Badanie półprzewodnikowych elementów bezzłączowych

Szkoła Główna Służby Pożarniczej w Warszawie
Wydział Inżynierii Bezpieczeństwa Pożarowego
Instrukcja do ćwiczenia:
Badanie półprzewodnikowych elementów
bezzłączowych
(wersja robocza)
Laboratorium Elektroenergetyki
1
Autor: Piotr Kustra
Aktualizacja: 2016-12-15
Szkoła Główna Służby Pożarniczej w Warszawie
Wydział Inżynierii Bezpieczeństwa Pożarowego
1. Cel ćwiczenia.



Celem ćwiczenia jest:
Poznanie podstawowych właściwości i parametrów bezzłączowych elementów
półprzewodnikowych takich jak termistory NTC, PTC, CTR i warystory.
Zapoznanie się z kartami katalogowymi wybranych elementów (przed ćwiczeniem na
bazie informacji uzyskanych z Internetu – uzupełnić tabelę w protokole).
Pomiar statycznych charakterystyk prądowo-napięciowych oraz charakterystyk
temperaturowych wybranych elementów bezzłączowych: warystor WA 07N0022K;
termistor MF5A-3 (2,2 kΩ).
2. Podstawowe wiadomości na temat półprzewodników bezzłączowych.
Termistory są to elementy półprzewodnikowe bezzłączowe, których rezystancja nie
jest wielkością stałą, lecz silnie reaguje na zmiany temperatury.
Wyróżnia się trzy typy termistorów:
NTC (Negative Temperature Coefficent) - termistory o ujemnym współczynniku
temperaturowym rezystancji;
PTC (Positive Temperature Coefficent) - termistory o dodatnim współczynniku
temperaturowym rezystancji;
CTR (Critical Temperature Resistor) - termistory o rezystancji zmieniającej się skokowo.
Wykonuje się je z tlenków: manganu, niklu, miedzi, wanadu i litu. Od rodzaju
i proporcji użytych tlenków zależą właściwości termistora.
Rys. 1. Symbol graficzny termistora (nieliniowego rezystora) i sam termistor.
Termistory są wykorzystywane do pomiaru temperatury. Są one dużo bardziej czułe
niż termometry z czujnikiem oporowym, poza tym wyróżniają się bardzo małymi wymiarami
(np. kulka o średnicy 1 mm). W termistorowych układach regulacji i stabilizacji temperatury,
uzyskuje się ponadto dużą czułość przy jednoczesnej prostocie układu.
Rys. 2. Przykładowe charakterystyki rezystancji w funkcji temperatury termistorów.
2
Autor: Piotr Kustra
Aktualizacja: 2016-12-15
Szkoła Główna Służby Pożarniczej w Warszawie
Wydział Inżynierii Bezpieczeństwa Pożarowego
Termistory NTC mają duży ujemny współczynnik temperaturowy rezystancji. Ich
rezystancja znacznie maleje wraz ze wzrostem temperatury zgodnie z przybliżoną
zależnością:
(1)
gdzie: RT- rezystancja termistora w temperaturze T; B – stała materiałowa; T –
temperatura bezwzględna wyrażona w Kelvinach; RT0 – rezystancja znamionowa termistora
podana dla temperatury T0 równej 25°C czyli 298 K;
Temperaturowy współczynnik rezystancji dla termistorów NTC przyjmuje wartości
ujemne. Warto zauważyć że w temperaturze 25°C moduł tego współczynnika (równego ok. 4%
/ K) jest ponad 10 razy większy od współczynnika temperaturowego metali. Termistory
składają się z mieszaniny tlenków metali i utlenionych kryształów spiekanych z dodatkiem
materiału wiążącego. Mogą mieć różne kształty w zależności od zastosowania. Termistory
o nagrzewaniu zewnętrznym używane są jako termistory pomiarowe np. do pomiaru lub
regulacji temperatury.
Termistory PTC mają w określonym zakresie temperatur bardzo duży dodatni
współczynnik temperaturowy rezystancji. W tym zakresie ich rezystancja znacznie wzrasta
podczas nagrzewania. Dla tego zakresu charakterystyka rezystancyjno-temperaturowa jest
opisana przybliżoną zależnością:
(2)
gdzie: A, B ,C – stałe materiałowe.
Wartości współczynnika temperaturowego rezystancji wahają się w granicach od
kilku do kilkudziesięciu[ %/K ].
Termistory PTC są ceramicznymi półprzewodnikami zawierającymi żelazo. Termistory
PTC zrobione są ze spiekanego tytanku baru z dodatkiem tlenków i soli metali. Termistory
o nagrzewaniu zewnętrznym stosowane są m.in. do pomiaru temperatur w niewielkim
przedziale albo jako termiczne zabezpieczenia przed przeciążeniem. Termistory PTC
o nagrzewaniu wewnętrznym nadają się na czujniki poziomu cieczy oraz służą do stabilizacji
natężenia prądu.
Termistory CTR charakteryzują się szybką, praktycznie skokową zmianą rezystancji
w bardzo wąskim przedziale temperatur (rzędu pojedynczych K) wokół temperatury
