基础电子学系列10 – 相关电阻器

知识点：电阻器

我们已经讨论了固定电阻器和可变电阻器。有趣的是，电阻不仅限于用于限流、降压和耗散功率。有许多特殊类型的电阻器也可以用作传感器，因此它们可以用作电路中的传感器。传感器是一种将物理量的变化转换为电信号或反之的装置。一些特殊类型的电阻器的电阻取决于入射光、压力、温度、电压或磁场等物理量。它们的电阻对物理量的这种依赖性有助于测量特定物理量或设计相关传感器。

因此，从属电阻器是可变电阻器，其阻值相对于物理量而变化。依赖电阻主要有以下几种类型：

1) 光敏电阻器

2) 电压相关电阻器

3) 热敏电阻

4) 磁敏电阻器

5) 应变计

光敏电阻器

光敏电阻器 (LDR) 的电阻随入射光而变化。它们的电阻随着入射光强度的增加而降低，反之亦然。由于这个特性，这些电阻器可以被校准以识别黑暗或明亮的情况。在黑暗中，LDR 通常提供高达 1 兆欧姆的电阻，而在光线下它们的电阻降至几百欧姆或几欧姆。电阻的这种大变化会导致 LDR 上的压降发生 显着 变化，这可用于分压配置，以识别黑暗与光明的情况。

光敏电阻示例（图片来源：Indiamart）

LDR 也称为光敏电阻。这些电阻器由能够吸收光子的高电阻半导体组成。根据入射光的强度和频率，半导体中的束缚电子跳入导带，从而降低电阻。LDR 的电阻变化取决于入射光的频率（或波长）。常用于制作光敏电阻的半导体有硫化镉、硒化镉、硫化铅、硒化铅、锑化铟等。不过，一些国家现在已经禁止使用由镉或铅制成的光敏电阻，因为这些光敏电阻不符合 RoHS 标准并且可能对环境有害。光敏电阻具有以下 IEC 标准符号：

光敏电阻 (LDR) 的 IEC 标准符号

LDR 的类型
光敏电阻 (LDR) 有两种类型：

1) 本征光敏电阻：这些光敏电阻由未掺杂的半导体（如硅和锗）构成。这些 LDR 通常具有低灵敏度。

2) 外在光敏电阻：这些光敏电阻由掺杂的半导体构成。由于掺杂，这些 LDR 显示出对光照的抵抗力急剧下降。因此，这些光敏电阻具有良好的灵敏度。

LDR 的性能指标

任何 LDR 的预期功能是它检测亮暗情况的能力。因此，LDR 的性能指标是对光强的敏感性、波长依赖性和延迟等特性。这些 KPI 如下所述。

灵敏度：理想情况下，LDR 的电阻应随着入射光强度的增加而降低。对于恒定的光强度，其电阻也必须保持恒定。实际上，LDR 的电阻相对于光强呈非线性变化。此外，对于恒定的光强度，电阻仍可能由于温度变化而下降。因此，注意给定温度范围内 LDR 的最大功耗非常重要LDR 中的热效应通常由相同光强度下的最大电阻和最小电阻表示其他可用于预测 LDR 灵敏度的重要指标包括典型电阻和暗电阻的LDR。

波长灵敏度：所有半导体都有独特的光谱响应曲线，因此 LDR 对不同波长具有不同的灵敏度。LDR 通常设计为对人类可见的光波长具有敏感性。因此，它们的灵敏度仍然非常倾向于光谱的红外线范围。光敏电阻的波长或频率依赖性通常由波长对灵敏度曲线和 LDR 的峰值波长表示。

潜伏：光敏电阻在曝光或遮光时的电阻变化不是突然的。光敏电阻通常需要 1 秒才能在黑暗情况下提高电阻，而在照明条件下它们需要大约 10 毫秒才能降低电阻。LDR 相对于入射光降低或升高其电阻所需的时间称为潜伏期。LDR 的潜伏期可以通过在黑暗情况下不同时刻的暗电阻来指示。

LDR 与光电二极管和光电晶体管的比较

由于热效应引起的延迟和电阻变化，LDR 不是最好的光传感器。现在，大多数电子电路都将光电二极管或光电晶体管用于光敏应用。光电二极管和光电晶体管是有源元件，具有真正的 PN 结。这使它们对光具有敏锐的敏感性，并且作为有源组件，它们具有非常低的延迟。LDR 仍在某些电路中使用，这些电路只需要检测亮或暗情况，但不精确。LDR 还用于音频压缩器电路，在这些电路中，LDR 的延迟被证明对平滑音频信号很有用。

