開關電源中NTC的選取

./NTC負溫度系數(shù)熱敏電阻專業(yè)術語零功率電阻值RT〔ΩRT指在規(guī)定溫度T時,采用引起電阻值變化相對于總的測量誤差來說可以忽略不計的測量功率測得的電阻值。電阻值和溫度變化的關系式為：RT=RNexpB<1/T–1/TN>RT：在溫度T〔K時的NTC熱敏電阻阻值。

RN：在額定溫度TN〔K時的NTC熱敏電阻阻值。

T：規(guī)定溫度〔K。

B：NTC熱敏電阻的材料常數(shù),又叫熱敏指數(shù)。

exp：以自然數(shù)e為底的指數(shù)〔e=2.71828…。該關系式是經(jīng)驗公式,只在額定溫度TN或額定電阻阻值RN的有限圍才具有一定的精確度,因為材料常數(shù)B本身也是溫度T的函數(shù)。額定零功率電阻值R25〔Ω根據(jù)國標規(guī)定,額定零功率電阻值是NTC熱敏電阻在基準溫度25℃時測得的電阻值R25,這個電阻值就是NTC熱敏電阻的標稱電阻值。通常所說NTC熱敏電阻多少阻值,亦指該值。材料常數(shù)〔熱敏指數(shù)B值〔KB值被定義為：RT1：溫度T1〔K時的零功率電阻值。

RT2：溫度T2〔K時的零功率電阻值。

T1,T2：兩個被指定的溫度〔K。對于常用的NTC熱敏電阻,B值圍一般在2000K～6000K之間。零功率電阻溫度系數(shù)〔αT在規(guī)定溫度下,NTC熱敏電阻零動功率電阻值的相對變化與引起該變化的溫度變化值之比值。αT：溫度T〔K時的零功率電阻溫度系數(shù)。

RT：溫度T〔K時的零功率電阻值。

T：溫度〔T。

B：材料常數(shù)。耗散系數(shù)〔δ在規(guī)定環(huán)境溫度下,NTC熱敏電阻耗散系數(shù)是電阻中耗散的功率變化與電阻體相應的溫度變化之比值。

δ：NTC熱敏電阻耗散系數(shù),〔mW/K。

△P：NTC熱敏電阻消耗的功率〔mW。

△T：NTC熱敏電阻消耗功率△P時,電阻體相應的溫度變化〔K。熱時間常數(shù)<τ>在零功率條件下,當溫度突變時,熱敏電阻的溫度變化了始未兩個溫度差的63.2%時所需的時間,熱時間常數(shù)與NTC熱敏電阻的熱容量成正比,與其耗散系數(shù)成反比。τ：熱時間常數(shù)〔S。

C：NTC熱敏電阻的熱容量。

δ：NTC熱敏電阻的耗散系數(shù)。額定功率Pn在規(guī)定的技術條件下,熱敏電阻器長期連續(xù)工作所允許消耗的功率。在此功率下,電阻體自身溫度不超過其最高工作溫度。最高工作溫度Tmax在規(guī)定的技術條件下,熱敏電阻器能長期連續(xù)工作所允許的最高溫度。即:T0-環(huán)境溫度。測量功率Pm熱敏電阻在規(guī)定的環(huán)境溫度下,阻體受測量電流加熱引起的阻值變化相對于總的測量誤差來說可以忽略不計時所消耗的功率。

