第一部分PTC热敏电阻概述.doc

PTC Thermistors
Data Book 2006

INTRODUCTION OF PTC THERMISTORS
第一部分 PTC热敏电阻概述
1定义
PTC热敏电阻是一种当其温度达到某一特定值时，电阻急剧上升的以BaCO3为主要原料的陶瓷元件。

2特性
电流经过热敏电阻时，有可能会将热敏电阻的温度升高到环境温度以上。当热敏电阻自热不可能被忽略时，有负载和无负载的热敏电阻在性能上就会产生区别。我们称无负载条件下热敏电阻的特征为零功率特性。
2.1无负载PTC热敏电阻的相关特性
2.1.1温度－电阻特性
零功率电阻值是在某一特定温度T下测量得到的，并且测量系统所产生的功耗不引起热敏电阻值的变化。图1零功率电阻值与温度的典型关系。由于电阻值的突然剧增（以3－7个数量级），图中的电阻用其对数值表示。

图1 /Figure 1
2.1.2 额定零功率电阻值RN
额定零功率电阻值RN是在温度为TN时测得的阻值。PTC热敏电阻正是由额定零功率电阻值来确定分类的。TN一般表示的是25℃。

2.1.3 最小电阻值Rmin
当温度达到TRmin时，PTC的正温度系数特性就开始表现出来。该温度下的阻值即为Rmin。它是PTC热敏电阻可以达到的最小值。
2.1.4 开关温度TRef和对应的电阻值RRef
开关温度对热敏电阻的实际应用十分重要，它大致与铁电的居里温度点相对应，当温度达到开关温度TRef时，电阻值开始急剧跃升。我们定义使PTC热敏电阻的零功率电阻值达到两倍的Rmin时的温度为开关温度TRef。

2.1.5 温度系数α
温度系数α表示热敏电阻温度每变化1℃，其电阻值的变化率，计算公式为：

α值对于功能应用非常重要，它只取决与PTC热敏电阻个体的阻温特性曲线中电阻值开始急剧跃升的区域。

2.2加载状态下PTC热敏电阻的特性
当电流经过热敏电阻时，能量的耗散会产生或多或少的热量。这种自热效应取决于负载，材料的耗散，由此，整个热敏电阻的功耗可以由以下公式得出：

2.2.1表面温度Tsuf
Tsuf是热敏电阻在一定电压下工作一段时间后与外界温度达到热平衡时，PTC热敏电阻自身的表面温度。

2.2.2电流电压特性
电流电压特性图对PTC热敏电阻负载工作时特征的描述比阻温曲线图要准确。I/V特性图阐述的是静止气流的25℃条件下，热敏电阻在电路中应用时电流与电压的关系。见图2

图2/ Figure 2
2.2.3 不动作电流IN和动作电流IS
在PTC热敏电阻用于过流保护时，电阻值能够维持低阻状态的电流和使热敏电阻阻值跃升到高阻状态的电流是我们应该知道的。因此，我们将定义不动作电流IN和动作电流IS。
不动作电流IN：当电流值≤IN时，PTC热敏电阻能够稳定地维持在低阻值状态；
动作电流IS：当电流值≥IS时，PTC热敏电阻将进入高阻值状态。

2.2.4残余电流Ir
残余电流Ir是在PTC热敏电阻最大工作电压下工作一段时间后电路达到热平衡时的电流。

2.2.5最大不动作电流和最小动作电流
PTC热敏电阻通电时，电能转化为热能.。最大不动作电流和最小动作电流以及最大工作电压等共同决定了PTC热敏电阻在负载时回路中电流保持较大值的时间长短。

2.2.6最大工作电压Vmax，额定电压VN，和击穿电压VBD
最大工作电压Vmax是在最高允许环境温度下，PTC热敏电阻能持续承受的最大电压。
额定电压VN指热敏电阻正常工作的电压。
击穿电压是指在规定的时间和温度条件下，PTC热敏电阻能承受的最大电压，超过这个电压，热敏电阻将被击穿。

