PTC简介及其应用

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正温度系数热敏电阻器（ positive temperature coefficient resistor ， PTC ） 是一种电阻值随温度升高而增大的敏感元件。金属的电阻率也随温度的升高而增大，但金属的电阻温度系数很小，在1-5000ppm的范围，一般不用作热敏电阻器。目前使用的热敏电阻器都是半导体热敏电阻器，它的灵敏度高，能够检测出10^-6 ℃温度的变化，电阻温度系数比金属大10-100倍以上。PTC按使用的材料可分为陶瓷（以钛酸钡系为基）PTC和高分子（高分子物质和碳粉混合制成）PTC；按阻温特性可分为开关型PTC和缓变型PTC。开关型PTC的电阻在居里温度以下时基本不变或呈负温度系数，在居里点温度附近电阻值急剧增大，电阻温度系数可达10-60%/℃；缓变型PTC的电阻温度系数在0.5-3%/℃ 。下面从性能参数，材料组成，工艺，机理和应用几个方面讲述陶瓷PTC及其应用。

一性能参数

1.    阻温特性

     在规定的电压下，PTC的零功率电阻值与电阻体温度之间的关系称为电阻-温度特性，简称阻温特性。为满足零功率的要求，测量用脉冲电源，脉冲宽度为5毫秒左右；测量在超级恒温油浴中进行。PTC的阻温特性是PTC最重要的特性，开关型（1）和缓变型（2）PTC的阻温特性如图1所示：

   

图1 PTC的阻温特性图

1．1标称阻值R_n

     在温度为25℃时，采用不致引起阻值变化超过0.1%的测量功率所测得的电阻值叫做标称电阻值。

1．2 最小电阻值R_min

     指开关型PTC的最小电阻值。

1．3 开关电阻值R_s

     开关型PTC的阻值开始发生阶跃增大时的温度称为开关温度，对应的电阻值称为开关电阻值。一般取R_s为两倍的R_min。

1．4 平衡点电阻值R_b

     平衡点电阻值R_b是指在25℃的静止空气中对PTC施加最大工作电压U_max，当电阻体达到温度平衡时的电阻值。

1．5 材料常数

     在电阻值上升的温度范围内，PTC的电阻值和温度的关系近似如下：

R_T = R_T0 exp[B_P(T-T₀)]

B_P即为PTC的材料常数，但严格地说并不为常数，随温度而有些变化。材料常数越大，灵敏度越高。B_P可用下式计算：

B_P =(lnR₂ – lnR₁)/(T₂ - T₁)

1．6 电阻温度系数

     电阻温度系数是指在规定的温度范围内，温度每变化1℃，PTC的实际阻值的变化与实际阻值的比，如下式：

α_T = dR_T/(R_T dT)

对PTC，α_T在数值上等于B_P。因α_T随温度而有所变化，所以通常要注明测量温度。一般来说，电阻率越高，α_T越大。

 

2.    电流-时间特性

电流-时间特性是指对PTC施加电压后，电流随时间而变化的特性。PTC常温下的电阻很小，所以刚施加电压时电流值很高；随着电压施加的时间延长，电阻体因发热温度上升，引起阻值的增大，使得电流减小。PTC的电流随时间按下式变化；

I = [U₀ *exp(-B_pT₀)/R₀]*exp(-U₀²B_pt/CR₀) = I₀*exp(-kt)

从上式可以看出，施加电压越高，电阻温度系数越大，常温电阻越小及热容量越低，衰减系数k越大，电流随时间的衰减越快。PTC的电流时间特性如图2所示：

3.    伏安特性

3.1 静态伏安特性

     PTC的静态伏安特性是它的另一个重要特性，它表示在25℃的静止空气中PTC在和周围媒质处于热平衡时，加在它两端的电压和通过的电流的关系。PTC的静态伏安特性如下图所示：

 

从图可以看出PTC的静态伏安特性曲线分成三段，OA段为线形段，AB段为等功率段，BC段为回升段。在OA段，由于所加电压不高，电流引起的温升不大，电压与电流近似成线性关系；AB段，电压增大导致PTC的温度越来越高，而温度升高引起电阻值的大幅增大，这使得流过PTC的电流下降，电压和电流的乘积大致为一常数；BC段，PTC进入负电阻温度系数区，电压继续增大使得电流开始回升。