一般要求阻值變化大于0.1%,則這時的測量功率Pm為：

電阻溫度特性NTC熱敏電阻的溫度特性可用下式近似表示：式中：

RT：溫度T時零功率電阻值。

A：與熱敏電阻器材料物理特性及幾何尺寸有關的系數(shù)。

B：B值。

T：溫度〔k。

更精確的表達式為：式中：RT：熱敏電阻器在溫度T時的零功率電阻值。

T：為絕對溫度值,K；

A、B、C、D：為特定的常數(shù)。熱敏電阻的基本特性電阻－溫度特性熱敏電阻的電阻－溫度特性可近似地用式1表示。

<式1>R=Roexp{B<I/T-I/To>}R:溫度T<K>時的電阻值Ro:溫度T0<K>時的電阻值B:B值*T<K>=t<oC>+273.15

但實際上,熱敏電阻的B值并非是恒定的,其變化大小因材料構成而異,最大甚至可達5K/°C。因此在較大的溫度圍應用式1時,將與實測值之間存在一定誤差。

此處,若將式1中的B值用式2所示的作為溫度的函數(shù)計算時,則可降低與實測值之間的誤差,可認為近似相等。

<式2>BT=CT2+DT+E

上式中,C、D、E為常數(shù)。另外,因生產(chǎn)條件不同造成的B值的波動會引起常數(shù)E發(fā)生變化,但常數(shù)C、D不變。因此,在探討B(tài)值的波動量時,只需考慮常數(shù)E即可。?

常數(shù)C、D、E的計算常數(shù)C、D、E可由4點的<溫度、電阻值>數(shù)據(jù)<T0,R0>.<T1,R1>.<T2,R2>and<T3,R3>,通過式3～6計算。首先由式樣3根據(jù)T0和T1,T2,T3的電阻值求出B1,B2,B3,然后代入以下各式樣。?

電阻值計算例試根據(jù)電阻－溫度特性表,求25°C時的電阻值為5<kΩ>,B值偏差為50<K>的熱敏電阻在10°C～30°C的電阻值。?

步驟<1>根據(jù)電阻－溫度特性表,求常數(shù)C、D、E。To=25+273.15

T1=10+273.15

T2=20+273.15

T3=30+273.15<2>代入BT=CT2+DT+E+50,求BT。<3>將數(shù)值代入R=5exp{<BTI/T-I/298.15>},求R。*T:10+273.15～30+273.15?

電阻－溫度特性圖如圖1所示

電阻溫度系數(shù)所謂電阻溫度系數(shù)<α>,是指在任意溫度下溫度變化1°C<K>時的零負載電阻變化率。電阻溫度系數(shù)<α>與B值的關系,可將式1微分得到。

這里α前的負號<－>,表示當溫度上升時零負載電阻降低。散熱系數(shù)<JIS-C2570>散熱系數(shù)<δ>是指在熱平衡狀態(tài)下,熱敏電阻元件通過自身發(fā)熱使其溫度上升1°C時所需的功率。

在熱平衡狀態(tài)下,熱敏電阻的溫度T1、環(huán)境溫度T2及消耗功率P之間關系如下式所示。

產(chǎn)品目錄記載值為下列測定條件下的典型值。<1>25°C靜止空氣中。<2>軸向引腳、經(jīng)向引腳型在出廠狀態(tài)下測定。額定功率<JIS-C2570>在額定環(huán)境溫度下,可連續(xù)負載運行的功率最大值。

產(chǎn)品目錄記載值是以25°C為額定環(huán)境溫度、由下式計算出的值。

<式>額定功率=散熱系數(shù)×〔最高使用溫度－25最大運行功率最大運行功率=t×散熱系數(shù)…<3.3>

這是使用熱敏電阻進行溫度檢測或溫度補償時,自身發(fā)熱產(chǎn)生的溫度上升容許值所對應功率。<JIS中未定義。>容許溫度上升t°C時,最大運行功率可由下式計算。應環(huán)境溫度變化的熱響應時間常數(shù)<JIS-C2570>指在零負載狀態(tài)下,當熱敏電阻的環(huán)境溫度發(fā)生急劇變化時,熱敏電阻元件產(chǎn)生最初溫度與最終溫度兩者溫度差的63.2%的溫度變化所需的時間。

熱敏電阻的環(huán)境溫度從T1變?yōu)門2時,經(jīng)過時間t與熱敏電阻的溫度T之間存在以下關系。T=<T1-T2>exp<-t/τ>+T2<3.1><T2-T1>{1-exp<-t/τ>}+T1<3.2>常數(shù)τ稱熱響應時間常數(shù)。上式中,若令t=τ時,則<T-T1>/<T2-T1>=0.632。換言之,如上面的定義所述,熱敏電阻產(chǎn)生初始溫度差63.2%的溫度變化所需的時間即為熱響應時間常數(shù)。經(jīng)過時間與熱敏電阻溫度變化率的關系如下表所示。

