基于MF58测温型NTC热敏电阻温控式电风扇调速器的设计

基于MF58测温型NTC热敏电阻温控式电风扇调速器的设计
［摘要］温控式电风扇不仅适用方便，而且节能，是电风扇的发展方向。

通过智能温度控制，风扇可以感知环境的温度，以调节风扇的转速，达到更好的工作效果。

可选用MF58测温型NTC热敏电阻传感器来实现对电风扇风速的控制。

NTC负温度系数热敏电阻的阻值会随着外界温度的升高而下降，灵敏度比较高。

温控式电风扇调速器电路由稳压电路、多谐振荡器和控制执行电路组成。

由于外界温度的变化，负温度系数热敏电阻的阻值会发生变化，通过电路调节电风扇风速，从而改善外界温度。

［关键词］NTC热敏电阻传感器；MF58；温控式电风扇调速器；工作原理
目录
1 NTC负温度系数热敏电阻传感器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
1.1 热敏电阻传感器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
1.2 NTC负温度系数热敏电阻．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
1.2.1 工作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
1.2.2 测温范围．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
1.2.3 温度特性曲线．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
2 MF58测温型NTC热敏电阻在电风扇上的应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
2.1 温控式电风扇调速器设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2.1.1 温度控制原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
2.1.2 元器件选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
2.2MF58测温型NTC热敏电阻传感器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
2.2.1 特点．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
2.2.2 应用范围．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
2.2.3 主要技术参数．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
2.2.4 外型尺寸和型号说明．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
结束语．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
1 NTC负温度系数热敏电阻传感器
NTC负温度系数热敏电阻传感器是与被测介质接触测量应用系统温度的一种负温度系数测温传感器,是近年来出现的一种新型半导体测温元件,其温度的测量技术和接口电路的研究对于组建测温系统和实现温度自动控制和保护具有重要意义。

1.1 热敏电阻传感器
热敏电阻传感器是对温度敏感的电阻器的总称,是半导体测温元件。

随着外界温度的变化，其阻值会相应发生较大改变。

按温度系数分为负温度系数热敏电阻(NTC)和正温度系数热敏电阻( PTC)两大类。

NTC热敏电阻以MF为其型号, PTC热敏电阻以MZ为其型号。

图1-1 热敏电阻符号
热敏电阻与热电阻相比，电阻温度系数绝对值大，因而灵敏度高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，测量线路简单，甚至不用放大器便可输出几伏的电压。

体积小，重量轻，热惯量小，可以测量点的温度，是以动态测量，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度。

本身电阻值大，使用方便，电阻值可在0.1～100 KΩ间任意选择，不需要考虑引线长度带来的误差，因此适用于远距离测量。

热敏电阻工作温度范围宽，常温器件适用于-55～+300℃，高温器件适用温度高于315℃，低温器件适用于-273～+55℃。

产品易系列化，便于设计选用。

工作寿命长，而且价格便宜，易加工成复杂的形状，可大批量生产。

1.2 NTC负温度系数热敏电阻传感器
NTC是Negative Temperature Coeff1Cient的英文缩写，所谓NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。

图1-2 负温度系数热敏电阻
1.2.1工作原理
NTC负温度系数热敏电阻是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的。

这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。

温度低时，这些氧化物材料的载流子（电子和孔穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。

NTC热敏电阻器在室温下的变化范围在10O～1000000欧姆，温度系数-2%～-6.5%。

NTC热敏电阻器可广泛应用于温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流、测温、控温、温度补偿等方面。

1.2.2测温范围
NTC负温度系数热敏电阻传感器是温度下降时它的电阻值会升高。

它的使用温度范围一般为-50～+300℃。

环境中作测温用在所有被动式温度传感器中,热敏电阻的灵敏度(即温度每变化1℃时电阻的变化)最高,但热敏电阻的电阻/温度曲线是非线性的。

表1中数据是对Vishay - Dale热敏电阻系列测得的NTC热敏电阻器性能参数。

从数据可以看出: 25℃时阻值为10KΩ的电阻,在0℃时电阻为28. 1KΩ, 60℃时电阻为4. 086KΩ。

与此类似, 25℃时电阻为5KΩ的热敏电阻在0℃时电阻则为14. 050KΩ。

其中电阻值以一个比率形式给出(RT /R25 ) , 该比率表示当前温度下的阻值与25℃时的阻值之比,通常同一系列的热敏电阻器具有类似的特性和相同电阻/温度曲线。

