第19卷第6期 Vol. 19 No. 6 2000年6月 COLLEGE PHYSICS 新型PTC热敏电阻的特性测量及其应用 王盛②,杭志宏,陆申龙 (复旦大学物理系,上海20043) 摘要:简述了新型有机材料PI℃热敏电阻的特性测量方法、实验结果及应用前景,并与陶瓷P℃热敏电阻进 行了比较 关键词:P℃热敏电阻;转变点温度;过流保护 中图分类号O482.2文献标识码B 文章编号:10-0712(200060031-03 围内,这些材料的电阻率随温度上升大致成线性PIC 1前言 效应( linear pIc effect).有机PIC材料或陶瓷PIC材料 P( positive temperature coefficient热敏电阻材料正则具有非线性PC效应由于有机PC热敏材料在转 随着在国民经济各领域的广泛应用而倍受重视目前变点温度处发生相变,从而材料的电阻率在超过此温 已普遍使用的PC材料有陶瓷PC热敏电阻和有机材度的极小温度范围内急剧上升其变化呈指数形式上 料PC热敏电阻两种,其中有机高分子PIC热敏电阻升,PC热敏电阻的电阻·温度经验公式为 材料以其质软、常温电阻率比陶瓷PI℃热敏电阻较低 R(=R(T)e“xo 等优点,现已成为PI℃材料开发研制的热点 其中a>0,称电阻·温度系数,0是转变点热力学温 目前,世界上仅有美、日、中国等少数国家掌握了度,R(是热力学温度为T时的电阻,R(7)是热力 定的有机PIC材料技术,并开发了相应的产品.其中学温度为T6时的电阻 著名的有美 Raychem公司的 Rblyswitch device,被称为有机高分子PC热敏材料的上述特性,是由它的 “可重复使用的保险丝”( resettable fus).该类产品是符组成材料成分和结构决定的.有机PIC热敏材料以聚 合IEE13%4标准的解决过流保护的理想器件.而我乙烯、聚丙烯等聚合物作为有机分散剂,并掺入一定量 国的有机高分子PC热敏电阻的研制和开发也达到了的炭黑、金属粉末或金属氧化物等导电材料复合而成 相当的水平国产PUC热敏电阻在电话通讯总配线架在室温下,材料的结构基本上由许许多多微晶组成,导 及程控交换器等诸多产品中得到了广泛的应用 电的微粒被分散在各个微晶之间的不定形区域内.当 为了进一步了解这两类PC热敏电阻的物理特导电微粒达到一定比例后会彼此接触,形成一定的立 性,笔者分别对有机高分子PC材料和陶瓷PC材料体网络状的导电链随着材料被逐渐加热到熔点,结晶 的电阻·温度特性进行了测量和曲线拟合得到这两的区域开始熔解,成为不定形的,从而原有的导电结构 种材料的经验公式,并对两者在应用方面的情况作了被破坏,材料的电阻率急剧上升由于熔融只发生在 一些比较 个相对较窄的温度范围内,所以材料的非线性PIC效 2原理 应就体现在这段温度范围内.在转变点温度以下,材料 电阻率很小,并随温度上升电阻率很缓慢的增加 PIC热敏电阻的重要特性是当温度上升时,它的 陶瓷PIC热敏材料同样也有非线性PIC效应,但 电阻值也随之上升,即简称PC效应.大多数有类似金在转变点温度下,有不可避免的NIC效应( negative ten 属导电性质的材料都具有PC效应,即在一定温度范 perature coefficient.所以,陶瓷PC热敏电阻的转变点 ①收稿日期:1999-06-22 ②作者简介:王盛(1978-),男,浙江绍兴人,复旦大学物理系97级理科基地班学生 2 o1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd. All rights reserved
第 19 卷第 6 期 大 学 物 理 Vol. 19 No. 6 2 0 0 0年 6 月 COLLEGE PHYSICS June. 2000 新型 PTC 热敏电阻的特性测量及其应用① 王 盛 ② ,杭志宏 ,陆申龙 (复旦大学 物理系 ,上海 200433) 摘要 :简述了新型有机材料 PTC热敏电阻的特性、测量方法、实验结果及应用前景 ,并与陶瓷 PTC 热敏电阻进 行了比较. 关键词 :PTC热敏电阻 ;转变点温度 ;过流保护 中图分类号 :O 482. 2 文献标识码 :B 文章编号 :100020712 (2000) 0620031203 1 前言 PTC(positive temperature coefficient) 热敏电阻材料正 随着在国民经济各领域的广泛应用而倍受重视. 