產(chǎn)品目錄記錄值為下列測定條件下的典型值。<1>靜止空氣中環(huán)境溫度從50°C至25°C變化時,熱敏電阻的溫度變化至34.2°C所需時間。<2>軸向引腳、徑向引腳型在出廠狀態(tài)下測定。另外應注意,散熱系數(shù)、熱響應時間常數(shù)隨環(huán)境溫度、組裝條件而變化。NTC負溫度系數(shù)熱敏電阻R-T特性

B值相同,阻值不同的R-T特性曲線示意圖

相同阻值,不同B值的NTC熱敏電阻R-T特性曲線示意圖溫度測量、控制用NTC熱敏電阻器外形結構環(huán)氧封裝系列NTC熱敏電阻玻璃封裝系列NTC熱敏電阻應用電路原理圖溫度測量〔惠斯登電橋電路溫度控制應用設計電子溫度計、電子萬年歷、電子鐘溫度顯示、電子禮品；冷暖設備、加熱恒溫電器；汽車電子溫度測控電路；溫度傳感器、溫度儀表；醫(yī)療電子設備、電子盥洗設備；手機電池及充電電器。溫度補償用NTC熱敏電阻器產(chǎn)品概述許多半導體和ICs有溫度系數(shù)而且要求溫度補償,以在較大的溫度圍中達到穩(wěn)定性能的作用,由于NTC熱敏電阻器有較高的溫度系數(shù),所以廣泛應用于溫度補償。主要參數(shù)額定零功率電阻值R25<Ω>

R25允許偏差〔%

B值<25/50℃>/〔K

時間常數(shù)≤30S

耗散系數(shù)≥6mW/℃測量功率≤0.1mW

額定功率≤0.5W

使用溫度圍-55℃~+125℃降功耗曲線：應用原理及實例為了避免電子電路中在開機瞬間產(chǎn)生的浪涌電流,在電源電路中串接一個功率型NTC熱敏電阻,能有效的抑制開機時的浪涌電流,并在完成浪涌電流抑制作用后,由于通過其電流的持續(xù)作用,功率型熱敏電阻的阻值將下降的一個非常小的程度,它消耗的功率可以忽略不計,不會對正常的工作電流造成影響,所以在電源回路中使用功率型NTC熱敏電阻,是抑制開機浪涌電流保護電子設備免遭破壞的最為簡便而有效的措施。功率型NTC熱敏電阻器的選用原則

1.電阻器的最大工作電流〉實際電源回路的工作電流

2.功率型電阻器的標稱電阻值

R≥1.414*E/Im

式中

E為線路電壓

Im為浪涌電流

對于轉換電源,逆變電源,開關電源,UPS電源,Im=100倍工作電流

對于燈絲,加熱器等回路

Im=30倍工作電流

3.B值越大,殘余電阻越小,工作時溫升越小

4.一般說,時間常數(shù)與耗散系數(shù)的乘積越大,則表示電阻器的熱容量越大,電阻器抑制浪涌電流的能力也越強。功率型NTC熱敏電阻,主要應用于開關電源,UPS,大功率電子產(chǎn)品的開機防浪涌MF72功率型NTC熱敏電阻MF73大功率型NTC熱敏電阻MF74超大功率型NTC熱敏電阻變頻器儲能電容充電保護用0.1A~11A2A~32A10A~36ANTC防浪涌熱敏電阻下圖為使用MF72熱敏電阻前后浪涌電流得比較曲線圖,虛線為使用熱敏電阻前,實線為使用熱敏電阻后。隨著電子產(chǎn)品對可靠性要求的不斷提高和能源資源的日益緊縮,高可靠性和高效節(jié)能的電子產(chǎn)品將是未來電子產(chǎn)品發(fā)展的一個方向,因此在產(chǎn)品的電源設計上,必須要充分考慮其可靠性能和電源使用效率。本文首先分析電子產(chǎn)品為什么會有開機浪涌,然后以典型的電源電路為例分析如何使用熱敏電阻抑制浪涌電流,最后介紹熱敏電阻在實際應用中應如何選型。開機浪涌電流產(chǎn)生的原因圖1是典型的電子產(chǎn)品電源部分簡化電路,C1是與負載并聯(lián)的濾波電容。在開機上電的瞬間,電容電壓不能突變,因此會產(chǎn)生一個很大的充電電流。根據(jù)一階電路零狀態(tài)響應模型所建立的一階線性非齊次方程可以求出其電流初始值相當于把濾波電容短路而得到的電流值。這個電流就是我們常說的輸入浪涌電流,它是在對濾波電容進行初始充電時產(chǎn)生的,其大小取決于啟動上電時輸入電壓的幅值以及由橋式整流器和電解電容其所形成的回路的總電阻。圖1電源示意圖假設輸入電壓V1為220Vac,整個電網(wǎng)阻〔含整流橋和濾波電容Rs=1Ω,若正好在電源輸入波形達到90度相位的時候開機,那么開機瞬間浪涌電流的峰值將達到I=220×1.414/1=311<A>。這個浪涌電流雖然時間很短,但如果不加以抑制,會減短輸入電容和整流橋的壽命,還可能造成輸入電源電壓的降低,讓使用同一輸入電源的其它動力設備瞬間掉電,對臨近設備的正常工作產(chǎn)生干擾。浪涌電流的抑制浪涌電流的抑制方法有很多,一般中小功率電源中采用電阻限流的辦法抑制開機浪涌電流。圖2是一個常見的110V/220V雙輸入電源示意圖,以此為例,我們分析一下如何使用NTC熱敏電阻進行浪涌電流的抑制。圖2110/220Vac雙輸入電源示意圖