3.2 零功率伏安特性

     在零功率的测量条件下，测得的PTC的电流-电压特性称为零功率伏安特性。测量时使用脉冲电源。PTC的零功率伏安特性如图4所示。

 

从上图可以看出，不同测量电压测得的电阻值不同。在某一温度下，施加的电压每变化1V，PTC电阻值的相对变化率称为电压系数，计算公式如下：

α_v = dR/(dU*R)|_T 

1.    热特性

4.1 耗散系数

     PTC在电流流过时温度将升高并向周围媒质散发热量，耗散系数H为耗散功率与温升的比值，即H = P/ΔT。它是描写PTC工作时与外界环境进行热交换的物理量，其大小与PTC的结构和所处的媒质有关。

4.2 时间常数

     PTC具有一定的热容量C，它表示温度升高1度时，PTC所吸收的能量，它是比热和质量的乘积。由于PTC具有热容量，也就存在热惰性，即温度的改变需要一定的时间。PTC的时间常数τ表示在无功率状态下，当环境温度由一个温度向另一个温度转变时，它的温度变化了两个温度差值的63%所需的时间。时间常数τ和热容量，耗散系数的关系为：τ = C/H 。在需要快速响应的场合，应选用耗散系数大，热容量小的PTC。 

二材料组成

    陶瓷PTC主要成分是钛酸钡，添加剂有居里点移动剂，施主杂质，受主杂质，溶剂杂质等。

钛酸钡陶瓷的居里温度为120℃（钛酸钡单晶的居里点为130℃）。纯净无缺陷的钛酸钡的禁带宽度为2.9eV,是一种良好的绝缘体。为了满足不同温度下的使用要求，需要通过掺杂将钛酸钡的居里点移往高温或低温。钛酸铅的居里点为490℃，用铅取代部分钡，可以将居里温度移向高温；钛酸锶的居里点为 -250℃，用锶取代部分钡，可以将居里温度移向低温；另外用锡或锆取代部分钛，也可使居里温度移向低温。移动剂的掺杂浓度越大，居里温度偏离120℃越多，半导化就越困难，电阻温度系数就越小。

为了使钛酸钡具有n型半导特性，须进行施主掺杂。施主掺杂一般用镧，铋取代铅或铌，锑，钽取代钛。当施主掺杂浓度低时，主要是电子补偿，高价阳离子多余的一个电子使Ti⁴⁺还原为Ti³⁺，而Ti³⁺对该电子的束缚力较小，该电子容易挣脱束缚而参与导电，使电导率增大；当施主掺杂浓度较大时，则有大量的钡缺位产生，转而以钡缺位补偿为主，使电导率急剧降低，或有一些三价离子取代钛，形成受主掺杂；所以施主掺杂浓度一般控制在0.1mol%内。

配料中也往往加入少量的氧化铜或氧化锰等受主杂质。这类氧化物在烧结过程中往往在晶界处偏析，形成界面受主态，有助于提高电阻温度系数，这对于开关型PTC是非常重要的。

原料中的铁，铜，锌，镁等杂质会阻碍半导化，在配料中加入一定量的SiO₂或一定配比的Al₂O₃.SiO₂.TiO₂（简称AST），可以促进半导化。在烧结过程中，SiO₂或AST与其它氧化物形成熔融的玻璃相，偏析于晶界处，同时把对半导化起毒化作用的物质吸收到晶界，从而消除或削弱这些杂质对半导化的影响。 

三工艺

陶瓷PTC的工艺流程如下；

原材料处理---球磨混合---喷雾干燥---预烧---捣碎，球磨---喷雾干燥，造粒---成型（干压，轧膜或流延）---排胶---烧成---印银，烘银---烧银---引线焊接---包封---印字---测试---包装。

