负温度系数

负温度系数是半导体材料的特性，其电阻随着温度的升高而降低。

什么是负温度系数？

负温度系数（NegativeTemperatureCoefficient，简称NTC）在确定各种电气和电子元件的热行为中起着重要作用，例如热敏电阻、放大器和半导体。有多种类型的温度传感器可用作基本构建模块，帮助保护电子系统免受热故障的影响。

温度系数（TemperatureCoefficient，TC）是指某些材料的特性，其物理值随着其本体温度或周围环境温度的变化而变化。换句话说，当材料或元件变热（或变冷）时，其值会发生变化，因此在不同温度下并不恒定。

大多数导电材料在其正常工作温度范围内的电阻值几乎呈线性增加。然而，有一些电解质和半导体材料的电阻值会随着温度的升高而降低。也就是说，当它们变热时，电阻减小，对电流的阻碍减弱。

负温度系数热敏电阻

2.5Ω，20mmNTC热敏电阻

电阻的温度系数α（希腊字母alpha）通常用于表示材料的电阻随温度变化的程度。例如，α的正值意味着其电阻随温度升高而增加，称为“正温度系数”（PTC）。而α的负值意味着其电阻随温度升高而降低，称为“负温度系数”（NTC）。

尽管材料可以具有NTC或PTC温度系数，但它们仍然遵循欧姆定律，就像固定电阻一样，只是它们的电阻值会根据暴露的温度而变化。

除了正温度系数或负温度系数外，一些金属合金（如康铜）的α值为零，这意味着它们的值不随温度变化。虽然某些材料的物理特性可能变化非常小，但其他材料的物理值会随温度变化而发生显著变化。

电阻温度系数（TCR）的通用公式描述了材料的电阻如何随温度变化。其表达式为：

电阻温度系数公式

R(T)=R0+R0(α∆T)

或

R(T)=R0(1+α(T–T0))

其中：

-R(T)是给定温度（T）下的电阻值（单位：欧姆）

-R0是参考温度（通常为20°C）下的初始电阻值（单位：欧姆）

-α是材料在20°C时的电阻温度系数（单位：Ω/°C）

-∆T是高于20°C的温度差（单位：°C）

NTC示例1

一根铜线圈在20°C时的初始电阻为25Ω。如果将其加热到140°C，其电阻值将是多少？

铜线的温度系数定义为：α=0.00393Ω/°C（此处取0.004）

温度差为：∆T=140°C–20°C=120°C

使用上述公式，铜线圈在140°C时的电阻为：

R=25(1+0.004(140–20))=37Ω

因此，铜线圈的电阻增加了12Ω，比其原始值25Ω增加了48%。

我们可以通过以下图表显示线圈电阻的增加。

电阻随温度的变化

如果愿意，我们还可以计算铜线圈冷却到0°C时的电阻：

R=25(1+0.004(0–20))=23Ω

因此，我们可以看到，将线圈从0°C加热到140°C会导致其电阻从23Ω增加到37Ω，而其在室温下的电阻值为25°C。因此，在这个例子中，线圈具有正温度系数。

知道图表的斜率值后，我们可以计算材料在任何温度下的电阻，因为电阻温度系数（α）可以通过以下公式计算：

电阻温度系数变化

其中，电阻R1在温度T1下给出。

各种元件的温度系数在大小和符号上也可能不同。例如，元件的初始值将在20°C室温下给出，但随着周围空气温度的变化而变化，这可能会影响其操作。

通常，电子元件的温度系数以每摄氏度（°C）变化的部分每百万（ppm）表示。例如，100ppm/°C。

负温度系数热敏电阻

NTC材料最常见的应用之一是两端“NTC热敏电阻”。热敏电阻（Thermistor）是由“热”和“电阻”组合而成的词，顾名思义，它是一种对温度敏感的电阻，其电阻随着温度的升高而显著降低。也就是说，它们具有负温度系数（NTC）。

热敏电阻通常由半导体材料制成，将体温变化转化为电阻变化，广泛应用于温度传感、控制系统和保护电路中。这些小型珠状器件提供高精度和可靠的温度测量。通常，NTC热敏电阻比其他温度传感器（如RTD或热电偶）更受欢迎，因为它们成本低、响应快且对小温度变化敏感。

NTC热敏电阻符号

通常，NTC热敏电阻设计为在其室温（25°C，77°F）中心电阻的±50°C左右的指定温度范围内实现高精度。超出此范围，其精度可能会降低，或者材料的行为可能与预期不同。

此外，NTC热敏电阻的电阻特性不是线性的，但可以进行点匹配或曲线匹配。点匹配的NTC热敏电阻设计为在特定温度点具有保证的容差。例如，如果主要关注一个温度点，如0°C、25°C、100°C等。

当需要测量更宽的温度范围时，例如-50°C到150°C，可以使用曲线匹配的热敏电阻。请注意，虽然曲线匹配的热敏电阻提供了更广泛的电阻随温度变化的变化，但它们在特定温度下的电阻值将因不同NTC热敏电阻制造商而异。