压变电阻

电压相关电阻器，也称为变阻器，是可变电阻器，其阻值会随着施加的电压而变化。当施加的电压超过阈值电压电平时，这些电阻器的电阻会急剧下降。压敏电阻的这一特性使其可用于过压保护电路和浪涌保护应用。这些电阻器有多种封装形式，如轴向、径向、圆盘和块状。对于高功率应用，使用块型 VDR。压敏电阻具有以下 IEC 标准符号：

电压相关电阻器 (VDR) 的 IEC 标准符号

VDR 类型
VDR 主要有两种类型：

1) 金属氧化物变阻器 (MOV)：这是最常用的变阻器。它由氧化锌颗粒的烧结矩阵制成，充当串联和并联二极管的矩阵。

2) 碳化硅变阻器：这些变阻器适用于大功率和高压应用。它们由碳化硅的烧结基体组成。这些变阻器的一个主要缺点是它们的待机电流会导致大功率耗散。

压敏电阻的性能指标

压敏电阻的重要KPI包括钳位电压、最大脉冲能量、最大额定AC/DC电压、峰值电流和待机电流。压敏电阻的电压-电流特性类似于二极管。它传导非常小的漏电流，直到电压达到钳位电平。除了钳位电压之外，电阻急剧下降，并且大的雪崩电流流过变阻器。电流的变化相对于施加的电压是非线性的。重要的是要注意，反复暴露于电压浪涌会降低变阻器的钳位电压。这可能会导致短路并可能导致火灾。因此，在任何应用中都必须使用高钳位电压的压敏电阻，并且必须与其串联热熔断器。

热敏电阻

所有电阻器的阻值，无论是固定的还是可变的，都对温度有一定的依赖性。这由电阻器的温度系数表示。温度系数可以是正的也可以是负的。对于固定或可变电阻器，温度系数必须最小。因此，固定或可变电阻器的构造具有最小的温度系数和尽可能大的工作温度范围。在感测温度、热调节、过电流保护等应用中，有时需要电阻对温度的依赖性。设计为相对于温度变化具有显着电阻变化的电阻称为热敏电阻或热电阻。

热敏电阻是温度敏感电阻，可用作温度传感器。这些被设计成具有高温度系数。大多数情况下，热敏电阻具有负温度系数。这些被称为 NTC 热敏电阻。具有正温度系数的热敏电阻称为PTC热敏电阻。热敏电阻由陶瓷半导体（金属氧化物）和混合的特殊添加剂构成，以实现高温系数。热敏电阻有多种封装形式，例如径向封装、轴向封装、玻璃封装、探针封装、螺纹封装等。径向封装是热敏电阻最常用的封装类型。热敏电阻具有以下 IEC 标准符号：

NTC热敏电阻的IEC标准符号

PTC热敏电阻的IEC标准符号

NTC 热敏电阻

NTC 热敏电阻是具有负温度系数的热敏电阻。它们的电阻随着温度的升高而显着降低。这些电阻器由陶瓷或镍、钴、锰、铂、铁、钛等聚合物制成。这些电阻器通常用作温度传感器。与电阻温度检测器 (RTD) 和硅温度传感器（Silistors）等其他温度传感设备相比，NTC 热敏电阻的温度系数通常高五到十倍。然而，它们的非线性温度依赖性使得使用 NTC 热敏电阻成为一件棘手的事情。

NTC 热敏电阻示例（图片：Amphenol Advanced Sensors）

这些热敏电阻用于温度传感、温度控制、温度补偿、限流、延时、浪涌抑制和流量测量等应用。温度传感、温度控制和温度补偿等应用利用热敏电阻电阻对温度的依赖性。在此类应用中，连接 NTC 热敏电阻以通过它们传递最小电流，并通过测量其两端的电压降来估算温度。限流、浪涌保护、延时和流量测量等应用都是基于热敏电阻的热容量和耗散常数。在此类应用中，热敏电阻的连接方式一旦超过其耗散常数就开始传导大电流，

NTC热敏电阻的性能指标
NTC热敏电阻具有以下重要特性：

工作温度范围：大多数 NTC 热敏电阻（以珠、盘或芯片封装形式提供）的工作温度范围在 -55°C 到 200°C 之间。有一些特殊的热敏电阻（采用玻璃封装封装），其工作温度范围超过 150°C 或低至绝对零温度。

温度敏感性：热敏电阻通常具有非线性电阻曲线。它们的温度敏感性由电阻-温度特性曲线和每摄氏度的电阻变化百分比表示。热敏电阻通常具有 -3%/°C 至 -6%/°C 的温度灵敏度。虽然与 RTD（-200°C 至 800°C）相比，热敏电阻具有较低的温度范围（-55°C 至 200°C），但它们具有更高的温度灵敏度，因此电阻的响应速度相对于温度急剧变化. 热敏电阻的阻值变化率用其电阻-温度特性曲线的梯度来表示，称为热敏电阻的B常数。