krytycznej. Spadek rezystancji w tym przedziale temperatur może osiągnąć nawet pięć rzędów
wielkości. Wartość temperatury krytycznej zależy przede wszystkim od materiału z którego
wykonano termistor. Produkowane są termistory CTR o temperaturach od 35°C do 80°C.
Termistory te mogą być stosowane w układach zabezpieczeń do sygnalizacji temperatury
krytycznej w chronionej aparaturze.
3
Autor: Piotr Kustra
Aktualizacja: 2016-12-15
Szkoła Główna Służby Pożarniczej w Warszawie
Wydział Inżynierii Bezpieczeństwa Pożarowego
Rys. 3. Przykładowe charakterystyki napięciowo – prądowe termistorów NTC (a) oraz PTC (b).
Warystory są nieliniowymi rezystorami, których rezystancja maleje wraz ze wzrostem
doprowadzonego do nich napięcia. Do produkcji warystorów wykorzystuje się tlenek cynku
(ZnO) z dodatkiem tlenków bizmutu, manganu, chromu oraz tlenków innych metali.
Charakterystyka prądowo-napięciowa warystorów cynkowych opisana jest zależnością:
𝐼 = 𝑘𝑈 𝛼
gdzie: U - napięcie na warystorze, I -prąd płynący przez warystor, α - współczynnik
nieliniowości, k - stała, zależna od wymiarów warystora i właściwości materiałowych.
Rys. 4. Zależność I=f(U) (charakterystyka prądowo – napięciowa) warystora ZnO jako elementu
zabezpieczenia przeciwprzepięciowego.
W zakresie niskich napięć (prądów) rezystancja warystora osiąga wartość dziesiątków
MΩ, zaś w zakresie działania (duże wartości prądu) spada nawet do ułamków Ω. Napięcie
znamionowe warystora (UV) jest równe spadkowi napięcia na warystorze podczas
przepływu przez niego prądu o określonej wartości (np. 1mA lub 10mA) w temperaturze
otoczenia 250C.
Warystory wykorzystywane są do ochrony przeciw przepięciowej (zabezpieczenia
przed krótkimi przepięciami, które powstają podczas burz lub podczas przełączenia obciążeń
o charakterze indukcyjnym.
4
Autor: Piotr Kustra
Aktualizacja: 2016-12-15
Szkoła Główna Służby Pożarniczej w Warszawie
Wydział Inżynierii Bezpieczeństwa Pożarowego
3. Przebieg ćwiczenia
Przed rozpoczęciem ćwiczenia konieczne jest wypełnienie tabeli danych
katalogowych warystora (tabela w protokole).
W pierwszej kolejności wyznaczane będą charakterystyki napięciowo – prądowe
warystora. W tym celu należy złożyć obwód przedstawiony na rysunku 5.
Rys. 5. Schemat do wyznaczenia charakterystyki napięciowo – prądowej warystora oraz do
obserwacji przebiegów napięciowych.
UWAGA: Do pomiarów spadku napięcia na rezystorze R należy użyć miernika o zakresie
pomiarowym 200 V.
UWAGA: Do pomiarów spadku napięcia na warystorze należy użyć woltomierza o zakresie
pomiarowym 20 V.
UWAGA: W celu obserwacji przebiegów napięcia, należy sprawdzić, czy oscyloskop ustawiony
jest na kanał 20 V (regulacja przyciskami „V” i „mV” na dole klawiatury).
Kolejnym krokiem jest wyznaczenie charakterystyki rezystancyjno – temperaturowej
(rezystancja w funkcji temperatury) termistora. W tym celu należy złożyć obwód pomiarowy
przedstawiony poniżej. Na płycie grzejnej ustawionej na 25°C należy umieścić termistor 2,2 kΩ
(zamontowany na stałe w styropianowym pojemniku). Wewnątrz pojemnika znajduje się
termopara. Należy dokonywać odczytów temperatury z miernika (rzeczywista temperatura
w pobliżu termistora). Jednocześnie należy odczytywać z multimetru wartość rezystancji
w podanych w protokole krokach.
5
Autor: Piotr Kustra
Aktualizacja: 2016-12-15
Szkoła Główna Służby Pożarniczej w Warszawie
Wydział Inżynierii Bezpieczeństwa Pożarowego
Rys. 6. Schemat układu do wyznaczenia charakterystyki rezystancji w funkcji temperatury
termistora NTC.
UWAGA: W związku z dużą mocą płyty i dużą bezwładnością termiczną, odczytów rezystancji
należy dokonywać dla określonych pomiarem temperatury WEWNĄTRZ osłony wartości.
Nastawy temperatury płyty grzejnej należy traktować jako orientacyjne.
W trzeciej części ćwiczenia wyznaczane będą charakterystyki napięciowo – prądowe
termistora NTC. Dla pewnej wartości natężenia prądu płynącego przez termistor, będzie się
on nagrzewał, co wpłynie na wartość rezystancji. W celu wyznaczenia charakterystyki, należy
podłączyć poniższy układ pomiarowy.
Rys. 7. Schemat obwodu do wyznaczania charakterystyki napięcia w funkcji prądu termistora NTC.
4. Opracowanie wyników