NTC熱敏電阻,即負溫度系數(shù)熱敏電阻,其特性是電阻值隨著溫度的升高而呈非線性的下降。NTC在應用上一般分為測溫熱敏電阻和功率型熱敏電阻,用于抑制浪涌的NTC熱敏電阻指的就是功率型熱敏電阻器。圖2中R1~R4為熱敏電阻浪涌抑制器通常放置的位置。對于同時兼容110Vac和220Vac輸入的雙電壓輸入產(chǎn)品,應該在R1和R2位置同時放兩個NTC熱敏電阻,這樣可使在110Vac輸入連接線連接時和220Vac輸入連接線斷開時的沖擊電流大小一致,也可單獨在R3或R4處放置一個NTC熱敏電阻。對于只有220Vac輸入的單電壓產(chǎn)品,只需在R3或R1位置放1個NTC熱敏電阻即可。其工作原理如下：在常溫下,NTC熱敏電阻具有較高的電阻值〔一般選用5Ω或10Ω,即標稱零功率電阻值。參考圖1的例子,串接10ΩNTC時,開機浪涌電流為：I=220×1.414/<1+10>=28<A>,比未使用NTC熱敏電阻時的311A降低了10倍,有效的起到了抑制浪涌電流的作用。開機后,由于NTC熱敏電阻迅速發(fā)熱、溫度升高,其電阻值會在毫秒級的時間迅速下降到一個很小的級別,一般只有零點幾歐到幾歐的大小,相對于傳統(tǒng)的固定阻值限流電阻而言,這意味著電阻上的功耗因為阻值的下降隨之降低了幾十到上百倍,因此這種設計非常適合對轉換效率和節(jié)能有較高要求的產(chǎn)品,如開關電源。斷電后,NTC熱敏電阻隨著自身的冷卻,電阻值會逐漸恢復到標稱零功率電阻值,恢復時間需要幾十秒到幾分鐘不等。下一次啟動時,又按上述過程循環(huán)。改進型電源設計上述使用NTC浪涌抑制器的電路與使用固定電阻的電路相比,已經(jīng)具備了節(jié)能的特性。對于某些特殊的產(chǎn)品,如工業(yè)產(chǎn)品,有時客戶會提出如下要求：1、如何降低NTC的故障率以提高其使用壽命？2、如何將NTC的功耗降至最低？3、如何使串聯(lián)了NTC熱敏電阻的電源電路能適應循環(huán)開關的應用條件？對于第1、2兩點,因為NTC熱敏電阻的主要作用是抑制浪涌,產(chǎn)品正常啟動后它所消耗的能量是我們不需要的,如果有一種可行的辦法能將NTC熱敏電阻從正常工作的電路中切斷,就可以滿足這種要求。對于第3點,首先分析為什么使用了NTC熱敏電阻的產(chǎn)品不能頻繁開關。從電路工作原理的分析我們可以看到,在正常工作狀態(tài)下,是有一定電流通過NTC熱敏電阻的,這個工作電流足以使NTC的表面溫度達到100℃～200℃。當產(chǎn)品關斷時,NTC熱敏電阻必須要從高溫低阻狀態(tài)完全恢復到常溫高阻狀態(tài)才能達到與上一次同等的浪涌抑制效果。這個恢復時間與NTC熱敏電阻的耗散系數(shù)和熱容有關,工程上一般以冷卻時間常數(shù)作為參考。所謂冷卻時間常數(shù),指的是在規(guī)定的介質中,NTC熱敏電阻自熱后冷卻到其溫升的63.2％所需要的時間〔單位為秒。冷卻時間常數(shù)并不是NTC熱敏電阻恢復到常態(tài)所需要的時間,但冷卻時間常數(shù)越大,所需要的恢復時間就越長,反之則越短。在上述思路的指導下,產(chǎn)生了圖3的改進型電路。產(chǎn)品上電瞬間,NTC熱敏電阻將浪涌電流抑制到一個合適的水平,之后產(chǎn)品得電正常工作,此時繼電器線圈從負載電路得電后動作,將NTC熱敏電阻從工作電路中切去。這樣,NTC熱敏電阻僅在產(chǎn)品啟動時工作,而當產(chǎn)品正常工作時是不接入電路的。這樣既延長了NTC熱敏電阻的使用壽命,又保證其有充分的冷卻時間,能適用于需要頻繁開關的應用場合。圖3帶繼電器旁路電路的電源設計示意圖

