ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 5
ДОСЛІДЖЕННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ термосопротивлений
МЕТА РОБОТИ. Вивчити характеристики і властивості напівпровідникових тер-мосопротівленій. Отримати експериментальні вольт-амперну і температур-ву характеристики для напівпровідникового термосопротів-лення. На підставі отриманих експериментальних характеристик розрахувати характеристику розсіювання.
КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ
Напівпровідникові нелінійні резистори - вироби електронної техніки, основна властивість яких полягає в здатності через міняти своє електричний опір під дією керую-чих факторів: температури, напруги, магнітного поля по нелі-лінійного закону. Нелінійні резистори мають різко виражену вольт-амперну характеристику (ВАХ) і в залежності від парамет-ра, на який вони реагують, називаються терморезисторами, ва-Рісторі і Магніторезістори відповідно. Напівпровідникові термосопротивления (терморезистори, термістори, ПТС) є порівняно новим елементом автоматичних пристроїв, і область їх застосування безперервно розширюється. В даний час ПТС при-змінюються в якості датчиків температури, термокомпенсатором, стабілізаторів напруги, обмежувачів пускового струму в елект-роаппаратуре і т.д.
Матеріалом для виготовлення термосопротивлений зазвичай служать пресовані і обпалені після тонкого подрібнення оксиди або карбіди деяких матеріалів (марганцю, титану, міді, нікелю, ванадію, урану і ін.). Існують так само термосопротивления, через виготовлених з чистих напівпровідникових матеріалів: кремнію, германію та ін.
Форма термисторов найрізноманітніша: циліндри, диски, пло-кі прямокутники, шайби, мініатюрні намистинки і ін. (Рис.5.1 а-в). Робоче тіло напівпровідникового термістора з приєднаними ви-водами покривають шаром лаку або емалі і поміщають в захисний ме-левих або скляний балон, заповнений інертним газом або знаходиться під вакуумом.
Терморезистор класифікують за характером температурного ко-коефіцієнта, способу захистів, конструкції, наявності підігрівальні-го елемента і призначенням.
Скорочена умовне позначення складається з поєднання букв, що позначають підклас резисторів: ТР - терморезистор з отрица-них ТКС, ТРП - терморезистор з позитивним ТКС (позистор).
Цифра, що стоїть після дефіса, означає порядковий номер розроб-лення конкретного типу. Наприклад: ТР-2-33 кОм ± 20% - це термо-резистор з негативним ТКС, порядковий номер розробки - 2, номінальний опір 33 ком, допуск ± 20%.
Мал. 5.1. Зовнішній вигляд і основні розміри терморезисторов
За характером ТКС
тобто він негативний і обернено пропорційний квадрату абсолютної температури (див. рис.5.3).
При значних діапазонах зміни температур, опираючись-ня напівпровідникових термісторів змінюється в сотні і тисячі разів, тоді як для міді зміна опору відбувається в де-сяткі раз. Тому термістори є надзвичайно чувствитель-ними елементами і при відповідній вимірювальної схемою вони реагують на соті і навіть тисячні частки градусів.
Коефіцієнт B зазвичай визначається за двома експериментальним значенням опору ПТС, заміряних при 20 і 100 ° С:
Гідність термисторов - їх високий питомий (до 1000 Ом × см) і загальне електричний опір. Загальна електричний опір значно перевищує опір сполучних про-водів, якими вони підключаються до вторинних вимірювальним при-борів. Тому коливання опору сполучних проводів не вносять істотних похибок в результат вимірювання. Важливою характеристикою ПТС є вольт-амперна характе-ристика) (рис.5.6), вид якої залежить від опору термочувс-твітельного елемента, його конструкції, габаритних розмірів, сте-пені теплової зв'язку між терморезистором і навколишнім середовищем, а також її температури.
Рис.5.6. Вольт-амперні характеристики (ВАХ) терморезисторов
Розглянемо більш докладно ВАХ термістора з негативним ТКС. ВАХ терморезистора характеризується трьома основними ділянками: ОА, АВ і ВС (рис.5.7). При досить малих токах, коли потужність розвивається в ПТС, занадто мала, щоб помітно його нагріти, ви-виконується закон Ома. Тому вольт-амперна характеристика на ділянці ОА лінійна. На ділянці АВ лінійність порушується. З рос-те струму температура терморезистора підвищується, а його опір (внаслідок збільшення числа електронів і дірок проводь-мости в матеріалі напівпровідника) зменшується. При подальшому збільшенні струму на ділянці ВС зменшення опору оказива-ється настільки великим, що збільшення струму не призводить до зміни напруги. Це дозволяє використовувати деякі типи ПТС для стабілізації напруги.
Основним недоліком ПТС є великий розкид температур-них характеристик окремих екземплярів одного і того ж типу. Тому доводиться вдаватися до експериментальному визначенню опорів ПТС при температурах робочого діапазону і по ним будувати температурну характеристику для кожного зразка. Потім ПТС можна використовувати в будь-якій вимірювальної схемою.
На рис.5.7, а показано виникнення релейного ефекту при изме-нении умов навколишнього середовища.
