Posted By Liang Bird on 4 月 15, 2019 in 教學文, 綜論 | 6 comments

在很多 maker project 中，常常會有偵測溫度需求，很多人的第一個 Arduino 專案也往往跟環境溫度測量有關。這次我們就來聊聊常見的溫度感測方式，以及它們的原理。

溫度係數

19世紀以前，其實人們就已發現有些材料的電阻會隨著溫度變化而有所不同。1833 年法拉第在研究硫化銀的特性時，發現硫化銀的電阻會隨著溫度的上升而下降。他將硫化銀製成的零件串聯在一個電路上時，發現當硫化銀被加熱時，流過電路的功率會顯著增加。

這種「隨著溫度上升電阻變小」的特性，我們稱之爲「負溫度係數」電阻，而有著這樣特性的電阻零件就稱之爲「負溫度係數熱敏電阻」。講到這，我們得先來定義一下「溫度係數」這件事。我們知道很多電子零件都有各自的特性，像是電阻、電容、電感、頻率等，而這些特性隨著溫度變化的「比例」，就稱之爲「溫度係數 k」。

（R2-R1）/R1 = k（T2-T1）

等號的左側是一個無因次的比例值，通常會表示為百分比或是 ppm，因此溫度係數的單位通常都表示爲「%/℃」或「ppm/℃」。它的意思就是「溫度每變化 1 ℃，零件的數值變化百分之多少」。

舉例來説，一個電阻在 25 ℃ 時的阻值是 10 KΩ，到了 45℃ 時變成 9 KΩ，那麽它在這段溫度變化區間的溫度係數就是：每 ℃ 負百分之零點五。

（9K - 10K）/10K/（45℃ - 25℃）= -10%/20℃ = -0.5%/℃

如果電阻的阻值變化隨溫度上升而遞增，算出來的溫度係數就會是正的，反之則是負的。對，溫度係數可以是正的也可以是負的，端看電阻的變化量與溫度的變化是同方向還是反方向。

事實上現在我們已經知道，大部分的半導體材料，由於溫度上升時載子（自由電子或電洞）的密度會提高，導電度都會增加，因此大部分的半導體材料都是負溫度係數的，而有一些陶瓷材料或是高分子聚合物材料，則有正溫度係數電阻的特性。

熱敏電阻

在一般的電路應用中，負溫度係數熱敏電阻和正溫度係數熱敏電阻都用得到，不過它們的應用場合不太一樣。

正溫度係數熱敏電阻稱之爲 PTC termistor，常常被簡稱為 PTC，其實就是「Positive Temperature Coefficient」的縮寫，這種零件的電阻會隨著溫度的上升而增加，但不是那麽線性（通常在某個溫度以下變化不大，過了某個溫度之後會開始快速攀升），如下圖所示：

PTC 電阻在某個溫度以下變化不大，過了某個溫度之後會開始快速攀升（圖片來源：Bird 提供）

這種電阻隨著溫度快速上升的特性，讓 PTC 很適合用來做保護元件。當流過 PTC 的電流過大時，因爲 PTC 本身的電阻也會有功耗，這個功耗就會使 PTC 發熱，一旦 PTC 因爲自身的發熱讓它的溫度超過臨界值，它的電阻就會開始快速上升，進而抑制流過的電流，讓流過 PTC 的電流回復到正常值。

因爲這樣的特性，PTC 熱敏電阻常常被拿來做「自復式保險絲」。一般的保險絲電流過大它就熔毀燒斷，得換個新的才能修復，而自復式保險絲顧名思義就是，它在電流過大時會將電路斷開（或是用一個很大的電阻「幾乎」將電路斷開），但在過大的電流消失之後一小段時間之後，因爲溫度回到正常的範圍，它的導電性就會恢復。

一般我們常常在 USB 集線器中看到的圓盤狀零件，就是 PTC 熱敏電阻做成的自復式保險絲：