基礎電子學系列10 – 相關電阻器

我們已經討論了固定電阻器和可變電阻器。有趣的是，電阻不僅限于用于限流、降壓和耗散功率。有許多特殊類型的電阻器也可以用作傳感器，因此它們可以用作電路中的傳感器。傳感器是一種將物理量的變化轉換為電信號或反之的裝置。一些特殊類型的電阻器的電阻取決于入射光、壓力、溫度、電壓或磁場等物理量。它們的電阻對物理量的這種依賴性有助于測量特定物理量或設計相關傳感器。

因此，從屬電阻器是可變電阻器，其阻值相對于物理量而變化。依賴電阻主要有以下幾種類型：

1) 光敏電阻器

2) 電壓相關電阻器

3) 熱敏電阻

4) 磁敏電阻器

5) 應變計

光敏電阻器

光敏電阻器 (LDR) 的電阻隨入射光而變化。它們的電阻隨著入射光強度的增加而降低，反之亦然。由于這個特性，這些電阻器可以被校準以識別黑暗或明亮的情況。在黑暗中，LDR 通常提供高達 1 兆歐姆的電阻，而在光線下它們的電阻降至幾百歐姆或幾歐姆。電阻的這種大變化會導致 LDR 上的壓降發生顯著變化，這可用于分壓配置，以識別黑暗與光明的情況。

光敏電阻示例（圖片來源：Indiamart）

LDR 也稱為光敏電阻。這些電阻器由能夠吸收光子的高電阻半導體組成。根據入射光的強度和頻率，半導體中的束縛電子跳入導帶，從而降低電阻。LDR 的電阻變化取決于入射光的頻率（或波長）。常用于制作光敏電阻的半導體有硫化鎘、硒化鎘、硫化鉛、硒化鉛、銻化銦等。不過，一些國家現在已經禁止使用由鎘或鉛制成的光敏電阻，因為這些光敏電阻不符合 RoHS 標準并且可能對環境有害。光敏電阻具有以下 IEC 標準符號：

光敏電阻 (LDR) 的 IEC 標準符號

LDR 的類型
光敏電阻 (LDR) 有兩種類型：

1) 本征光敏電阻：這些光敏電阻由未摻雜的半導體（如硅和鍺）構成。這些 LDR 通常具有低靈敏度。

2) 外在光敏電阻：這些光敏電阻由摻雜的半導體構成。由于摻雜，這些 LDR 顯示出對光照的抵抗力急劇下降。因此，這些光敏電阻具有良好的靈敏度。

LDR 的性能指標

任何 LDR 的預期功能是它檢測亮暗情況的能力。因此，LDR 的性能指標是對光強的敏感性、波長依賴性和延遲等特性。這些 KPI 如下所述。

靈敏度：理想情況下，LDR 的電阻應隨著入射光強度的增加而降低。對于恒定的光強度，其電阻也必須保持恒定。實際上，LDR 的電阻相對于光強呈非線性變化。此外，對于恒定的光強度，電阻仍可能由于溫度變化而下降。因此，注意給定溫度范圍內 LDR 的最大功耗非常重要LDR 中的熱效應通常由相同光強度下的最大電阻和最小電阻表示其他可用于預測 LDR 靈敏度的重要指標包括典型電阻和暗電阻的LDR。

波長靈敏度：所有半導體都有獨特的光譜響應曲線，因此 LDR 對不同波長具有不同的靈敏度。LDR 通常設計為對人類可見的光波長具有敏感性。因此，它們的靈敏度仍然非常傾向于光譜的紅外線范圍。光敏電阻的波長或頻率依賴性通常由波長對靈敏度曲線和 LDR 的峰值波長表示。

潛伏：光敏電阻在曝光或遮光時的電阻變化不是突然的。光敏電阻通常需要 1 秒才能在黑暗情況下提高電阻，而在照明條件下它們需要大約 10 毫秒才能降低電阻。LDR 相對于入射光降低或升高其電阻所需的時間稱為潛伏期。LDR 的潛伏期可以通過在黑暗情況下不同時刻的暗電阻來指示。

LDR 與光電二極管和光電晶體管的比較

由于熱效應引起的延遲和電阻變化，LDR 不是最好的光傳感器。現在，大多數電子電路都將光電二極管或光電晶體管用于光敏應用。光電二極管和光電晶體管是有源元件，具有真正的 PN 結。這使它們對光具有敏銳的敏感性，并且作為有源組件，它們具有非常低的延遲。LDR 仍在某些電路中使用，這些電路只需要檢測亮或暗情況，但不精確。LDR 還用于音頻壓縮器電路，在這些電路中，LDR 的延遲被證明對平滑音頻信號很有用。

