PTC热敏电阻及其改进后的应用

摘 要：热敏电阻具有灵敏度较高、工作温度范围宽、体积小、使用方便、易加工成复杂的形状、稳定性好、过载能力强等特点，所以在应用方面它不仅可以作为测量元件，还可以作为控制元件和电路补偿元件，广泛用于家用电器、电力工业、通讯、军事科学、宇航等各个领域，发展前景极其广阔。本文对PTC热敏电阻的电压-电流、电流-时间以及电阻-温度三大特性进行了分析，同时介绍了PTC热敏电阻在医疗美容呼吸PTC加热、空调PTC加热改进后的应用。

关键词：PTC热敏电阻；特性；改进应用

中图分类号：TN373 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 24-0000-02

一、前言

PTC热敏电阻具有正温度系数热敏电阻，并且是具有温度敏感的半导体电阻，随着温度的升高电阻率增大。PTC是指人们通常叫非线性PTC效应的材料，即，在一定的温度范围内的变化，材料的电阻率不变或只有很小的，当温度达到一个特定的过渡料点的温度（居里温度），材料的电阻率发生在几个或几十度突变的温度范围很窄，电阻率迅速增加103-109个数量级。

陶瓷材料通常用作高性能优良的绝缘体，陶瓷PTC热敏电阻却以钛酸钡为基，掺杂其他制造多晶陶瓷材料，具有低电阻导电性能和半。一个价更高的掺杂材料的目的为基体元素晶体实现：在钛酸钡晶格的一部分或离子通过离子更昂贵的替代，它得到了自由电子导电数。PTC热敏电阻的影响，也逐步增加阻力的原因，是材料的结构是由许多小晶粒，晶粒的界面，所谓的晶粒边界（晶界）上形成的障碍，阻碍了电子进入相邻的区域，和因此产生的高电阻。这种效果是在低的温度偏移：在晶界的高介电常数和自发的在较低的温度下极化阻碍势垒的形成和电子可以自由地流动。但这种效果在较高的温度下，介电常数和极化强度大大降低，造成的障碍和阻力大大增加，表现出较强的PTC效应。

二、PTC材料的三大特性

PTC具有的3个主要特性，即电压-电流特性、电流-时间以及电阻-温度特性。

（一）电压―电流特性（V-I特性）

电压―电流特性即伏安特性，是指在25摄氏度静止空气中，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。它展示了PTC热敏电阻在加电气负载达到热平衡的情况下，电压与电流的相互依赖关系V-T特性见图1。

PTC热敏电阻伏安特性大致可分为三个区域：本在0-Vk之间的区域称为线性区，此区域的电压和电流的关系基本符合电路欧姆定律，不产生明显的非线性变化，也称不动作区。在Vk-Vmax之间的区域称为跃变区，此时由于PTC热敏电阻的自热升温，电阻值产生跃变，电流随着电压的上升而下降，所以此区也称动作区。在VD以上的区域称为击穿区，此时电流随着电压的上升而上升，PTC热敏电阻的阻值呈指数型下降，于是电压越高，电流越大，PTC热敏电阻的温度越高，阻值越低，很快导致PTC热敏电阻的热击穿。

（二）电流-时间特性（I-T特性）

见图2，电流-时间特性是指热敏电阻器在增加电压过程中，电流变动的特性。开始加电压瞬间的电流称为起始电流，平衡时的电流称为残余电流。一定的环境温度下，给PTC热敏电阻加一个起始电流，通过PTC热敏电阻的电流降低到起始电流50%时经历的时间即动作时间。电流-时间特性是自动消磁PTC热敏电阻、延时启动PTC热敏电阻、过载保护PTC热敏电阻的重要参考特性。

（三）电阻―温度特性（R―T特性）

电阻-温度特性通常是一个电阻温度特性，是指在规定的电压下，PTC热敏电阻零功率电阻与电阻体温度相互的依赖关系。零功率电阻是指在一定温度下的热敏电阻值的测量，并在PTC热敏电阻上功率消耗很低，低到PTC热敏电阻的功耗引起的电阻变化是可以忽略不计的，零功率额定零功率电阻是指25℃率测量的电阻值的环境温度。R-T特性见图3。