热容量：热容量是将热敏电阻的温度升高 1°C 所需的热量。它以 mJ/°C 表示。热容量是温度控制、温度补偿和浪涌电流限制等应用中必须考虑的重要特性。

必须注意的是，由于NTC热敏电阻的非线性特性曲线，在模拟电路中可能无法获得准确和精确的结果。NTC 热敏电阻最好与数字电路一起使用，数字电路可以通过编程将基于热敏电阻特性曲线的查找表与通过 ADC 转换为数字值的模拟电压进行比较。

PTC 热敏电阻
PTC 热敏电阻是专门设计的具有正温度系数的热敏电阻。它们的电阻随着温度的升高而增加。PTC 热敏电阻有两种类型——线性 PTC 热敏电阻和开关型 PTC 热敏电阻。线性 PTC 热敏电阻由硅制成，具有线性电阻-温度特性曲线。这些也称为Silistors。这些 PTC 热敏电阻用于温度传感和测量。

PTC 热敏电阻示例（图片来源：Murata）

开关型 PTC 热敏电阻具有非线性电阻-温度特性曲线，其设计使其在称为开关或转变温度的预定义温度下表现出电阻突然变化。这些类型的热敏电阻由碳酸钡、氧化钛、钛酸铅等塑料和二氧化硅、钽和锰等添加剂制成。这些热敏电阻用于过流保护、延时、电机控制、液位指示器和热调节器等应用。

PTC热敏电阻的性能指标
PTC热敏电阻具有以下重要特性：

工作温度范围：开关型 PTC 热敏电阻的工作温度范围通常为 60°C 至 120°C。特殊开关 PTC 热敏电阻的工作温度范围低至 0°C，高至 200°C。

温度敏感性：PTC 热敏电阻的温度敏感性还通过电阻-温度特性曲线和每摄氏度的电阻变化百分比来表示。Silistors 通常具有 0.7%/°C 至 0.8%/°C 的温度灵敏度。晶体管具有线性电阻-温度特性曲线，而开关型PTC热敏电阻的阻值最初随温度升高而降低，超过特定温度后，其阻值随温度每升高一度而显着增加。该温度称为转变温度。

转变温度：转换或开关温度是开关型 PTC 热敏电阻的温度系数从负变为正并且电阻开始相对于温度升高迅速变化的温度。

最小电阻：这是转换温度下开关型 PTC 热敏电阻的电阻。这是 PTC 热敏电阻提供的最小电阻。

额定电阻 ：这是 PTC 热敏电阻在 25°C 时的电阻。

耗散常数 ：PTC 热敏电阻的耗散常数将施加的电功率与热敏电阻的温度升高联系起来。它是一个常数，取决于 PTC 热敏电阻的材料、形状、尺寸、环境温度和结构。

最大额定电压：这是 PTC 热敏电阻可以承受的最大电压。

最大额定电流：这是 PTC 热敏电阻可以承受的最大电流。

磁变电阻

磁相关电阻器或磁电阻器是一种可变电阻器，其电阻会随着所施加磁场的强度而变化。这些电阻器可以检测磁场的存在、极性和强度。这些电阻器基于各向异性磁阻 (AMR) 效应。这些电阻器由铁磁材料构成。典型的 MDR 电阻器由四个像惠斯通电桥一样连接的烫金合金薄膜组成。这些电阻器用于磁场检测、磁场强度和极性测量、电子罗盘和位置传感器。MDR 具有以下 IEC 标准符号：

磁电阻的IEC标准符号

应变计

应变计是可变电阻器，其电阻随施加的力而变化。这些电阻器由封装在绝缘外壳中的金属箔组成，金属箔的变形会改变电阻。这些电阻器用于测量压力、力、重量和张力。应变片电阻的变化由应变系数表示。应变系数定义为应变计电阻的相对变化与机械应变的比率。

在下一篇文章中，我们将讨论功率电阻器。在此之前，这里有三个适合您的 DIY 活动。

活动 7
下载 LDR、光电二极管和光电晶体管的一些随机数据表。比较它们的灵敏度和延迟时间。

活动 8
寻找任何使用 NTC 热敏电阻来感测温度的微控制器电路。查看如何对微控制器进行编程以校准与热敏电阻的电阻-温度曲线相关的传感器测量值。

活动 9
探索开关型 PTC 热敏电阻的一些随机数据表。观察它们的转变温度和电阻-温度特性曲线。

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1、GB5226.1-2008 机械电气安全

2、GB19517-2009国家电气设备安全技术规范