目前 已普遍使用的 PTC材料有陶瓷 PTC热敏电阻和有机材 料 PTC热敏电阻两种. 其中有机高分子 PTC 热敏电阻 材料以其质软、常温电阻率比陶瓷 PTC 热敏电阻较低 等优点 ,现已成为 PTC材料开发研制的热点. 目前 ,世界上仅有美、日、中国等少数国家掌握了 一定的有机 PTC材料技术 ,并开发了相应的产品. 其中 著名的有美 Raychem 公司的 Polyswitch device ,被称为 “可重复使用的保险丝”(resettable fuse) . 该类产品是符 合 IEEE - 1394 标准的解决过流保护的理想器件. 而我 国的有机高分子 PTC热敏电阻的研制和开发也达到了 相当的水平. 国产 PTC 热敏电阻在电话通讯总配线架 及程控交换器等诸多产品中得到了广泛的应用. 为了进一步了解这两类 PTC 热敏电阻的物理特 性 ,笔者分别对有机高分子 PTC 材料和陶瓷 PTC 材料 的电阻 - 温度特性进行了测量和曲线拟合 ,得到这两 种材料的经验公式 ,并对两者在应用方面的情况作了 一些比较. 2 原理 PTC热敏电阻的重要特性是当温度上升时 ,它的 电阻值也随之上升 ,即简称 PTC效应. 大多数有类似金 属导电性质的材料都具有 PTC 效应 ,即在一定温度范 围内 ,这些材料的电阻率随温度上升大致成线性 PTC 效应(linear PTC effect) . 有机 PTC 材料或陶瓷 PTC 材料 则具有非线性 PTC 效应. 由于有机 PTC 热敏材料在转 变点温度处发生相变 ,从而材料的电阻率在超过此温 度的极小温度范围内急剧上升. 其变化呈指数形式上 升 ,PTC热敏电阻的电阻 - 温度经验公式为 : R ( T) = R ( T0 ) e α( T - T 0 ) (1) 其中α> 0 ,称电阻 - 温度系数 , T0 是转变点热力学温 度 , R ( T) 是热力学温度为 T 时的电阻 , R ( T0 ) 是热力 学温度为 T0 时的电阻. 有机高分子 PTC 热敏材料的上述特性 ,是由它的 组成材料成分和结构决定的. 有机 PTC 热敏材料以聚 乙烯、聚丙烯等聚合物作为有机分散剂 ,并掺入一定量 的炭黑、金属粉末或金属氧化物等导电材料复合而成. 在室温下 ,材料的结构基本上由许许多多微晶组成 ,导 电的微粒被分散在各个微晶之间的不定形区域内. 当 导电微粒达到一定比例后 ,会彼此接触 ,形成一定的立 体网络状的导电链. 随着材料被逐渐加热到熔点 ,结晶 的区域开始熔解 ,成为不定形的 ,从而原有的导电结构 被破坏 ,材料的电阻率急剧上升. 由于熔融只发生在一 个相对较窄的温度范围内 ,所以材料的非线性 PTC 效 应就体现在这段温度范围内. 在转变点温度以下 ,材料 电阻率很小 ,并随温度上升电阻率很缓慢的增加. 陶瓷 PTC热敏材料同样也有非线性 PTC 效应 ,但 在转变点温度下 ,有不可避免的 NTC 效应(negative tem2 perature coefficient) . 所以 ,陶瓷 PTC 热敏电阻的转变点 ① ②作者简介 :王盛(1978 - ) ,男 ,浙江绍兴人 ,复旦大学物理系 97 级理科基地班学生. 收稿日期 :1999 - 06 - 22 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
温度有时也称居里点温度 3实验装置和方法 实验装置如图1、图2所示,其中图1中1为胶木 板,用作底座;2为石棉板,作绝热用,以免烧坏胶木板 3为管状恒温槽;4为引出线.图2中5为聚四氟乙烯 用于做加热材料的支架;6为磷铜皮,引出电极,测量 IC热敏电阻的阻值;7为PC材料 笔者用于测量的材料是机械工业部上海材料研究 所所提供的M·LP2·Ⅲ-L·08高分子PIC热敏 图3 电阻,以及上海庄臣公司生产的电蚊香加热器中的陶 瓷PI℃片.