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      技術咨詢

      NTC熱敏電阻/溫度傳感器的原理介紹

      發布時間:2020-11-30 16:20:23  
      NTC熱敏電阻是一種電阻值隨溫度上升而出現急劇下降的熱敏電阻器件。利用這一性質,除了溫度傳感器以外,其還可以作為溫度保護器件用來保護電路免受過熱造成的影響。


      貼片NTC熱敏電阻的特點

      NTC熱敏電阻是一種利用電阻與溫度呈負溫度系數(NTC:Negative Temperature Coefficient)關系,并且變化率極大的半導體陶瓷的熱敏電阻器件。利用這一性質,其不僅多用作溫度傳感器,同時還作為溫度檢測以及溫度補償等溫度保護器件使用。

      溫度補償(temperature compensation)是指,針對特性隨溫度發生變動的電子元件及電子電路,對其變動情況進行補償。例如,使用晶體管或晶振的電子電路的工作情況會因溫度變化而稍稍出現不穩定情況。此時,通過將電阻值會隨溫度上升而下降的NTC熱敏電阻嵌入電路中,便可保持電路穩定工作。

      NTC熱敏電阻分為盤式、SMD、玻璃封裝二極管、樹脂封裝被膜線等形狀,而作為溫度保護器件嵌入到電路中的則是通過積層工藝制造的SMD形狀貼片NTC熱敏電阻。以下就溫度檢測與溫度補償等作為溫度保護器件使用的貼片NTC熱敏電阻應用示例進行介紹。
      ※文中及圖中的貼片NTC熱敏電阻簡稱為NTC熱敏電阻。此外,電路圖為簡化電路圖。

      圖1 智能手機/平板中NTC熱敏電阻(溫度檢測用/溫度補償用)的主要使用示例


      其基本電路是與NTC熱敏電阻以及固定電阻進行串聯的分壓電路。CPU及功率模塊等安裝在發熱部位附近的NTC熱敏電阻的電阻值會隨溫度上升而下降,因此分壓電路的輸出電壓會發生變化。該變化輸送至微控制器后將會保護電路元件免受過熱造成的影響,或進行溫度補償。

      圖2 溫度檢測/溫度補償基本電路

      應用示例:移動設備電池充電中的溫度檢測

      智能手機等移動設備的電池組中(鋰離子電池)除了+端子與-端子之外,還有另外一個端子。那就是擁有T端子等名稱的溫度監測用端子,其內部搭載有NTC熱敏電阻。在電池溫度上升時,NTC熱敏電阻溫度也會隨之上升,從而電阻值會下降,當超過上限充電溫度時,充電控制IC將會停止充電。下圖為基本電路示例。電池組內的保護IC會測量電池電壓,從而防止過充電或過放電。
      在快速充電等要求充電控制更為精準的情況時,將會使NTC熱敏電阻與充電控制IC進行連接,從而用于測量環境溫度。

      圖3 移動設備電池充電中的溫度檢測


      應用示例:微控制器的溫度檢測

      由于智能手機等微控制器需要確保工作可靠性,因此需要保護其免受過熱所帶來的影響。下圖為組合了NTC熱敏電阻與固定電阻的微控制器溫度保護電路示例。NTC熱敏電阻由固定電阻RS與分壓電路構成。若流過過度的電路,NTC熱敏電阻溫度將會上升,電阻值將會下降,從而將抑制微控制器的驅動電壓。使用的電路元件為小型SMD貼片式的NTC熱敏電阻以及電阻器,因此直接貼裝于電路基板或發熱部上即可起到有效的溫度保護作用。

      圖4 微控制器的溫度檢測

      應用示例:LED照明系統的溫度檢測

      LED照明系統擁有耗電量低、壽命長等特點,但根據不同的使用方法,其會出現壽命縮短、發光效率降低等情況。
      LED器件中作為發光層的半導體PN接合面會發熱。該溫度稱為接合溫度。流過LED的電流變大時亮度將會提高,發熱量也會隨之增加,從而接合溫度將會變高,壽命將會縮短。此外,若接合溫度過低時,發光效率將會下降,從而亮度將會降低。為此,為了發揮LED的最大效率,需要以最佳溫度進行工作。
      通過將NTC熱敏電阻嵌入電路,并與LED進行熱耦合后,便可作為簡易溫度保護電路進行工作。若與最佳工作溫度存在偏差,則會以NTC熱敏電阻的電阻變化形式表現出來,此時將會對流過LED的電流進行補償。最終將會在降低LED電力損耗的同時實現長壽命化。