NTC熱敏電阻的選型

NTC熱敏電阻的選型要考慮以下幾個要點：最大額定電壓和濾波電容值濾波電容的大小決定了應該選用多大尺寸的NTC。對于某個尺寸的NTC熱敏電阻來說,允許接入的濾波電容的大小是有嚴格要求的,這個值也與最大額定電壓有關。在電源應用中,開機浪涌是因為電容充電產(chǎn)生的,因此通常用給定電壓值下的允許接入的電容量來評估NTC熱敏電阻承受浪涌電流的能力。對于某一個具體的NTC熱敏電阻來說,所能承受的最大能量已經(jīng)確定了,根據(jù)一階電路中電阻的能量消耗公式E=1/2×CV2可以看出,其允許的接入的電容值與額定電壓的平方成反比。簡單來說,就是輸入電壓越大,允許接入的最大電容值就越小,反之亦然。

NTC熱敏電阻產(chǎn)品的規(guī)一般定義了在220Vac下允許接入的最大電容值。假設某應用條件最大額定電壓是420Vac,濾波電容值為200μF,根據(jù)上述能量公式可以折算出在220Vac下的等效電容值應為200×4202/2202=729μF,這樣在選型時就必須選擇220Vac下允許接入電容值大于729μF的型號。產(chǎn)品允許的最大啟動電流值和長期加載在NTC熱敏電阻上的工作電流電子產(chǎn)品允許的最大啟動電流值決定了NTC熱敏電阻的阻值。假設電源額定輸入為220Vac,阻為1Ω,允許的最大啟動電流為60A,那么選取的NTC在初始狀態(tài)下的最小阻值為Rmin=<220×1.414/60>-1=4.2<Ω>。至此,滿足條件的NTC熱敏電阻一般會有一個或多個,此時再按下面的方法進行選擇。產(chǎn)品正常工作時,長期加載在NTC熱敏電阻上的電流應不大于規(guī)格書規(guī)定的電流。根據(jù)這個原則可以從阻值大于4.2Ω的多個電阻中挑選出一個適合的阻值。當然這指的是在常溫情況下。如果工作的環(huán)境溫度不是常溫,就需要按下文提到的原則來進行NTC熱敏電阻的降額設計。