实验时,将PIC材料置于管状恒温槽内 用铜·康铜热电偶测量材料表面的温度,并利用PZ6A 四位半数字多用表来测量材料的阻值 对高分子PI℃热敏电阻转变温度以上的数据点进 行最小二乘法拟合,可得 a=1.264,r=0.9760 5PIC材料的应用 图1管状恒温槽 图2PIC热敏材料样品夹 5.1有机PTC材料 实验数据可以看到,有机PIC材料在转变点温 4实验结果 度以上电阻率急剧上升,显示出非常强烈的PC特性 陶瓷PC热敏电阻(上海庄臣公司生产的电蚊香它在这段温度范围内电阻的变化可达4~5个数量 t级 陶瓷片)测量结果(R单位为9)如图3所示 所以有机PIC材料具有良好的开关性能,能够用于各 有机高分子热敏电阻(M2.LP2·ⅢL·08)测 种仪器、设备的保护.在这方面它的应用有 量结果如图4所示 1)过流保护 由图3和图4可以看到转变温度点:陶瓷PC热 这是目前有机PI℃热敏材料最主要的应用.在通 敏电阻的转变温度为181.8°C,高分子PIC热敏电阻的 常的情况下,它处于低阻,对电路影响很小,当电路中 出现过载或短路后,由于它自身的热效应而使电阻迅 转变温度为114.2°C. 速上升,起到了限流的作用应用的范围有 对陶瓷PIC热敏电阻转变温度以上的数据点进行 扩音器(喇叭).现在的喇叭普遍是独立于功放设 最小二乘法拟合,可得两段 计的,所以市售喇叭与功放常有不匹配现象.如输出功 T在[450K,5142K]范围内,a=0.01 率较大的功放配低功率的喇叭在较响的声音时会使喇 0.9863 叭的绕组产生过高的电压.由于使用保护电路会给喇 T在[5142K,534.1K]范围内,=0.1255,r=0.叭带来杂音,而保险丝的使用又不实际,故高分子PC 9710(r是相关系数) 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd. All rights reserved
温度有时也称居里点温度. 3 实验装置和方法 实验装置如图 1、图 2 所示. 其中图 1 中 1 为胶木 板 ,用作底座 ;2 为石棉板 ,作绝热用 ,以免烧坏胶木板 ; 3 为管状恒温槽 ;4 为引出线. 图 2 中 5 为聚四氟乙烯 , 用于做加热材料的支架 ;6 为磷铜皮 ,引出电极 ,测量 PTC热敏电阻的阻值 ;7 为 PTC材料. 笔者用于测量的材料是机械工业部上海材料研究 所所提供的 MZ2 - LP12 - III - L - 08 高分子 PTC 热敏 电阻 ,以及上海庄臣公司生产的电蚊香加热器中的陶 瓷 PTC 片. 实验时 ,将 PTC 材料置于管状恒温槽内 ,利 用铜 - 康铜热电偶测量材料表面的温度 ,并利用 PZ66A 四位半数字多用表来测量材料的阻值. 图 1 管状恒温槽 图 2 PTC 热敏材料样品夹 4 实验结果 陶瓷 PTC热敏电阻 (上海庄臣公司生产的电蚊香 陶瓷片) 测量结果( R 单位为Ω) 如图 3 所示. 有机高分子热敏电阻(MZ2 - LP12 - Ⅲ- L - 08) 测 量结果如图 4 所示. 由图 3 和图 4 可以看到转变温度点 :陶瓷 PTC 热 敏电阻的转变温度为 181. 8 °C ,高分子 PTC热敏电阻的 转变温度为 114. 2 °C. 对陶瓷 PTC热敏电阻转变温度以上的数据点进行 最小二乘法拟合 ,可得两段 : T 在[455. 0 K,514. 2 K]范围内 ,α= 0. 017 40 , r = 0. 986 3 ; T 在[514. 2 K,534. 1 K]范围内 ,α= 0. 125 5 , r = 0. 971 0 ( r 是相关系数) . 图 3 图 4 对高分子 PTC热敏电阻转变温度以上的数据点进 行最小二乘法拟合 ,可得 : α= 1. 264 , r = 0. 976 0 5 PTC材料的应用 5. 1 有机 PTC材料 由实验数据可以看到 ,有机 PTC 材料在转变点温 度以上电阻率急剧上升 ,显示出非常强烈的 PTC 特性 , 它在这段温度范围内电阻的变化可达 4～5 个数量级 , 所以有机 PTC 材料具有良好的开关性能 ,能够用于各 种仪器、设备的保护. 在这方面它的应用有 : 1) 过流保护 这是目前有机 PTC 热敏材料最主要的应用. 在通 常的情况下 ,它处于低阻 ,对电路影响很小 ;当电路中 出现过载或短路后 ,由于它自身的热效应而使电阻迅 速上升 ,起到了限流的作用. 应用的范围有 : 扩音器(喇叭) . 现在的喇叭普遍是独立于功放设 计的 ,所以市售喇叭与功放常有不匹配现象. 如输出功 率较大的功放配低功率的喇叭在较响的声音时会使喇 叭的绕组产生过高的电压. 由于使用保护电路会给喇 叭带来杂音 ,而保险丝的使用又不实际 ,故高分子 PTC 23 大 学 物 理 第 19 卷 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