1.2.3温度特性曲线
图2是按表1. 1数据作出的热敏电阻的温度曲线,可以看到电阻/温度曲线是非线性的。

虽然这里的热敏电阻数据以10℃为增量,但有些热敏电阻可以以5℃甚至1℃为增量。

如果想要知道两点之间某一温度下的阻值,可以用这个曲线来估计。

热敏电阻一般有一个误差范围,用来规定样品之间的一致性。

根据使用的材料不同,误差值通常在1%至10%之间。

有些热敏电阻设计成应用时可以互换,用于不能进行现场调节的场合,例如一台仪器,用户或现场工程师只能更换热敏电阻而无法进行校准,这种热敏电阻比普通的精度要高很多,价格也要贵得多。

1.2.4 主要参数
热敏电阻器的参数颇多，主要有标称阻值、B值范围和额定功率。

标称阻值常在热敏电阻上标出。

它是指在基准温度为25℃时的零功率阻值，因此亦作标
称电阻值R25。

B值范围（K）是反映负温度系数热敏电阻器热灵敏度越高。

额定功率是指热敏电阻在环境温度为25℃、相对湿度为45～80%及大气压力为0.87～1.07bar的大气条件下，长期连续负荷所允许的耗散功率。

表2列出了MF11（片状）负温度系数热敏电阻的主要参数。

其中R0、R 分别是环境温度为T0、T(K) 绝对温度时的电阻值。

B是热敏电阻的常数，B常数通常介于2500K至5000K范围内。

为了使用方便，常取环境温度为25℃的温度为参考温度（即T0=25℃）,则负温度系数热敏电阻（NTC）的电阻-温度关系，常用下式表示
R T/R25=expB N(1/T－1/298)
表2 主要参数
2 MF58测温型NTC热敏电阻在电风扇上的应用
回顾电风扇的发展历程，它经历了机械式定时、机械式换挡→电子定时、电子调速→红外线遥控、无级调速以及模拟自然风控制功能等。

随着电子控制技术及传感器元件的发展，人们发明了“温控电扇”。

作为一种老式家电，电风扇具有价格便宜、摆放方便、体积轻巧等特点。

电风扇作为一个成熟的家电行业的一员，尤其在中小城市，以及乡村将来一段时间内仍然会占有市场的大部分份额。

面临庞大的市场需要的同时，也要提高电风扇的市场竞争力，使之在技术含量上有所提高。

为此，在现有市场上多功能电风扇的基础上，我们提出了一种新型的智能电风扇。

智能电风扇中添加了很多人性化的设计，如安全保护，倾倒保护，智能照明等功能，使电风扇更加人性化，相信其丰富的功能，人性化的设计将会大大提高电风扇的市场竞争力。

通过温度智控功能，风扇可以感知环境的温度，以调节风扇的转速，达到更好的工作效果。

可选用MF58测温型NTC热敏电阻传感器来实现电风扇转速的控制。

2 .1 温控式电风扇调速器设计
温控式电风扇调速器，通过传感器，可以感应外界温度，能根据室内温度的高低自动调节电风扇的转速，使用十分方便。

2.1.1 温度控制原理
温控式电风扇调速器电路由稳压电路、多谐振荡器和控制执行电路组成，如图2-2-1所示。

图2-2-1 温控式电风扇调速器电路图
稳压电路由限流电阻器R4、滤波电容器C3和稳压一极管VS组成。

多谐振荡器由时基集成电路IC、电阻器Rl-R3、电容器Cl、C2和热敏电阻器RT组成。

多谐振荡器电路是一种矩形波产生电路，其电路如图2-2-2所示。

这种电路不需要外加触发信号，便能连续地、周期地自行产生矩形脉冲。

该脉冲是有基波和多次谐波构成。

控制执行电路由电阻器R5、晶闸管VT和风扇电动机M组成。

接通电源后，多谐振荡器振荡工作，从IC的3脚输出占空比可调的方波脉冲信号，使VT受触发而导通，驱动风扇电动机M运转。

多谐振荡器的工作频率由R3和C2的数值决定;方波脉冲的占空比由IC第7脚与5脚之间的电位差决定。

当室内环境温度升高时，RT的阻值降低，使IC的5脚电压上升，3脚输出
方波脉冲的占空比提高，VT的导通角增大，风扇电动机M在单位时间内通电时间变长，运行时间延长，转速加快，从而加大风量以达到降温的目的。

