式中 R_t、R_t0——温度分别为T、T₀时的电阻值；

B_P——正温度系数热敏电阻器的材料常数。

若对上式取对数，则得

lnR_t=B_P（T-T₀）+lnR_t0

以lnR_t、T分别作为纵坐标和横坐标，便得到图7-32。

若对上式微分，可得PTC热敏电阻的电阻温度系数α_tp，正好等于它的材料常数B_P的值。

CTR热敏电阻主要用作温度开关。

热敏电阻一般不适用于高精度温度测量和控制，但在测温范围很小时，也可获得较好的精度。它非常适用于在家用电器、空调器、复印机、电子体温计、点温度计、表面温度计、汽车等产品中作测温控温和加热元件。

热敏电阻的形状多种多样，有圆片状、圆柱状、球状等，如图7-33所示。表7-15给出了几种常用热敏电阻的技术参数。

图7-32 lnR_t—T表示的PTC热敏电阻器电阻—温度曲线

图7-33 几种热敏电阻的外形图

表7-15 几种常用热敏电阻的技术参数

（续）

2.使用时的注意事项

在使用热敏电阻时，也要注意到自热效应问题，但是，必须特别注意的有如下两点。

（1）热敏电阻温度特性的非线性

热敏电阻随温度变化呈指数规律，也就是说，其非线性是十分严重的。当需要进行线性转换时，就应考虑其线性化处理。常用的线性化方法如下。

1）线性化网络。利用包含有热敏电阻的电阻网络（常称线性化网络）来代替单个的热敏电阻，其一般形式如图7-34所示。

图7-34 热敏电阻的线性化网络

根据R_t的实际特性和要求的网络特性R_T（t），通过计算或图解方法确定网络中的电阻R₁、R₂、R₃。目前这种方法用得较多。为了提高设计的准确度，可利用计算机进行。

2）利用电子装置中其他部件的特性进行综合修正。图7-35所示是一个温度—频率转换电路。它实际是一个三角波—方波变换器，电容C的充电特性是非线性特性。适当地选取线路中的电阻r和R，加上R_t，可以在一定的温度范围内，得到近似于线性的温度—频率转换特性。该电路T为

(www.xing528.com)

图7-35 温度—频率转换电路

3）计算修正法。在带有微处理机（或微型计算机）的测量系统中，当已知热敏电阻的实际特性和要求的理想特性时，可采用线性插值法将特性分段，并把各分段点的值存放在计算机的存储器内。计算机将根据热敏电阻器的实际输出值进行校正计算后，给出要求的输出值。

（2）热敏电阻器特性的稳定性和老化问题

早期热敏电阻器的应用曾因其特性的不稳定、分散性、缺乏互换性和老化问题而受到限制。近十几年来，随着半导体工艺水平的提高，产品性能已得到很大的改善。现在已研制出精度优于热电偶，并具有互换性的热敏电阻，而且还能制造出300℃以下可忽略老化影响的产品。但不同厂家产品质量差异还比较大，使用时仍应认真选择。

一般地说，正温度系数热敏电阻器和临界温度热敏电阻器特性的均匀性要差于负温度系数热敏电阻器。

在辐射热检测器中，人们采用薄膜式金属电阻和热敏电阻薄膜，构成热量型检测器，将辐射热转换成电阻的变化。

3.应用举例

（1）热敏电阻测温

用于测量温度的热敏电阻一般结构较简单，价格较低廉。没有外面保护层的热敏电阻只能用在干燥的环境中；密封的热敏电阻不怕湿气的侵蚀，可以用在较恶劣的环境下。由于热敏电阻的阻值较大，故其连接导线的电阻和接触电阻可以忽略，使用时采用二线制即可。

（2）热敏电阻用于温度补偿

热敏电阻可在一定的温度范围内对某些元件进行温度补偿。例如，动圈式仪表表头中的动圈由铜线绕成，温度升高，其电阻值增大，引起测量误差。为此，可在动圈回路中串入由负温度系数热敏电阻组成的电阻网络，从而抵消由于温度引起的误差。实际应用时，将负温度系数的热敏电阻与锰铜丝电阻并联后再与被补偿元件串联，如图7-36所示。

图7-36 热敏电阻对正温度系数电阻的补偿

图7-37 热敏电阻对晶体管电路进行补偿

a）基极接法 b）集电极接法 c）发射极接法

在晶体管电路中也常采用热敏电阻补偿电路，补偿由于温度引起的漂移，如图7-37中的三种接法。

（3）热敏电阻用于温度控制

热敏电阻广泛用于空调器、冰箱、热水器、节能灯等家用电器的测温、控温及国防、科技等各领域的温度控制。

1）继电保护。将负的突变型热敏电阻埋设在被测物中，并与继电器串联，给电路加上恒定的电压，当周围的温度上升到一定数值时，电路中的电流可以由十分之几毫安突变为几十毫安，使继电器动作，从而实现温度控制或过热保护。

图7-38所示为用热敏电阻对电动机进行过热保护的热继电器。将三只性能相同的突变型NTC热敏电阻分别紧靠三个绕组用万能胶固定，当电动机正常运行时温度较低，晶体管VT截止，继电器K不动作；当电动机过载、断相或一相接地时，电动机温度急剧升高，使热敏电阻阻值急剧减小，当其值降到一定值时，继电器K吸合，使电动机回路断开，实现保护作用。

