PTC熱敏電阻及其改進后的應用

摘 要：熱敏電阻具有靈敏度較高、工作溫度范圍寬、體積小、使用方便、易加工成復雜的形狀、穩定性好、過載能力強等特點，所以在應用方面它不僅可以作為測量元件，還可以作為控制元件和電路補償元件，廣泛用于家用電器、電力工業、通訊、軍事科學、宇航等各個領域，發展前景極其廣闊。本文對PTC熱敏電阻的電壓-電流、電流-時間以及電阻-溫度三大特性進行了分析，同時介紹了PTC熱敏電阻在醫療美容呼吸PTC加熱、空調PTC加熱改進后的應用。

關鍵詞：PTC熱敏電阻；特性；改進應用

中圖分類號：TN373 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2013） 24-0000-02

一、前言

PTC熱敏電阻具有正溫度系數熱敏電阻，并且是具有溫度敏感的半導體電阻，隨著溫度的升高電阻率增大。PTC是指人們通常叫非線性PTC效應的材料，即，在一定的溫度范圍內的變化，材料的電阻率不變或只有很小的，當溫度達到一個特定的過渡料點的溫度（居里溫度），材料的電阻率發生在幾個或幾十度突變的溫度范圍很窄，電阻率迅速增加103-109個數量級。

陶瓷材料通常用作高性能優良的絕緣體，陶瓷PTC熱敏電阻卻以鈦酸鋇為基，摻雜其他制造多晶陶瓷材料，具有低電阻導電性能和半。一個價更高的摻雜材料的目的為基體元素晶體實現：在鈦酸鋇晶格的一部分或離子通過離子更昂貴的替代，它得到了自由電子導電數。PTC熱敏電阻的影響，也逐步增加阻力的原因，是材料的結構是由許多小晶粒，晶粒的界面，所謂的晶粒邊界（晶界）上形成的障礙，阻礙了電子進入相鄰的區域，和因此產生的高電阻。這種效果是在低的溫度偏移：在晶界的高介電常數和自發的在較低的溫度下極化阻礙勢壘的形成和電子可以自由地流動。但這種效果在較高的溫度下，介電常數和極化強度大大降低，造成的障礙和阻力大大增加，表現出較強的PTC效應。

二、PTC材料的三大特性

PTC具有的3個主要特性，即電壓-電流特性、電流-時間以及電阻-溫度特性。

（一）電壓—電流特性（V-I特性）

電壓—電流特性即伏安特性，是指在25攝氏度靜止空氣中，加在熱敏電阻器引出端的電壓與達到熱平衡的穩態條件下的電流之間的關系。它展示了PTC熱敏電阻在加電氣負載達到熱平衡的情況下，電壓與電流的相互依賴關系V-T特性見圖1。

PTC熱敏電阻伏安特性大致可分為三個區域：本在0-Vk之間的區域稱為線性區，此區域的電壓和電流的關系基本符合電路歐姆定律，不產生明顯的非線性變化，也稱不動作區。在Vk-Vmax之間的區域稱為躍變區，此時由于PTC熱敏電阻的自熱升溫，電阻值產生躍變，電流隨著電壓的上升而下降，所以此區也稱動作區。在VD以上的區域稱為擊穿區，此時電流隨著電壓的上升而上升，PTC熱敏電阻的阻值呈指數型下降，于是電壓越高，電流越大，PTC熱敏電阻的溫度越高，阻值越低，很快導致PTC熱敏電阻的熱擊穿。

（二）電流-時間特性（I-T特性）

見圖2，電流-時間特性是指熱敏電阻器在增加電壓過程中，電流變動的特性。開始加電壓瞬間的電流稱為起始電流，平衡時的電流稱為殘余電流。一定的環境溫度下，給PTC熱敏電阻加一個起始電流，通過PTC熱敏電阻的電流降低到起始電流50%時經歷的時間即動作時間。電流-時間特性是自動消磁PTC熱敏電阻、延時啟動PTC熱敏電阻、過載保護PTC熱敏電阻的重要參考特性。

（三）電阻—溫度特性（R—T特性）

電阻-溫度特性通常是一個電阻溫度特性，是指在規定的電壓下，PTC熱敏電阻零功率電阻與電阻體溫度相互的依賴關系。零功率電阻是指在一定溫度下的熱敏電阻值的測量，并在PTC熱敏電阻上功率消耗很低，低到PTC熱敏電阻的功耗引起的電阻變化是可以忽略不計的，零功率額定零功率電阻是指25℃率測量的電阻值的環境溫度。R-T特性見圖3。

三、應用

PTC發熱元件在國內及世界各國廣泛而大量用于工程測量與控制、電子娛樂設備、家用電器、汽車電子、通訊等領域，以及民用領域如洗衣機電子門鎖、熔膠槍、卷發器等。

（一）醫療美容呼吸器型PTC加熱器

1.簡介。醫療美容呼吸器型PTC加熱器，主要應用PTC體積小，安全，無明火，自動控溫的特點，將PTC熱敏電阻發熱片應用到醫療器具中來，漸漸成為了人們研究開發的新方向。

