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【Maker電子學】淺談負溫度係數熱敏電阻的原理與應用

   
作者:Bird

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:

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Liang Bird

Author: Liang Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。

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6 Comments

  1. 是否可以提供Excel的公式算法,謝謝

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    • Liang Bird

      Excel 的公式就是文中的 RT = R0 * e ^ (B(1/T – 1/T0),自然對數底 e 的 n 次方可用 Excel 的 EXP() 函數

      Post a Reply
  2. 您好,感謝您的文章,不過以下部份似乎有誤…麻煩您協助看看囉,感謝

    而當溫度上升到 80℃ 時,R1 的電阻剩下 34.6 Ω,因此 VOUT 上的分壓變成:

    VOUT = 3.3*(34.6 /(34.6 + 220))= 0.135 V ==> 分壓應該是0.45V

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    • Liang Bird

      謝謝您的指正,您是正確的,我已修正內文的算式。
      (好感動,有這麼認真的讀者T_T)

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  3. 謝謝你,這篇文章非常詳細也淺顯易懂,感謝您無私的教學

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