反之，当室内环境温度下降时，RT的阻值升高，使IC的5脚电压下降，3脚输出方波脉冲的占空比降低，VT的导通角变小，M在单位时间内通电时司变短，运行时间缩短，转速下降，从而减小风量使室内温度回升。

图2-2-2 多谐振荡器电路
2.1.2元器件选择
Rl-R3和R5选用1/4W碳膜电阻器或金属膜电阻器;R4选用1/2W金属膜电阻器。

RT选用负温度系数的热敏电阻器 (在25℃常温下阻值为lOkΩ，加热至5O℃时阻值降至lkΩ)。

Cl选用耐压值为25V的铝电解电容器;C2和C3选用独石电容器或涤纶电容器。

VS选用lW、9.lV的硅稳压二极管。

VT选用3A、600V的双向晶闸管，例如TLC336A等型号。

IC选用NE555或A555、TLC555型时基集成电路。

2.2 MF58测温型NTC热敏电阻传感器
MF58测温型NTC热敏电阻, 产品由Co、Mn、Ni等过渡金属元素的氧化物组成，经高温烧成半陶瓷，利用半导体毫微米的精密加工工艺，采用玻璃管封装耐温性好，高稳定，可靠性高。

热敏电阻与热电阻相比，其工作寿命长，使用方便，而且价格便宜，易加工成复杂的形状，可大批量生产。

经多方面选择，可将MF58测温型NTC热敏电阻传感器应用于电风扇风速的控制。

图2-1 MF58
MF58系列产品由东莞赛力科技和电路保护有限公司生产。

2.2 1特点
★MF58系列产品为玻璃封装型。

★稳定性好、可靠性高。

★阻值范围宽：0.1～1000 KΩ。

★阻值精度高。

★玻璃封装，可在高温和高湿等恶劣环境下使用。

★体积小，重量轻，结构坚固，便于自动化安装。

★热感应快，灵敏度高。

2.2.2应用范围
★家电应用（电风扇、电饭煲、电烤箱、消毒柜、饮水机、洗碗机、微波炉、电取暖箱等）。

★工业、医疗、环保、气象、食品加工设备。

★手机电池及充电器。

★仪表线圈、集成电路、石英晶体振荡器和热电偶。

2.2.3主要技术参数
★额定功率电阻值范围(R25)：1～1000 KΩ。

★允许偏差：±1﹪、±2﹪、±3﹪、±5﹪、±10﹪。

★B值范围（R25／50℃）：3100～4500K。

★B值允许偏差：±0.5﹪、±1﹪、±2﹪。

★耗散系数：≥2mW／℃（在静止空气中）。

★热时间常数：≤20s（在静止空气中）。

★工作温度范围：-55～+200℃。

2.2.4外型尺寸和型号说明
结束语
通过为期两周的实训，掌握了传感器应用电路的基本设计以及电路板的生成。

了解了温度测试在工业生产和日常生活中的重要作用，掌握了一些常用传感器的性能指标及在测试系统中的使用场合和使用方法，了解了一些基本电路的性能和作用。

NTC热敏电阻传感器是与被测介质接触测量应用系统温度的一种负温度系数测温传感器,是近年来出现的一种新型半导体测温元件,其温度的测量技术和接口电路的研究对于组建测温系统和实现温度自动控制和保护具有重要意义。

温控式智能电风扇人性化的设计贴近生活。

通过通过温度智控功能，风扇可以感知环境的温度，以调节风扇的转速，从而改变外界温度，达到更好的工作效果，使用更加方便。

本次设计实训使我对测控技术与仪器专业有了更深的认识，自己的动手和思考问题的能力有了很大的提高。

即将面临就业，我们应该抓住可以利用的机会，努力提高自己的专业水平，为以后就业打下坚实的基础。

参考文献
[1] 陈书旺，张秀清，懂建彬.传感器应用及电路设计.北京：化学工业出版社，2008.
[2] 赵负图.新型传感器集成电路应用手册.北京：人民邮电出版社，2009.
[3] 王家桢，王俊杰．传感器与变送器．北京：清华大学出版社，2008.
[4] 何希才.传感器及其应用电路．电子工业出版社，2006.
[5] 赵景波，王臣业.Protel 99SE电路设计基础与工程范例.北京：清华大学出版社,2008.
致谢
本文是在任立民、毛翠丽和李珍老师的热情关心和指导下完成的，并得到同学们的帮助和支持，在此一并感谢。