      圖5 LED照明系統的溫度檢測

      應用示例:HDD的溫度檢測

      用于電腦存儲裝置等的HDD是對于溫度極為敏感的裝置,當溫度過高時出現錯誤或故障的可能性也會提高。為此,其會通過溫度傳感器對溫度進行檢測,當超過規定溫度時,將會通過風扇進行送風冷卻。雖然使用NTC熱敏電阻與固定電阻的溫度檢測電路精度不及溫度傳感器IC,但優勢在于成本極低。下圖為替換溫度傳感器IC后的示例。

      圖6 HDD的溫度檢測

      應用示例:HDD磁頭寫入時的溫度檢測

      將數據寫入HDD時,是通過記錄磁頭產生的磁力,將其以磁性方式記錄在盤片(磁盤)磁性膜上。寫入過度時磁頭會發熱,從而會對磁頭器件造成不良影響。為此,需要使用下圖所示NTC熱敏電阻,通過溫度檢測電路控制流過磁頭的電流。

      圖7 HDD磁頭寫入時的溫度檢測

      應用示例:熱敏打印機的溫度檢測

      POS收銀臺的收據打印機、條形碼/標簽打印機等使用有用于打印熱敏紙的熱敏打印機。熱敏打印機磁頭溫度與打印濃度呈相關關系,溫度越高,濃度則越高,溫度越低,濃度則越低。其根據檢測的熱敏磁頭溫度,通過改變輸送至熱敏磁頭脈沖電流,并控制電壓,從而使其保持一定的打印濃度。使用NTC熱敏電阻的溫度檢測電路方框圖示例如下圖所示。

      圖8 熱敏打印機的溫度檢測

      應用示例:LCD(液晶顯示器)的溫度補償

      用于智能手機、平板等設備中的LCD(液晶顯示器)液晶物質存在溫度依賴性,其對比度會因環境溫度而產生變化。因此需要根據環境溫度調整驅動電壓。下圖為組合了NTC熱敏電阻與固定電阻的代表性溫度補償電路示例。

      圖9 LCD(液晶顯示器)的溫度補償

      應用示例:晶體振蕩器的溫度補償

      在電腦等電子設備中,若要產生基準頻率(時鐘基準信號),則需要使用利用晶振的晶體振蕩器。晶振溫度特性如下圖圖片曲線(紅線:無溫度補償)所示,呈現以基準溫度(通常為25℃)為拐點的3次曲線,振動頻率偏差(縱軸)隨溫度發生大幅變化。而通過在低溫范圍與高溫范圍分別插入與晶振溫度特性相反的補償電路便可縮小振動頻率偏差(藍線:有溫度補償)。該補償電路為模擬方式,低溫范圍與高溫范圍的補償電路分別由NTC熱敏電阻與電容器、電阻構成。內置溫度補償電路的晶體振蕩器稱為TCXO(溫度補償型晶體振蕩器、Temperature Compensated Xtal Oscillator)。

      圖10 晶體振蕩器的溫度補償

      用示例:半導體壓力傳感器的溫度補償

      家電設備、FA設備、車載設備等多使用通過MEMS(微機電系統)技術制造的壓電電阻型半導體壓力傳感器。該傳感器是對硅基板進行蝕刻加工,制作中空薄型壓敏膜片,在通過壓力產生應力的部分形成4個作為傳感器器件的壓電電阻部分(應變儀),并將其連接成為電橋狀。當膜片因氣壓或水壓等受到應力作用時,傳感器器件上將會出現電阻差,此時從電橋電路兩端將其作為電氣信號取出。
      壓電電阻型半導體壓力傳感器擁有小型、高靈敏度等特點,但傳感器器件壓力靈敏度會因溫度而產生變化,因此需要補償電路。下圖為組合了NTC熱敏電阻與固定電阻的補償電路示例。利用熱敏電阻電阻值隨溫度發生變化的特性,通過改變施加于半導體壓力傳感器上的電壓實現溫度補償。除此以外還設計有其他各種補償電路。

      圖11 半導體壓力傳感器的溫度補償


      應用示例:半導體熱保護

      半導體在工作過程中需要進行保護,以過高溫度對其產生影響。NTC熱敏電阻配置于功率模塊內部基板上,以便于對安裝有模塊的散熱板溫度進行監測(圖)。NTC熱敏電阻端子連接在控制器的比較器上。NTC熱敏電阻電阻低于設置值時,控制器會減少所有半導體的電力,從而降低封裝件內的溫度。
      尤其在功率模塊中使用寬帶隙半導體(GaN或SiC)時,其工作溫度比標準硅更高,因此有時需要變更構件的貼裝方法。在標準硅的情況下,可適用焊錫及粘合劑。但在最近,由于需要在更高的溫度下工作,因此,在燒結過程中需要將構件安裝至DCB上(直接鍵合銅),或為了進行相互連接的貼裝工作而需要使用金、銀或鋁絲進行鍵合連接。

      圖12 貼裝于功率模塊內部基板的SMD NTC熱敏電阻



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