2.2.7恢复时间tS
恢复时间tS是指25℃外界温度时，PTC热敏电阻在电路通电一段时间后，从断开电源时PTC阻值降到PTC零功率电阻值两倍所用的时间。
2.2.8最大开关电压VSmax
最大开关电压VSmax是使PTC热敏电阻持续维持在高阻值状态下的最大电压值（针对通讯器材的过流保护）。

第二部分 产品应用

1.1过流保护类热敏电阻
陶瓷PTC热敏电阻被用来替代传统保险丝保护电动机、变压器等负载或电路的过流保护。它不仅能对电路不能承受的异常电流起保护作用，还可以对超过设定温度的情形起保护。热敏电阻通过增大它的阻值将电路中的电流降到设备所能承受的大小，从而消除隐患。与传统保险丝相比，热敏电阻不需要在保护作用完成后被更换，而是能够在短时间内冷却并立即继续起保护作用。 与高分子PTC热敏电阻相比较，陶瓷PTC热敏电阻在经过频繁的热冷循环后还能够恢复到其初始阻值，而高分子则不能。

1.1.1 过流状态下PTC热敏电阻
图4表述了一个PTC保险丝的两种工作状况。在额定工作条件下，PTC阻值维持在低点（工作电A1）。在超载或短路情形下，加在PTC上的能量极大，导致其升温使阻值跃升，并将负载电流减小到可承受的低点（工作点A2）,此时电压绝大部分均施加在PTC热敏电阻上，持续的大电流可以使PTC维持在高阻值状态并确保其保护作用，直到异常情况被消除。
PTC热敏电阻用于过流保护时的工作状况

a) 不动作状态
b) 动作状态
RL 负载电阻
IS 动作电流值
IR 不动做电流

图4

1.1. 2不动作电流IN的设计
不动作电流是决定PTC热敏电阻工作情况和选择PTC保险丝的一项重要参数
它主要取决于：
——PTC尺寸或面积
——PTC居里温度
——PTC零功率阻值
——PTC耗散系数
我们往往需要较高的不动作电流。通过增大热敏电阻的面积或提高其居里温度，可以使电阻获得更高的不动作电流值（如图5）。通过降低环境温度也可以使获得更高的不动作电流。制造厂家通过增大PTC电阻的表面积和减小其厚度来增强热敏电阻的散热性能。使用者可以通过增加或改善封装结构或材料来提升热敏电阻的耗散性能（如使用散热片）。
另一个影响不作电流值的因素是PTC电阻本身的阻值。为了使动作电流与不动作电流的差值最小化，PTC热敏电阻的阻值偏差范围应较小。实际中电阻值偏差允许在25％以内的范围。这样，即使不动作电流和动作电流只有较小差值的情况下，PTC电阻也可以起到保护作用。
PTC热敏电阻工作时的外界温度也对不动作电流值有影响。图6表述了这种关系，外界温度的升高可以使PTC热敏电阻在较低功耗下就达到其居里温度而发生阻值跃升，低温会导致相反的效果。

图5 图6
图6在给定PTC电阻值和不动作电流下，不动作电流与环境温度的关系，施加不等电压的效果 ( Tref1 ﹤ Tref2 ﹤ Tref3 )

1.1. 3动作时间与动作电流
PTC热敏电阻的温度系数取决于其钛酸盐材料的发热能力，大概有3Ws/cm3。过流保护装置要求的动作时间较短，通常小于5秒，假设几乎全部的电路热耗都作用于陶瓷体上（PTC表面的热耗散和导线电阻忽略不计），根据R/T特性，热敏电阻温度上升到居里温度点以上的时间，就称为动作时间。动作时间与动作电流的关系就如图7中的效果。
图7给出一些PTC热敏电阻的动作电流IS与动作时间ts的关系(在静止空气、25℃条件下测试)

图7/ Figure 7
1.1. 4选择的标准
在将PTC热敏电阻用于过流保护的电路中时，请注意以下内容：
最大工作电压
PTC热敏电阻与负载电阻串联情况下，当电路处于正常工作时，加在PTC上的电压只有电路总电压的一小部分。当PTC阻值跃升时，它几乎将承受整个回路的电压因此，热敏电阻的最大工作电压应该足够高。电压源的允许可变范围也应该被考虑在内。