傳統產品PTC加熱器需通過溫控裝置控制電熱絲的溫度加熱液體，溫控裝置一旦失靈，易燒壞容器，易燙傷人體，而且對液體的蒸發量不能勻速控制。采用PTC加熱，節能安全，恒定的溫度又能勻速控制液體蒸發。片狀集成液體型PTC加熱器是由一片或多片集成的PTC陶瓷發熱元件，采用聚酰胺薄膜絕緣外加片狀保護殼組合而成，使之直接接觸被加熱液體利用熱對流進行加熱的PTC加熱器。PTC加熱組件外殼利用拋光氧化的鋁型材緊壓，分高、低兩檔加熱控制（起到節能效果），鋁型材密封固定在塑料鍋上，液體加入塑料鍋內與鋁型材平整面接觸，通電后PTC先用高檔發熱加熱鋁型材，通過熱傳遞快速加熱液體使之以蒸汽的方式蒸發，再轉換低檔加熱控制液體勻速蒸發。把美容或治療所需的藥物溶入水中倒入該容器，通過其他連接通道，可以把蒸發上來的蒸汽通到臉部用于面部美容，也可以把蒸發上來的蒸汽通到鼻孔口，通過呼吸進入人體內，可以用于醫學治療，開辟了新的使用領域。

2.工作原理。圖4所示是一應用PTC熱敏電阻實現恒溫加熱的呼吸器型PTC加熱電路，如果溫度指數高于40℃的時候，熱敏電阻PTC阻值增大晶體管T1基極電位將會升高，T1導通，T2也導通，晶閘管VS的觸發極被T2短路，晶閘管VS阻斷，保溫加熱器R7不工作。如果出現溫度低于30℃的時候，PTC阻值會變小，T1、T2截止，R5、C2及R6組成移相電路，使晶閘管VS導通，保溫加熱器R7通電發熱。這樣，在熱敏電阻控制中，溫度將會維持在30℃-40℃左右。R5、D、WD及C1組成的電路具有降壓、半波整流、穩壓及濾波功能，可為T1、T2提供直流電壓。R1、R2及PTC是T1的偏置電路。若調節R2，改變T1的基極電位，可實現改變保溫溫度。

多功能離子蒸汽吸入器，無需溫控裝置，勻速自動控制液體蒸發量。由于PTC發熱器件是勞動密集型產品，隨著人工成本的上升和企業規模的不斷擴大及質量穩定性的要求不斷提高，實施后為醫療美容行業提高生產效率，實現安全操作，充分滿足市場對PTC發熱器件的需求。

（二）空調型PTC加熱元件

1.簡介。利用恒溫加熱PTC熱敏電阻恒溫特性設計的加熱元件，在小功率加熱場合中，PTC加熱元件具有恒溫發熱、自然壽命長的優勢，熱轉換率高、受電源電壓影響極小，傳統發熱元件無法勝任。因此，在傳統的PTC發熱元件技術基礎上進行攻關，調整配方體系和受主雜質的比例，結合工藝內部的細節調整，解決相關PTC發熱片的耐壓問題和功率衰減等技術難題，研制開發了空調型PTC加熱元件，可大大提高產品的安全性能和延長產品使用壽命。

2.改進。老產品元件通電600V保壓1分鐘勉強能通過，時有出現擊穿現象；新產品元件通電650V保壓三分鐘能通過。老產品組裝成組件500V連續通電5分鐘能勉強通過，新產品組裝成組件500V連續通電15分鐘能通過；大大提高了安全性能。老產品組裝成組件253V連續無風通電1000小時功率衰減在9%-14%之間，超出要求；新產品組裝成組件253V連續無風通電1000小時功率衰減小于7%，大大延長了產品的使用壽命。空調型PTC加熱元件已被格力、美的、海爾等知名空調企業認可，有很大的市場，由于性價比高，已大批供貨，項目具有很好的經濟和社會效益。

四、結束語

PTC作為一個新興的材料和成分正在受到人們的重視，特別是開發和利用聚合物基PTC材料，將在未來的每一個領域都有著廣泛代替傳統的加熱的方法和電路保護方式，以便在相關領域的革命性變化。隨著科學研究的發展和生產技術提高，PTC特性將繼續發展和成熟，其應用前景將更加廣闊。

參考文獻：

[1]呂國泰，吳項.電子技術[M].北京：高等教育出版社，2001（05）.

[2]宋寶榮，唱潤忠.\"PTC\"在家用電器中的應用[J].電工技術，1994（01）：45-46.

[3]席軍，劉廷華.PTC熱敏電阻的開發應用現狀[J].塑料，2005（04）.

[4]李加升，卜燕萍，曾靜.PTC熱敏電阻及其應用研究[J].湖南農機，2007（05）：13-15.

[作者簡介]嚴水良（1963.10-），男，浙江海寧人，海寧永力電子陶瓷有限公司，公司總經理，工程技術工程師，研究方向：PTC專業制造。