壓變電阻

電壓相關電阻器，也稱為變阻器，是可變電阻器，其阻值會隨著施加的電壓而變化。當施加的電壓超過閾值電壓電平時，這些電阻器的電阻會急劇下降。壓敏電阻的這一特性使其可用于過壓保護電路和浪涌保護應用。這些電阻器有多種封裝形式，如軸向、徑向、圓盤和塊狀。對于高功率應用，使用塊型 VDR。壓敏電阻具有以下 IEC 標準符號：

電壓相關電阻器 (VDR) 的 IEC 標準符號

VDR 類型
VDR 主要有兩種類型：

1) 金屬氧化物變阻器 (MOV)： 這是最常用的變阻器。它由氧化鋅顆粒的燒結矩陣制成，充當串聯和并聯二極管的矩陣。

2) 碳化硅變阻器：這些變阻器適用于大功率和高壓應用。它們由碳化硅的燒結基體組成。這些變阻器的一個主要缺點是它們的待機電流會導致大功率耗散。

壓敏電阻的性能指標

壓敏電阻的重要KPI包括鉗位電壓、最大脈沖能量、最大額定AC/DC電壓、峰值電流和待機電流。壓敏電阻的電壓-電流特性類似于二極管。它傳導非常小的漏電流，直到電壓達到鉗位電平。除了鉗位電壓之外，電阻急劇下降，并且大的雪崩電流流過變阻器。電流的變化相對于施加的電壓是非線性的。重要的是要注意，反復暴露于電壓浪涌會降低變阻器的鉗位電壓。這可能會導致短路并可能導致火災。因此，在任何應用中都必須使用高鉗位電壓的壓敏電阻，并且必須與其串聯熱熔斷器。

熱敏電阻

所有電阻器的阻值，無論是固定的還是可變的，都對溫度有一定的依賴性。這由電阻器的溫度系數表示。溫度系數可以是正的也可以是負的。對于固定或可變電阻器，溫度系數必須最小。因此，固定或可變電阻器的構造具有最小的溫度系數和盡可能大的工作溫度范圍。在感測溫度、熱調節、過電流保護等應用中，有時需要電阻對溫度的依賴性。設計為相對于溫度變化具有顯著電阻變化的電阻稱為熱敏電阻或熱電阻。

熱敏電阻是溫度敏感電阻，可用作溫度傳感器。這些被設計成具有高溫度系數。大多數情況下，熱敏電阻具有負溫度系數。這些被稱為 NTC 熱敏電阻。具有正溫度系數的熱敏電阻稱為PTC熱敏電阻。熱敏電阻由陶瓷半導體（金屬氧化物）和混合的特殊添加劑構成，以實現高溫系數。熱敏電阻有多種封裝形式，例如徑向封裝、軸向封裝、玻璃封裝、探針封裝、螺紋封裝等。徑向封裝是熱敏電阻最常用的封裝類型。熱敏電阻具有以下 IEC 標準符號：

NTC熱敏電阻的IEC標準符號

PTC熱敏電阻的IEC標準符號

NTC 熱敏電阻

NTC 熱敏電阻是具有負溫度系數的熱敏電阻。它們的電阻隨著溫度的升高而顯著降低。這些電阻器由陶瓷或鎳、鈷、錳、鉑、鐵、鈦等聚合物制成。這些電阻器通常用作溫度傳感器。與電阻溫度檢測器 (RTD) 和硅溫度傳感器（Silistors）等其他溫度傳感設備相比，NTC 熱敏電阻的溫度系數通常高五到十倍。然而，它們的非線性溫度依賴性使得使用 NTC 熱敏電阻成為一件棘手的事情。

NTC 熱敏電阻示例（圖片：Amphenol Advanced Sensors）

這些熱敏電阻用于溫度傳感、溫度控制、溫度補償、限流、延時、浪涌抑制和流量測量等應用。溫度傳感、溫度控制和溫度補償等應用利用熱敏電阻電阻對溫度的依賴性。在此類應用中，連接 NTC 熱敏電阻以通過它們傳遞最小電流，并通過測量其兩端的電壓降來估算溫度。限流、浪涌保護、延時和流量測量等應用都是基于熱敏電阻的熱容量和耗散常數。在此類應用中，熱敏電阻的連接方式一旦超過其耗散常數就開始傳導大電流，

NTC熱敏電阻的性能指標
NTC熱敏電阻具有以下重要特性：

工作溫度范圍：大多數 NTC 熱敏電阻（以珠、盤或芯片封裝形式提供）的工作溫度范圍在 -55°C 到 200°C 之間。有一些特殊的熱敏電阻（采用玻璃封裝封裝），其工作溫度范圍超過 150°C 或低至絕對零溫度。

溫度敏感性：熱敏電阻通常具有非線性電阻曲線。它們的溫度敏感性由電阻-溫度特性曲線和每攝氏度的電阻變化百分比表示。熱敏電阻通常具有 -3%/°C 至 -6%/°C 的溫度靈敏度。雖然與 RTD（-200°C 至 800°C）相比，熱敏電阻具有較低的溫度范圍（-55°C 至 200°C），但它們具有更高的溫度靈敏度，因此電阻的響應速度相對于溫度急劇變化. 熱敏電阻的阻值變化率用其電阻-溫度特性曲線的梯度來表示，稱為熱敏電阻的B常數。