2）温度上下限报警。如图7-39所示，R_t为NTC热敏电阻，采用运算放大器构成迟滞电压比较器，当温度t等于设定值时，U_ab=0，VT₁和VT₂都截止，LED₁和LED₂都不发光；当t升高时，R_t减小，U_ab＞0，VT₁导通，LED₁发光报警；当t下降时，R_t增加，U_ab＜0，VT₂导通，LED₂发光报警。

3）电子节能灯及电子镇流器预热启动。如果节能灯灯丝未经预热突然加高压启动，将导致灯丝材料严重溅射，会使灯管提前发黑报废。使用PTC热敏电阻，在启动时先预热灯丝1s左右，然后再加高压点亮灯管，能有效地防止灯管两端发黑，同时能防止晶体管等灯具线路元件受启动瞬间大电流及高反压冲击，使灯具寿命延长10倍以上。

图7-38 热继电器原理图

图7-39 温度上下限报警电路

如图7-40所示，接通电源瞬间，R_t处于常温状态，其阻值远低于C阻抗，电流通过R_t形成回路预热灯丝，经过1s左右，R_t阶跃到高阻状态，近似开路，电流通过C形成回路，导致LC谐振产生高压使灯管点亮。

图7-40 PTC热敏电阻用于节能灯及电子镇流器预热启动原理图

4）电动机过热保护装置组成电路。电动机过热保护装置组成电路原理如图7-41所示。

把三只特性相同的负温度系数热敏电阻（如RRC6型）（经过测试，阻值在20℃时为10kΩ；100℃时为1kΩ；110℃时为0.6kΩ）放置在电动机内绕组旁，紧靠绕组，每相各放置一只用万能胶固定。当电动机正常运转时，温度较低，热敏电阻阻值较高，晶体管VT截止，继电器K不动作。当电动机过载或断相，或一相通地时，电动机温度急剧上升，热敏电阻阻值急剧减小，小到一定值，使晶体管VT完全导通，继电器K动作，使触点K闭合，红灯亮，起到报警保护作用。

图7-41 电动机过热保护装置组成电路原理

热敏电阻的型号很多，表7-16列出了几种常用型号。

表7-16 常用热敏电阻

5）热电阻式流量计。采用铂热电阻测量气体或液体流量的原理电路如图7-42所示。热电阻R_t1的探头放在气体或液体通路中，而另一只热电阻R_t2的探头则放置在温度与被测介质相同，但不受介质流速影响的连通室内。

热电阻式流量计是根据介质内部热传导现象制成的。如果将温度为t_n的热电阻放入温度为t_c的介质内，设热电阻与介质相接触的面积为A，则热电阻耗散的热量Q可用下式描述：

Q=KA（t_n-t_c）

式中 K——热传导系数。

图7-42 热电阻式流量计原理电路

实验证明，K与介质的密度、黏度、平均流速等参数有关。当其他参数为定值时，K仅与介质的平均流速有关。这样就可以通过测量热电阻耗散热量Q，获得介质的平均流速或流量。

电桥在介质静止不流动时处于平衡状态，此时，电流表中无电流指示。当介质流动时，由于介质会带走热量，从而使热电阻R_t1与R_t2的散热情况出现差异，R_t1的温度下降，使电桥失去平衡，产生一个与介质流量变化相对应的电流使电流表产生读数。如果事先将电流表按平均流量标定过，则从电流表的读数便可知介质流量的大小。

6）土壤恒温控制器。在食用蔬菜栽培技术中，例如要想使蘑菇等植物茁壮成长，仅靠玻璃或农膜塑料构成的温室是不够的，还必须保持温暖的土壤。土壤恒温控制器就是为此目的而设计的。

土壤恒温控制器的原理电路如图7-43所示。由集成温度传感器IC₁（选用AD590）、运算放大器IC₂等构成比较器，其中电位器R_w用来设定控制温度。当土壤温度低于设定温度时，流过集成温度传感器AD590的电流将减小，使IC₂反相输入端电位降低，故IC₂输出端输出高电平，使VT₁、VT₂导通，负载R_L加热。随着土壤温度的升高，流过集成温度传感器AD590的电流增大，直至达到并略高于设定温度，IC₂反相输入端的电压高于同相输入端的电压。此时，IC₂输出变为低电平，VT₁、VT₂截止，停止对负载R_L的加热，基本保持土壤温度为恒定。

图7-43 土壤恒温控制器原理电路

7）CPU过热报警器。PC上的中央处理器（CPU）在夏季高温季节或自带微型风扇停转时，会出现过热现象。

设计的实际电路如图7-44所示。电路中采用一只普通的锗二极管作为温度传感器。该传感器被强力胶粘贴在CPU芯片的散热器上。锗二极管VD被反向偏置，在常温下，其阻值较大，相当于开路，VT导通，IC的4脚的复位端处于低电位，使得接成自由振荡器的555电路不起振，扬声器B不发声。当CPU芯片散热器的温度上升超过经电位器R_w调定的温度值时，VD受热，结电阻阻值减小，并小到足以使VT截止时，使IC复位端处于高电位而起振，扬声器发出报警声。调节R₂、R₃和C₁的时间常数，可改变声音的频率。

图7-44 CPU过热报警器电路