不动作电流和动作电流
下一个步骤是在不同的电压条件下，寻求PTC热敏电阻的最大不动作电流。在此，有必要在最严厉的条件下进行测试，因为不动作电流和动作电流是随外界环境而变化的。对于不动作电流，需要在高温环境下测量，而对于动作电流，则需要在低温环境下测量。
最大工作电压下的最大工作电流
当考虑到PTC热敏电阻的工作环境时，必须测试当它承受最大工作电流时的能力。这项测试主要针对电路短路情形中PTC是否还可以对负载保护。在实际工作条件下，应尽量避免将最大的电流施加在PTC热敏电阻之上。但如果确实有这种危险，如频繁的短路，就可以在电路中串上多个PTC热敏电阻来消除破坏。
使用条件说明
对PTC热敏电阻进行清洗时，如果使用本资料描述的方法以外的其他方式（如：用异丙基醇），须特别小心钛酸钡陶瓷被还原导致PTC效应下降，以及由于灌注造成的导热条件的变化，都可能导致PTC热敏电阻局部过热而损坏。
1.1. 5电路结构
PTC热敏电阻能够用于多种电路保护。下面的图8是对变压器进行保护的简单线路图。

图8
应用举例

1.2 PTC热敏电阻对通讯器保护的应用
PTC热敏电阻对通讯器的保护应用是其过流保护功能的特例。电话线路的过压和过流可由直接雷击、由于电线和电话线直接搭接或两者的相互干扰等引起的浪涌而形成。
选择PTC热敏电阻用来保护通讯设备的标准与其用在过流保护的标准基本相同，另外应注意以下几点。

1.2. 1工作电流和温度
PTC热敏电阻主要用于保护开关设备与其他电力线路的连接（电力搭接）或通过其他相邻线路内短时间的衰减浪涌电流和低电压。原因很明显，通讯设备下PTC电阻的不动作电流应尽可能小，以便对超载电流迅速作出反应。
正常工作温度的情况下，不动作电流应该比动作电流稍微高一点。在此，应该考虑到外界温度对不动作电流的影响。

1.2.2持续动作——电压等级
通电时间是一项经常被忽视的问题。由于电路问题，PTC热敏电阻可能将在长时间处于高压和高阻值状态。高理PTC通讯保护类热敏电阻能达到270VAC的最大工作电压，并且可在此条件下持续工作。

1. 3消磁类热敏电阻
PTC热敏电阻通过在短时间内减小通过消磁线圈的交变电流值对彩色显示管进行消磁。突入电流和残余电流的差值大小是衡量消磁器优劣的关键因素。高理提供包封式和壳体式的用于消磁的PTC热敏电阻。壳体式又分为单片型、正付双片型和双正片并联型。正付双片型的PTC热敏电阻中，付片用于给与消磁线圈串联的正片加热（如图10）。与单片型的PTC相比，这种结构下的残余电流要减小得更多。

I
t
图9-1 MZ72型消磁回路电流随
通电时间变化的曲线
L
正片
K
图9

付
片
正片
K
图10
L

t
I
图10-1 MZ73型消磁回路电流随
通电时间变化的曲线

双正片并联型PTC热敏电阻专为纯平电视机和纯平显示器的消磁功能创造（参见图11）。这种设计可使工作功耗和生产成本同时降低。

图11

1. 4马达启动类热敏电阻
单相电动机（如：空调和电冰箱里的压缩机）在辅助线圈于启动阶段工作后就可以有效地启动。辅助线圈在此后会被切断电流。PTC启动用热敏电阻正是为此而创造。
当高电压作用在PTC热敏电阻上时，强大的电流引起PTC发热，并最终减小电流。启动阶段会产生强大的电流流经线圈，然而随着线路电阻值的跃升，流经辅助线圈的残余电流会随时间变得很小
应用举例
U
C3
K
PTC

IPM
M

DC

W
V
L
D
C1
C2

RSIR Type
Resistance-split-phase start motor
t motor

RSCR Type
Capacitor-drive
CSR Type
Capacitor-start-drive
CSIR Type
Capacitor-start motor