熱容量：熱容量是將熱敏電阻的溫度升高 1°C 所需的熱量。它以 mJ/°C 表示。熱容量是溫度控制、溫度補償和浪涌電流限制等應用中必須考慮的重要特性。

必須注意的是，由于NTC熱敏電阻的非線性特性曲線，在模擬電路中可能無法獲得準確和精確的結果。NTC 熱敏電阻最好與數字電路一起使用，數字電路可以通過編程將基于熱敏電阻特性曲線的查找表與通過 ADC 轉換為數字值的模擬電壓進行比較。

PTC 熱敏電阻
PTC 熱敏電阻是專門設計的具有正溫度系數的熱敏電阻。它們的電阻隨著溫度的升高而增加。PTC 熱敏電阻有兩種類型——線性 PTC 熱敏電阻和開關型 PTC 熱敏電阻。線性 PTC 熱敏電阻由硅制成，具有線性電阻-溫度特性曲線。這些也稱為Silistors。這些 PTC 熱敏電阻用于溫度傳感和測量。

PTC 熱敏電阻示例（圖片來源：Murata）

開關型 PTC 熱敏電阻具有非線性電阻-溫度特性曲線，其設計使其在稱為開關或轉變溫度的預定義溫度下表現出電阻突然變化。這些類型的熱敏電阻由碳酸鋇、氧化鈦、鈦酸鉛等塑料和二氧化硅、鉭和錳等添加劑制成。這些熱敏電阻用于過流保護、延時、電機控制、液位指示器和熱調節器等應用。

PTC熱敏電阻的性能指標
PTC熱敏電阻具有以下重要特性：

工作溫度范圍：開關型 PTC 熱敏電阻的工作溫度范圍通常為 60°C 至 120°C。特殊開關 PTC 熱敏電阻的工作溫度范圍低至 0°C，高至 200°C。

溫度敏感性： PTC 熱敏電阻的溫度敏感性還通過電阻-溫度特性曲線和每攝氏度的電阻變化百分比來表示。Silistors 通常具有 0.7%/°C 至 0.8%/°C 的溫度靈敏度。晶體管具有線性電阻-溫度特性曲線，而開關型PTC熱敏電阻的阻值最初隨溫度升高而降低，超過特定溫度后，其阻值隨溫度每升高一度而顯著增加。該溫度稱為轉變溫度。

轉變溫度： 轉換或開關溫度是開關型 PTC 熱敏電阻的溫度系數從負變為正并且電阻開始相對于溫度升高迅速變化的溫度。

最小電阻：這是轉換溫度下開關型 PTC 熱敏電阻的電阻。這是 PTC 熱敏電阻提供的最小電阻。

額定電阻 ：這是 PTC 熱敏電阻在 25°C 時的電阻。

耗散常數 ：PTC 熱敏電阻的耗散常數將施加的電功率與熱敏電阻的溫度升高聯系起來。它是一個常數，取決于 PTC 熱敏電阻的材料、形狀、尺寸、環境溫度和結構。

最大額定電壓：這是 PTC 熱敏電阻可以承受的最大電壓。

最大額定電流：這是 PTC 熱敏電阻可以承受的最大電流。

磁變電阻

磁相關電阻器或磁電阻器是一種可變電阻器，其電阻會隨著所施加磁場的強度而變化。這些電阻器可以檢測磁場的存在、極性和強度。這些電阻器基于各向異性磁阻 (AMR) 效應。這些電阻器由鐵磁材料構成。典型的 MDR 電阻器由四個像惠斯通電橋一樣連接的燙金合金薄膜組成。這些電阻器用于磁場檢測、磁場強度和極性測量、電子羅盤和位置傳感器。MDR 具有以下 IEC 標準符號：

磁電阻的IEC標準符號

應變計

應變計是可變電阻器，其電阻隨施加的力而變化。這些電阻器由封裝在絕緣外殼中的金屬箔組成，金屬箔的變形會改變電阻。這些電阻器用于測量壓力、力、重量和張力。應變片電阻的變化由應變系數表示。應變系數定義為應變計電阻的相對變化與機械應變的比率。

在下一篇文章中，我們將討論功率電阻器。在此之前，這里有三個適合您的 DIY 活動。

活動 7
下載 LDR、光電二極管和光電晶體管的一些隨機數據表。比較它們的靈敏度和延遲時間。

活動 8
尋找任何使用 NTC 熱敏電阻來感測溫度的微控制器電路。查看如何對微控制器進行編程以校準與熱敏電阻的電阻-溫度曲線相關的傳感器測量值。

活動 9
探索開關型 PTC 熱敏電阻的一些隨機數據表。觀察它們的轉變溫度和電阻-溫度特性曲線。