正温度系数热敏电阻(PTC)和负温度系数热敏电阻(NTC)的工作原理


随着移动通讯业在国内的迅猛发展,国内的手机消费者越来越多,由于手机是靠电池供电的产品,在电池内部通常都会带有一个PTC和NTC,很多人不明白它们在电池中所起的作用,本文对此作一阐述。 
在手机电池内部的PTC和NTC都是属于热敏电阻器,热敏电阻器按其阻抗与温度特性分为正温度系数(PTC)热敏电阻器和负温度系数(NTC)热敏电阻器。PTC是Positive Temperature Coefficient的英文首字缩写,其含义为正温度系数,NTC是Negative Temperature Coefficient 的英文首字缩写,其含义为负温度系数,通常为方便起见,常将这两种电阻简称为PTC和NTC。 
一、手机电池内的PTC热敏电阻介绍 
通常意义上的PTC是指一种以钛酸钡为主要成分的高技术半导体功能陶瓷材料,具有电阻值随着温度变化而变化的特性,特别是在居里温度点附近电阻值跃升有3——7个数量级。此种PTC利用其最基本的电阻温度特性及电压——电流特性与电流——时间特性,已广泛应用于工业电子设备,汽车及家用电器等产品中,以达到自动消磁、过热过流保护,马达启动,恒温加热,温度补偿、延时等作用。 
电池内的PTC与上述PTC并不相同,通常被称之为“自恢复保险丝”,英文名称为“Polyswitch”,其含义为高分子聚合物开关,它是近几年出现的新型正温度系数过流过温保护元件,它的特点是当温度达到某定值时,其电阻值会显著增加,呈高阻状态,相当于断开回路,而当使温度降低后,它便自动复位导通,恢复至低阻状态,并且这种断开-自动恢复过程可重复数千次,目前主要用于小功率电子设备的短路及过载保护。 
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 自恢复保险丝主要以经过特殊处理的聚合树酯(Polymer)为基础,掺入导体(如碳元素)而构成。在正常情况下,聚合树酯将导体微粒紧密束缚于结晶状的结构内,构成一种低阻抗(几毫欧至几十毫欧)炼键,线路上流经自恢复保险丝的电流所产生的热量很小,不会改变聚合树酯的晶状结构,从而电路保持低阻导通。然而,当电流急剧增加时,自复保险丝的温度也会在很短时间内迅速上升,过高的温度会使聚合树酯由结晶状变成胶状,这时被束缚在聚合树酯上的导体便会分离,阻抗迅速提高,使回路的电流迅速变小,达到保护目的,在回路电流变小后,若导致过流的故障并未排除,回路中仍会保持一定的电流值,该电流会使PTC保持在发热状态,并维持高阻态,待过流故障排除后,温度下降,导体炼键又重新建立,PTC会自动恢复成低阻抗导体。 
自恢复保险丝的保护动作时间是衡量它好坏的一个重要参数,该参数与其内阻、环境温度和动作前所流过的电流大小有关,环境温度越高,内阻或电流越大,其温度上升越快,因此其保护动作越快。 
由于自恢复保险丝是串联在电源电路中使用,在流过电流时,需要消耗一定的电能,因此它的内阻也是一个重要参数,从耗能与对外供电能力上看,其内阻越小越好,但内阻小会使过流保护时的反应速度变慢,并会使保护后维持其发热的电流较大,因此在实际使用中,应按具体的应用情况来选择合适规格的PTC。 
    