NTC熱敏電阻的工作環(huán)境由于NTC熱敏電阻受環(huán)境溫度影響較大,一般在產(chǎn)品規(guī)格書中只給出常溫下〔25℃的阻值,若產(chǎn)品應用條件不是在常溫下,或因產(chǎn)品本身設計或結構的原因,導致NTC熱敏電阻周圍環(huán)境溫度不是常溫的時候,必須先計算出NTC在初始狀態(tài)下的阻值才能進行以上步驟的選擇。當環(huán)境溫度過高或過低時,必須根據(jù)廠家提供的降功耗曲線進行降額設計。將功耗曲線一般有兩種形式,如圖4所示。圖4降功耗曲線對曲線a,允許的最大持續(xù)工作電流可用以下公式表示：對曲線b,允許的最大持續(xù)工作電流可用以下公式表示：事實上,不少生產(chǎn)廠家都對自己的產(chǎn)品定義了環(huán)境溫度類別,在實際應用中,應盡量使NTC熱敏電阻工作的環(huán)境溫度不超出廠家規(guī)定的上/下限溫度。同時,應注意不要使其工作在潮濕的環(huán)境中,因為過于潮濕的環(huán)境會加速NTC熱敏電阻的老化。如何改善NTC熱敏電阻的產(chǎn)品不能頻繁開關的問題

為什么使用了NTC熱敏電阻的產(chǎn)品不能頻繁開關?下面是他們的簡要分析與改善。

簡要分析

我們可以在電路工作原理的分析中看到,有使用到NTC熱敏電阻的產(chǎn)品,在正常工作狀態(tài)下,是有一定電流通過NTC熱敏電阻的,這個工作電流足以使NTC的表面溫度達到100℃～200℃。當產(chǎn)品關斷時,NTC熱敏電阻必須要從高溫低阻狀態(tài)完全恢復到常溫高阻狀態(tài)才能達到與上一次同等的浪涌抑制效果。這個恢復時間與NTC熱敏電阻的耗散系數(shù)和熱容有關,工程上一般以冷卻時間常數(shù)作為參考。所謂冷卻時間常數(shù),指的是在規(guī)定的介質中,NTC熱敏電阻自熱后冷卻到其溫升的63.2％所需要的時間〔單位為秒。冷卻時間常數(shù)并不是NTC熱敏電阻恢復到常態(tài)所需要的時間,但冷卻時間常數(shù)越大,所需要的恢復時間就越長,反之則越短。

如何改善

在上述思路的指導下,產(chǎn)品上電瞬間,NTC熱敏電阻將浪涌電流抑制到一個合適的水平,之后產(chǎn)品得電正常工作,此時繼電器線圈從負載電路得電后動作,將NTC熱敏電阻從工作電路中切去。這樣,NTC熱敏電阻僅在產(chǎn)品啟動時工作,而當產(chǎn)品正常工作時是不接入電路的。這樣既延長了NTC熱敏電阻的使用壽命,又保證其有充分的冷卻時間,能適用于需要頻繁開關的應用場合。

通過以上分析可以看出,對于需要頻繁開關的應用場合,電路中必須增加繼電器旁路電路以保證NTC熱敏電阻能完全冷卻恢復到初始狀態(tài)下的電阻。在產(chǎn)品選型上,要根據(jù)最大額定電壓和濾波電容值選定產(chǎn)品系列,根據(jù)產(chǎn)品允許的最大啟動電流值和長時間加載在NTC熱敏電阻上的工作電流來選擇NTC熱敏電阻的阻值,同時要考慮工作環(huán)境的溫度,適當進行降額設計。結論通過以上分析可以看出,在電源設計中使用NTC熱敏電阻型浪涌抑制器,其抑制浪涌電流的能力與普通電阻相當,而在電阻上的功耗則可降低幾十到上百倍。對于需要頻繁開關的應用場合,電路中必須增加繼電器旁路電路以保證NTC熱敏電阻能完全冷卻恢復到初始狀態(tài)下的電阻。在產(chǎn)品選型上,要根據(jù)最大額定電壓和濾波電容值選定產(chǎn)品系列,根據(jù)產(chǎn)品允許的最大啟動電流值和長時間加載在NTC熱敏電阻上的工作電流來選擇NTC熱敏電阻的阻值,同時要考慮工作環(huán)境的溫度,適當進行降額設計。功率型NTC熱敏電阻的選型三要素

最大額定電壓和濾波電容值

產(chǎn)品允許的最大啟動電流值和長期加載在NTC熱敏電阻上