ВАХ I терморезистора відповідає температурі навколишнього середовища Q1, характеристика II - температурі Q2, III - зображує залежність UT = E-IR. При температурі Q1 струм в ланцюзі I1 визначаються-ється абсциссой точки 1 перетину ВАХ терморезистора і характе-ристики III. При підвищенні навколишньої температури від Q1 до Q2 ВАХ терморезистора опускається. При цьому струм спочатку зростає плавно до значення I2 в точці 2, яка відповідає неустой-чівому станом схеми, і далі (при невеликому підвищенні температури) стрибком зростає до I3 в точці 3, де стійко збереженні-вується своє значення при сталості температури. Це явище на-ни опиняються прямим релейним ефектом.
Рис.5.7. Виникнення релейного ефекту при зміні темпера-тури (а)
і при зміні прикладеної напруги (б)
Зменшення температури призводить до плавного зменшення струму до значення I1 в точці 4 і далі - до стрибкоподібного зменшення струму до I1 (точка 1). Це явище називають зворотним релейним еф-фект.
На рис.5.7, б показано виникнення релейного ефекту при изме-нении прикладеної напруги.
При напрузі джерела Е1 режим роботи ланцюга визначається точкою 1. При збільшенні напруги до Е2 робоча точка перехо-дить в положення 2, і досить невеликого збільшення напруги, щоб робоча точка стрибком перемістилася в положення 3, що відповідає різкого збільшення струму від I2 до I3.
Вибір робочої точки термистора при вимірюванні температури можна здійснити по ВАХ (ріс.5.8), де нанесені лінії постійних температур робочого тіла ПТС, які можна розглядати, як лінії постійних статичних опорів. Всі ці лінії є-ються променями, що виходять з початку координат. Тангенс кута нак-лонного променя, що дорівнює статичному опору при даній тим-пературі робочого тіла ПТС, визначається законом Ома.
Дійсно, при протіканні струму через ПТС виділяється теп-ло, температура робочого тіла ПТС стає вище температури навколишнього середовища, а це відповідно до формули (1) веде до зменшення опору ПТС. При досягненні певної крітічес-кой точки В (рис.5.7) цей процес реалізується, що призводить до зменшення падіння напруги на ПТС при збільшенні струму, що йде-го через нього. На цій ділянці характеристики температура рабо-чого тіла ПТС визначається, головним чином, розсіюється мощ-ністю.
Ріс.5.8 Побудова вольт-амперної характеристики
При використанні ПТС в якості вимірників температури ра-бочим ділянкою вольт-амперної характеристики є її линів-ва частина. Однак, у багатьох інших випадках використовується нелі-лінійного частина характеристики (наприклад, в обмежниках пускового струму, стабілізаторах напруги і т.п.).
Для кожної точки вольт-амперної характеристики можуть бути оп-рідшали статичні R і динамічні r опору:
Статичний опір завжди позитивно і убуває з по-щення струму; динамічний опір позитивно при I> Iкр і негативно при I Важливим параметром ПТС є максимально допустима темпе-ратура Qmax і максимально допустимий струм Imax. Для більшості промислових типів ПТС при використанні їх як вимірників тим-ператури максимально допустима температура Qmax = 1200 0 C. Однак, ряд типів має більш високі значення: Qmax = 1800. 3800 0 C. У загальному випадку можна сказати, що при використанні ПТС для інших цілей максимально допустима температура вище, ніж в разі застосування ПТС в якості первинних перетворювачів темпе-ратури. Величину максимально допустимого струму Imax можна знайти з графіка рис.5.7 по перетинанню променя Tmax з кривою вольт-амперної характеристики для даного значення температури навколишнього середовища Qo. У сталому тепловому стані вся потужність, що виділяється в робочому тілі ПТС проходять через нього електричним струмом, розсіюється в навколишнє середовище, що можна описати наступною за-Вісім: де I - струм, що проходить через ПТС, R - опір ПТС, Q - температура навколишнього середовища, Q - температура робочого тіла ПТС в даний момент, b - коефіцієнт розсіювання, чисельно рівний розсіюється-мій потужності в ПТС при перевищенні його температури від температури навколишнього середовища на 1 o С. Коефіцієнт розсіювання залежить від конструктивного виконання ПТС (розмірів, стану поверхні, розмірів струмопровідних частин, матеріалу робочого тіла) і стану навколишнього середовища. Графічне зображення залежності коефіцієнта розсіювання від перегріву робочого тіла ПТС називають характеристикою розсіювання. Ця характеристика незмінна для всіх екземплярів одного і того ж типу. Характеристика розсіювання може бути обчислена з рівняння (6) з відомим температурної і вольт-амперної характеристикам: де (Q - Q0) - перегрів ПТС. І, навпаки, на підставі рівняння (6) можна розрахувати вольт-амперну характеристику по заданих температурної характеристиці і характеристиці розсіювання. Динамічні процеси в ланцюзі ПТС визначаються диференціальних-ним рівнянням: де - теплоємність ПТС, t - постійна часу. Диференціальне рівняння (8) нелінійно і вирішується зазвичай графічним методом. Основним параметром, що характеризує динаміку процесу, є-ється постійна часу t. Експериментально постійну часу оцінюють за часом, протягом якого опір попередньо-тельно розігрітого ПТС знижується до 0.37 від початкової величини.
Схожі статті