三、应用

PTC发热元件在国内及世界各国广泛而大量用于工程测量与控制、电子娱乐设备、家用电器、汽车电子、通讯等领域，以及民用领域如洗衣机电子门锁、熔胶枪、卷发器等。

（一）医疗美容呼吸器型PTC加热器

1.简介。医疗美容呼吸器型PTC加热器，主要应用PTC体积小，安全，无明火，自动控温的特点，将PTC热敏电阻发热片应用到医疗器具中来，渐渐成为了人们研究开发的新方向。

传统产品PTC加热器需通过温控装置控制电热丝的温度加热液体，温控装置一旦失灵，易烧坏容器，易烫伤人体，而且对液体的蒸发量不能匀速控制。采用PTC加热，节能安全，恒定的温度又能匀速控制液体蒸发。片状集成液体型PTC加热器是由一片或多片集成的PTC陶瓷发热元件，采用聚酰胺薄膜绝缘外加片状保护壳组合而成，使之直接接触被加热液体利用热对流进行加热的PTC加热器。PTC加热组件外壳利用抛光氧化的铝型材紧压，分高、低两档加热控制（起到节能效果），铝型材密封固定在塑料锅上，液体加入塑料锅内与铝型材平整面接触，通电后PTC先用高档发热加热铝型材，通过热传递快速加热液体使之以蒸汽的方式蒸发，再转换低档加热控制液体匀速蒸发。把美容或治疗所需的药物溶入水中倒入该容器，通过其他连接通道，可以把蒸发上来的蒸汽通到脸部用于面部美容，也可以把蒸发上来的蒸汽通到鼻孔口，通过呼吸进入人体内，可以用于医学治疗，开辟了新的使用领域。

2.工作原理。图4所示是一应用PTC热敏电阻实现恒温加热的呼吸器型PTC加热电路，如果温度指数高于40℃的时候，热敏电阻PTC阻值增大晶体管T1基极电位将会升高，T1导通，T2也导通，晶闸管VS的触发极被T2短路，晶闸管VS阻断，保温加热器R7不工作。如果出现温度低于30℃的时候，PTC阻值会变小，T1、T2截止，R5、C2及R6组成移相电路，使晶闸管VS导通，保温加热器R7通电发热。这样，在热敏电阻控制中，温度将会维持在30℃-40℃左右。R5、D、WD及C1组成的电路具有降压、半波整流、稳压及滤波功能，可为T1、T2提供直流电压。R1、R2及PTC是T1的偏置电路。若调节R2，改变T1的基极电位，可实现改变保温温度。

多功能离子蒸汽吸入器，无需温控装置，匀速自动控制液体蒸发量。由于PTC发热器件是劳动密集型产品，随着人工成本的上升和企业规模的不断扩大及质量稳定性的要求不断提高，实施后为医疗美容行业提高生产效率，实现安全操作，充分满足市场对PTC发热器件的需求。

（二）空调型PTC加热元件

1.简介。利用恒温加热PTC热敏电阻恒温特性设计的加热元件，在小功率加热场合中，PTC加热元件具有恒温发热、自然寿命长的优势，热转换率高、受电源电压影响极小，传统发热元件无法胜任。因此，在传统的PTC发热元件技术基础上进行攻关，调整配方体系和受主杂质的比例，结合工艺内部的细节调整，解决相关PTC发热片的耐压问题和功率衰减等技术难题，研制开发了空调型PTC加热元件，可大大提高产品的安全性能和延长产品使用寿命。

2.改进。老产品元件通电600V保压1分钟勉强能通过，时有出现击穿现象；新产品元件通电650V保压三分钟能通过。老产品组装成组件500V连续通电5分钟能勉强通过，新产品组装成组件500V连续通电15分钟能通过；大大提高了安全性能。老产品组装成组件253V连续无风通电1000小时功率衰减在9%-14%之间，超出要求；新产品组装成组件253V连续无风通电1000小时功率衰减小于7%，大大延长了产品的使用寿命。空调型PTC加热元件已被格力、美的、海尔等知名空调企业认可，有很大的市场，由于性价比高，已大批供货，项目具有很好的经济和社会效益。

四、结束语

PTC作为一个新兴的材料和成分正在受到人们的重视，特别是开发和利用聚合物基PTC材料，将在未来的每一个领域都有着广泛代替传统的加热的方法和电路保护方式，以便在相关领域的革命性变化。随着科学研究的发展和生产技术提高，PTC特性将继续发展和成熟，其应用前景将更加广阔。

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[作者简介]严水良（1963.10-），男，浙江海宁人，海宁永力电子陶瓷有限公司，公司总经理，工程技术工程师，研究方向：PTC专业制造。