Uzupełnić tabelki o wymagane obliczenia.
Na podstawie części pierwszej ćwiczenia wykreślić charakterystykę I = f (UW). W tym
celu z prawa Ohma wyznaczyć natężenie prądu płynącego w obwodzie (na podstawie
spadku napięcia na oporności R).
Naszkicować przebiegi napięcia zaobserwowane dla napięcia skutecznego UW = 12 V
AC oraz dla UW = 18,5 V AC. Na wykresach zaznaczyć dane z tabeli.
Uzupełnić tabelę danych katalogowych badanego warystora i termistora (na
podstawie katalogów producentów).
6
Autor: Piotr Kustra
Aktualizacja: 2016-12-15
Szkoła Główna Służby Pożarniczej w Warszawie
Wydział Inżynierii Bezpieczeństwa Pożarowego



Bazując na części drugiej pomiarów, wykreślić charakterystyki rezystancji w funkcji
temperatury termistora.
Na podstawie części trzeciej ćwiczenia wyznaczyć charakterystykę I = f (UT).
UWAGA: charakterystyki rysować na papierze milimetrowym!
5. Zagadnienia i pytania kontrolne






Co to takiego jest termistor i jaki sposób działa?
Opisz różnice pomiędzy termistorami PTC, NTC, CTR.
Naszkicuj przykładowe charakterystyki rezystancji w funkcji temperatury termistorów
PTC, NTC i CTR.
Podaj przykłady zastosowań termistora oraz warystora.
Opisz czym jest i do czego służy warystor.
Narysuj charakterystykę napięciowo – prądową warystora
7
Autor: Piotr Kustra
Aktualizacja: 2016-12-15