由于自恢复保险丝的以上特性,在手机电池中被广泛应用于过流和短路保护,使电池的安全性得以提高。 
  自恢复保险丝的型号、规格很多,仅美国瑞侃公司生产的就有十多个系列,每一系列又有十几个规格。国内也有不少厂家生产此类PTC,如维安、中基、亚光、武进等等,某些品牌的质量也相当不错。 
二、手机电池中的NTC热敏电阻介绍 
对于许多从事电子行业的人来说,对NTC热敏电阻并不陌生,它是一种以过渡金属氧化物为主要原材料,采用电子陶瓷工艺制成的热敏半导体陶瓷元件,它的电阻值随温度升高而降低,利用这一特性可制成测温、温度补偿和控温元件,又可以制成功率型元件,抑制电路的浪涌电流。它的价格低廉,在电子产品中被广泛应用,而且具有多种封装型式,能够很方便地应用到各种电路中。 
电池中的NTC大多数为贴片封装,其大小从0402到0805都有,它在电池中主要起温度监测的作用,在电池的充、放电过程中,手机根据其阻值大小来判断电池温度,而后作相应控制,如停止充电或涓流充电等。 
NTC
根据材料、工艺等不同情况,有不同的阻值和温度变化特性,其阻值随温度的变化曲线是非线性的,其特性符合以下公式:

电阻温度特性

NTC热敏电阻的温度特性可用下式近似表示:

式中:
RT:温度T时零功率电阻值。
A:与热敏电阻器材料物理特性及几何尺寸有关的系数。 
B:B值。
T:温度(k)。 
更精确的表达式为:

式中:RT:热敏电阻器在温度T时的零功率电阻值。
   T:为绝对温度值,K;
   A、B、C、D:为特定的常数。

 
 
式中的R25是热敏电阻在25℃室温下的阻值,B是热敏电阻材料的开尔文(Kelvins)常数,T是热敏电阻的实际摄氏温度。 
对常温下同样阻值的热敏电阻,由于其B值的不同,其电阻-温度特性曲线将有很大的差异,下图为阻值相同而B值不同的NTC热敏电阻的温度特性曲线。 




从上图可以看出,即使常温下相同阻值的热敏电阻,由于B值的不同,无论在高温还是低温中,其阻抗变化均不一样,因此在使用中,根据实际情况不仅要选用适当阻值的NTC,同时还要考虑选用适当B值的NTC。在热敏电阻厂家提供的型号规格中,除了阻值、B值与封装外,还包括阻值误差精度和B值误差精度,在精密测量中,此点尤为要注意。 
NTC
的型号、规格也很多,国外的知名厂家有日本三菱、日本TDK、日本立山、韩国的EXPAND等等,国内也有不少厂家,某些品牌的质量也相当不错。 
三、PTC和NTC在手机电池中的应用实例 
下图为某品牌诺基亚3310手机电池的典型电路图,该电路组装在一个小电路板上,放置于电池内部,图中的FA1为自恢复保险丝,其型号为美国瑞侃公司的VTP210S,它装配在电池的侧面,串联在电芯的正极与输出正极之间,起温度保护与过流保护的作用。 
图中的RT为热敏电阻,为贴片封装,装配在电池前端的电路板上,其阻值为10k,B值为4000K。在电路中起温度检测的作用,手机通过它来判断电池温度。图中的R3为ID电阻,手机用其判断电池类型,在3310手机电池中,ID电阻为75k的是锂离子电池,ID电阻为5k6的是镍氢电池,锂离子电池与镍氢电池所用的热敏电阻一样。 
需要说明的另外一点是,在锂离子电池中的PTC是起第二重保护作用,假设在电池被短路情况下,由于保护电路的反应速度(微秒极,典型值为5微秒)远快于PTC的反应速度,因此最先起保护作用的是保护电路,在保护电路失效后,PTC才起作用。但由于在镍氢电池中无需保护电路,因此只靠PTC起保护作用。 
图中虚框内为锂离子电池保护电路,该保护回路由两个MOSFET(V1、V2)和一个控制IC(N1)外加一些阻容元件构成。控制IC的VDD与V-分别负责监测电池电压与回路电流,并控制两个MOSFET的栅极,MOSFET在电路中起开关作用,分别控制着充电回路与放电回路的导通与关断,C3为延时电容,该电路具有过充电保护、过放电保护、过电流保护与短路保护功能,其具体工作原理因与本文无关,不再赘述。 

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