一般烧成温度越高，晶粒尺寸越大，氧缺位越多，施主进入晶格位置越充分，半导化效果越好，电导率越高；但烧温过高，会导致形成的玻璃相过多，从而导致电导率下降。PTC效应主要是在冷却过程中形成的。在高温下形成的氧缺位和钡缺位等缺陷，在急冷时缺陷化学平衡的建立跟不上温度的变化，缺陷会被冻结在晶界上。氧缺位的扩散系数大，容易被解冻；钡缺位的扩散系数小，易被冻结。冷却速度慢时，钡缺位向晶粒扩散深，空间电荷层厚，电阻率高；冷却速度快时，钡缺位向晶粒扩散小，空间电荷层薄，电导率高。为了使银电极与瓷体形成良好的欧姆接触，必须在银浆中加入锌，镉，硼等强还原剂，并在较低温度下烧渗银电极。

四机理

在钛酸钡PTC的制备中，烧成是在高氧压下的空气中进行的，因而在晶粒界面优先产生钡缺位，并且通过钡缺位的扩散，逐渐向晶粒内部渗透形成一钡缺位的扩散层。在离晶粒界面一定厚度的钡扩散层里，施主全部为钡缺位所补偿，形成一电子耗尽层，为高阻的绝缘层；在晶粒内部，只有少数施主为钡缺位所补偿，属电子补偿或混合补偿情况，为一N型高导层。这样就形成了晶粒表面为高电阻层而晶粒内部为高电导层的结构，两晶粒间形成N-I-N形结构，N指N型半导体，I指绝缘体，在晶粒表面形成电子势垒，势垒高度如下式：

 Φ=q²n_S²/(2ε₀ε_effn_D)

n_D为施主浓度，n_S为表面态密度，ε_eff为晶粒的有效介电常数，q为单个施主所带的电荷，瓷体的电阻率可近似地用下式表示：

ρ_T =ρ₀ exp(Φ/kT)

Φ与ε_eff和n_S有关。当温度低于居里温度时，因存在自发极化ε_eff值很高，另外自发极化形成电畴，极化畴在晶界处的排列所形成的极化强度的垂直分量补偿了部分表面电荷（铁电补偿），这样在温度低于居里温度时，Φ很低，所以瓷体的电阻率很小。当温度接近或超过居里温度时，自发极化慢慢减少直至消失，ε_eff降低，铁电补偿程度降低直至消失，所以Φ值升高，电阻率增大。

 

五应用

PTC可用于限制冲击电流，定温加热，彩电消磁，马达启动，恒温控制，温度报警和马达过热保护等场合，原理简述如下：

1 限制冲击电流

    将PTC与要保护的电路串联，如下图5。因PTC的常温电阻很小，正常情况下对电路的影响很小。当有冲击电流时，流过PTC的电流很大使PTC发热升温，阻值增大，从而钳制冲击电流。 

2 定温加热

在一定的电压范围内，PTC的发热功率大致不变。因此若用PTC做加热器，可实现定温加热，这被广泛应用于电烙铁，电熨斗，电吹风，电子拒蚊器等。

3 彩电消磁

彩电的三色显象管受地磁或其它干扰磁场的作用，会引起电子束误上屏，使色彩发生混乱，因此使用前必须消磁。应用PTC的彩电消磁电路如下图6所示：

刚接通电源时，PTC的电阻很小，流过消磁线圈L的电流很大，同时产生一很强的交变磁场；随着大电流的持续，PTC的温度升高电阻急剧增大，电流就迅速衰减，可在约30秒的时间内，使回路的剩余电流衰减到几个毫安，消磁线圈上的磁场也由强变弱，从而自动消磁。

4 马达启动

如下图7

将PTC与马达的辅助线圈串联，刚接通电源时PTC电阻很小，可获得较大的起始电流，产生足以使马达启动的力矩；随着通过大电流时间的延长，PTC温度升高阻值增大，使电流限定在一定值。

5 恒温控制

将PTC与一加热回路的继电器的线圈串联并且把PTC放到加热器中。当温度低于控温点时，PTC的阻值很小，流过继电器的电流很大，继电器吸合加热回路闭合加热；当温度达到或超过控温点时，PTC的阻值急剧升高，流过继电器的电流很小，继电器断开停止加热。

PTC用于温度报警和马达过热保护的原理和上面讲的一样，不再重复。