热敏电阻的电阻值也可以通过流经元件的电流引起的温度变化而变化。当它们与电路或元件串联时，它们充当限流装置。

NTC热敏电阻具有高初始电阻，可以限制任何瞬态或浪涌电流变化。随着其加热，其电阻下降，控制电流流动和功率耗散。这种自热效应需要几秒钟，在此期间电流逐渐增加而不是瞬间增加。

NTC热敏电阻标记

NTC热敏电阻通常带有特定的标记，帮助识别其特性，如电阻值、容差，有时还有制造商代码。这些编码标记可能因制造商和热敏电阻的尺寸而异，但以下是一些常见的NTC热敏电阻标记识别方法。

1.电阻值标记

在特定温度（通常为25°C）下的电阻值通常以欧姆（Ω）、千欧姆（kΩ）或兆欧姆（MΩ）标记。

2.直径

直径通常与热敏电阻的型号或零件号相关联，可能印在热敏电阻体上。例如，盘式NTC热敏电阻（如NTC10D-9）的直径为9毫米，其中“10D-9”表示电阻值和与9毫米直径对应的物理尺寸。热敏电阻的直径通常与其型号或零件号相关联。

3.物理形状或引线

盘式热敏电阻和珠式热敏电阻可以具有独特的物理特性，如尺寸、形状或引线类型。虽然不是直接标记，但物理外观可以帮助识别热敏电阻的类型。

要完全识别负温度系数热敏电阻，可以使用制造商的数据表以及任何数字代码、容差值或制造商零件号来确认详细信息，如温度范围、不同温度下的确切电阻值和容差评级。

典型NTC热敏电阻标记

因此，给定的NTC热敏电阻示例是一个20毫米直径的盘式热敏电阻，其在室温下的电阻值为2.5Ω。

负温度系数热敏电阻曲线

曲线匹配的热敏电阻以其在室温（25°C）下的电阻值为特征。但与其他传感器不同，NTC热敏电阻是非线性器件，这意味着表示电阻与温度关系的图表上的点不形成直线，而是如下图所示：

非线性NTC热敏电阻曲线

显然，线的斜率及其变化程度将由热敏电阻的类型和结构决定。

将温度转换为电压

使用NTC热敏电阻将温度转换为电压通常涉及创建一个分压电路。该电路将热敏电阻的电阻变化（随温度变化）转换为相应的电压，可以通过模数转换器（ADC）或其他测量设备读取。

因为通过电阻的电流总是会在其上产生电压降，所以我们可以使用固定的外部激励电压和串联连接的NTC热敏电阻和固定值电阻来产生输出电压，如图所示。

NTC热敏电阻分压配置

随着温度的变化，NTC热敏电阻的电阻变化，从而改变固定电阻上的输出电压。

测量热敏电阻（或固定电阻，取决于测量位置）上的输出电压（VTEMP），然后可以通过微控制器（如Arduino、RaspberryPi等）的模拟输入引脚或电压表直接读取。

为了最大化电压到温度转换的灵敏度，选择一个固定电阻，其值接近热敏电阻在预期温度范围内的电阻。例如，如果热敏电阻在25°C时的电阻为10kΩ，则10kΩ的固定电阻将在该温度附近提供良好的响应。

如前所述，由于NTC热敏电阻的电阻与温度之间的关系是非线性的，因此需要某种形式的线性化电路（如运算放大器）来产生线性输出电压。

NTC示例2

一个1kΩ的NTC热敏电阻，Beta系数为3950，与一个1kΩ的固定电阻串联连接在12伏电源上，用于测量10°C到100°C的温度范围。计算在37°C温度下热敏电阻上的电压降。

热敏电阻在37°C温度下的电阻。

其中：

-R0是热敏电阻在参考温度25°C下的电阻。

-T是测量热敏电阻电阻的温度，以开尔文（K）表示。T=T(°C)+273.15

-T0是参考温度（通常为25°C时的298.15K）。

-B值（Beta系数）为3950。

因此，热敏电阻在37°C温度下的电压降为：

负温度系数总结

在本负温度系数教程中，我们已经看到材料和元件在加热或冷却时会改变其物理值。材料电阻随温度变化的速率称为材料的“温度系数”，通常用希腊字母α表示。

术语“负温度系数”（NTC）是指某些材料的特性，其电阻随温度升高而降低。在正温度系数（PTC）材料中，其电阻随温度升高而增加。

NTC材料最常见的应用之一是NTC热敏电阻。热敏电阻是一种热敏感的无源器件，通常由半导体材料制成，其电阻随温度变化非常迅速。因此，它们常见于恒温器、汽车温度传感器和家用电器中。

因此，负温度系数（NTC）的概念在日常技术和专业工业应用中起着重要作用，提供了一种可靠且经济有效的方式来监测和控制温度。了解负温度系数传感器的工作原理及其应用领域对于任何从事电子设计或热管理的人员来说都是必不可少的。