第6期 盛等:新型PIC热敏电阻的特性测量及其应用 热敏电阻成了较好的选择 金属氧化物半导体场效应晶体管( MOSFE).一般 5.2陶瓷PIC材料 的场效应晶体管在遇到过流现象时无法自我保护;很 陶瓷PC材料同样也具有非线性PC效应,它在 好的 MOSFE采用保护电路等达到防止过流的作用,需要大电流的冰箱等用电器的马达启动时,作过流保 但是费用较高解决问题的较好途径就是给每个场效护方面已有大量应用,但过流保护性能不如有机PC 应晶体管串联一个有机PC热敏电阻,价廉且效果好.热敏电阻优越主要的原因在于陶瓷PC热敏材料在 卫星电视视频接收器由于采用同轴电缆传递视居里点以上的温度范围内电阻随温度上升相对较慢 频信号及用于提供LNB( Low- oise,bo)电源,所以同有机PIC热敏材料相比,没有一个类似于保险丝似 为了防止同轴电缆在安装时被弯曲或压坏所造成的短的电阻突变过程,况且它在起始零功率时相对阻值较 路或在用户将天线与接收器分离时所造成的过流都大陶瓷PC热敏材料生产成本较低廉,又具有自动控 必须给LNB提供PC热敏电阻作过流保护 温等优点,很适宜于替代电热丝作恒温加热器,如电蚊 电池用于便携式电话和笔记本电脑及其它便携香加热器、暖风机、电吹风等 式电子器件的镍镉、锂、卤素等电池都需要过流保护 综上所述,有机PC材料以它能自动复位,易加工 如外部电路突然短路或充电电池己被充满电而充电器成各种形状和尺寸,适合集成化,生产成本低等诸多优 却继续充电这些都会给电池带来损坏而电路中若有点代替传统的保险丝而成了过流、过热保护上的主 PIC热敏电阻,此问题可以得到解决 力军.在电脑、程控电话交换机、移动电话汽车电器等 即插即用和热插拔.虽然即插即用和热插拔给PC 机用户带来了极大的便利,但随之而来的过流问题也 大量高新技术设备中作过流保护,量大面广,应用极其 成为了最大的“麻烦”主机板的鼠标和键盘的端口需广泛 要过流保护,在各种外设热插时,USB(通用串行总线) 本课题是一个设计性试验,在调查和研究中,得到 也需要保护,PI℃热敏电阻可以很地好解决这些问题 机械工业部上海材料研究所提供的指导与帮助,在此 上述只是有机PIC热敏电阻应用中的一小部分 表示衰心感谢 它的应用前景是十分广阔的 参考文献 2)过热保护 汽车上的电动机或者马达等设备在运行中会产生]徐开先叶济民热敏电阻器M北京:北京机械工业出 过热现象,导致设备寿命的缩短,例如把线圈的导线外 版社,198 所包的绝缘材料烧掉,从而导致整个设备的瘫痪.利用 2]机械工业部上海材料研究所高分子PIC热敏电阻产品 有机PC热敏电阻的电阻特性,当马达过热时即断流, 说明书[R]1993 就可以达到控制马达温度的目的 The measuring of characteristic and application the new ptc thermal resistance VANG Sheng, HANG Zhi-hong lu Sher lot (Department of Physics, Fudan University, Shanghai, 200433, China) Abstract: The measuring method and the characteristic of new PIC thermal resi stance are introduced The experimental result and prospect of application and the comparison with ceramic PIC thermal resi stance ar Key words: PIC thermal resistance; transformation spot temperature overcurrent protection 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd. All rights reserved
