Badanie półprzewodnikowych elementów bezzłączowych
Transkrypt
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