1.5 发热类热敏电阻
由于PTC热敏电阻的R/T特性，PTC热敏电阻被认为是一种理想的发热元件。正阻温特性使电热功耗随着环境温度的变化而调节。在外界温度大大低于其居里点温度时，散热条件良好时，热敏电阻阻值很低，相应的，其消耗的热功耗相对较大。反之，则热敏电阻消耗的功率相对较低。
正是由于本身具有的这些特性以PTC热敏电阻制成的发热装置能够象由其制成的过热保护器一样具有自动调节的性能。因此，PTC热敏电阻发热元件可用于仪表仪器和空调辅助加热电路而被牢固地封装的设备。
在PTC热敏电阻用于发热体的应用中，会被要求在无串阻条件下通过一项最大电压值测试，测试参数见图1。为了使电流尽量大，就需要尽量使PTC的电阻不发生跃升。这就需要将PTC热敏电阻的厚度制得非常薄，以便增强其散热功能。所以，PTC热敏电阻被置于散热体内以使其产生的热量能最大限度的释放到外界。这里，均匀的热量吸收对增大PTC热敏电阻的功率是非常有利的。
PTC在电路中吸收的热量全部发散的情况：
公式：

PTC热敏电阻器专业术语
阻温特性：
指的是在规定电压下，PTC热敏电阻器的零功率电阻值与电阻本体温度之间的关系。

额定零功率电阻值 (R25或Rn)：指的是在25℃条件下的零功率电阻，除非客户特别说明另一温度。
最小阻值（Rmin）：是指从常温25℃开始，温度曲线系列所对应的最小电阻值，此时Rmin所对应的温度为Tmin。
开关温度(Tc)：当阻值开始呈现阶跃性增加时的温度为开关温度，即当阻值升至2倍最小电阻值（Rmin）时所 对应的温度，也称居里温度。
最大工作电压(Vmax)：在最高允许环境温度下，PTC热敏电阻器能持续承受的最大电压。
最大电流（Imax）：指在最大工作电压下，允许通过PTC热敏电阻器的最大电流。
不动作电流(Int)：不动作电流即额定电流或保持电流，指在规定的时间和温度条件下，不导致PTC热敏电阻器呈现高阻态的最大电流。
动作电流(It)：指在规定的时间和温度条件下，使PTC热敏电阻器阻值呈阶跃型增加时的最小电流。
最大电压下的温度范围：PTC热敏电阻器在最大电压下仍能连续工作的环境温度范围。
耗散系数（δ）： PTC热敏电阻器中功率耗散的变化量与元件相应温度变化量之比，称为耗散系数(mw/℃)。δ=P/（T-Tr）
耐压值：指在规定的时间和温度条件下， PTC热敏电阻器能承受的最大电压，超过这个电压，PTC热敏电阻器 将击穿。
热时间常数（τ）：在静止的空气中，PTC热敏电阻器从自身温度变化到与环境温度之差的63.2%时所需的时间。
残余电流(Ir)：指在最大工作电压下，PTC热敏电阻器阻值跃变后，热平衡状态下的电流。
温度系数（αT）：可表示为：
所以
一般指

R1、R2所对应的温度即是T1、T2，分别比居里温度高10℃和25℃。
最小阻值时的温度（TRmin）：最小阻值Rmin出现时所对应的温度。
上限温度（UCT）：热敏电阻可继续工作时的最大环境温度。
下限温度（LCT）：热敏电阻可继续工作时的最小环境温度。
伏-安特性:
在25℃的静止空气中, 指加在热敏电阻器引出端的电压与达到热平衡的稳态条件下的电流之间的关系 (如下图)

绝缘热敏电阻:达到规定的绝缘阻值及电压验证测试的热敏电阻。
非绝缘热敏电阻:不要求绝缘电压和绝缘阻值测试的热敏电阻。
起始电流(Iin):在电路开关启动到闭合瞬间所出现的电流,即Iin。
峰值电流(Iinp-p): 起始电流(Iin)的峰-峰值。