热敏电阻成了较好的选择. 金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) . 一般 的场效应晶体管在遇到过流现象时无法自我保护 ;很 好的 MOSFET采用保护电路等达到防止过流的作用 , 但是费用较高. 解决问题的较好途径就是给每个场效 应晶体管串联一个有机 PTC热敏电阻 ,价廉且效果好. 卫星电视视频接收器. 由于采用同轴电缆传递视 频信号及用于提供 LNB(Low - noise - block) 电源 ,所以 为了防止同轴电缆在安装时被弯曲或压坏所造成的短 路或在用户将天线与接收器分离时所造成的过流 ,都 必须给 LNB 提供 PTC热敏电阻作过流保护. 电池. 用于便携式电话和笔记本电脑及其它便携 式电子器件的镍镉、锂、卤素等电池都需要过流保护. 如外部电路突然短路或充电电池已被充满电而充电器 却继续充电 ,这些都会给电池带来损坏. 而电路中若有 PTC热敏电阻 ,此问题可以得到解决. 即插即用和热插拔. 虽然即插即用和热插拔给 PC 机用户带来了极大的便利 ,但随之而来的过流问题也 成为了最大的“麻烦”. 主机板的鼠标和键盘的端口需 要过流保护 ,在各种外设热插时 ,USB (通用串行总线) 也需要保护. PTC热敏电阻可以很地好解决这些问题. 上述只是有机 PTC 热敏电阻应用中的一小部分 , 它的应用前景是十分广阔的. 2) 过热保护 汽车上的电动机或者马达等设备在运行中会产生 过热现象 ,导致设备寿命的缩短 ,例如把线圈的导线外 所包的绝缘材料烧掉 ,从而导致整个设备的瘫痪. 利用 有机 PTC热敏电阻的电阻特性 ,当马达过热时即断流 , 就可以达到控制马达温度的目的. 5. 2 陶瓷 PTC材料 陶瓷 PTC材料同样也具有非线性 PTC 效应 ,它在 需要大电流的冰箱等用电器的马达启动时 ,作过流保 护方面已有大量应用 ,但过流保护性能不如有机 PTC 热敏电阻优越. 主要的原因在于陶瓷 PTC 热敏材料在 居里点以上的温度范围内电阻随温度上升相对较慢 , 同有机 PTC 热敏材料相比 ,没有一个类似于保险丝似 的电阻突变过程 ,况且它在起始零功率时相对阻值较 大. 陶瓷 PTC热敏材料生产成本较低廉 ,又具有自动控 温等优点 ,很适宜于替代电热丝作恒温加热器 ,如电蚊 香加热器、暖风机、电吹风等. 综上所述 ,有机 PTC材料以它能自动复位 ,易加工 成各种形状和尺寸 ,适合集成化 ,生产成本低等诸多优 点 ,代替传统的保险丝而成了过流、过热保护上的主 力军. 在电脑、程控电话交换机、移动电话、汽车电器等 大量高新技术设备中作过流保护 ,量大面广 ,应用极其 广泛. 本课题是一个设计性试验 ,在调查和研究中 ,得到 机械工业部上海材料研究所提供的指导与帮助 ,在此 表示衰心感谢. 参考文献 : [1 ] 徐开先 ,叶济民. 热敏电阻器[M] . 北京 :北京机械工业出 版社 ,1981. [2 ] 机械工业部上海材料研究所. 高分子 PTC 热敏电阻产品 说明书[ R] . 1993. The measuring of characteristic and application the ne w PTC thermal resistance WANG Sheng ,HANG Zhi2hong ,LU Shen2long (Department of Physics ,Fudan University ,Shanghai ,200433 ,China) Abstract : The measuring method and the characteristic of new PTC thermal resistance are introduced. The experimental result and prospect of application and the comparison with ceramic PTC thermal resistance are given. Key words:PTC thermal resistance ;transformation spot temperature ;overcurrent protection 第 6 期 王 盛等 :新型 PTC热敏电阻的特性测量及其应用 33 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
