Исследование свойств терморезисторов. Цель работы а определение зависимости сопротивления терморезисторов от температуры б определение энергии активации и коэффициента температурной чувствительности полупроводника в оценка величины постоянной времени тепловой инерции терморезисторов г построение динамических вольтамперных характеристик терморезисторов. 1. Краткие сведения из теорииТерморезистором называется полупроводниковый резистор, сопротивление которого в сильной степени зависит от температуры.
Удельная электрическая проводимость полупроводников , 2.1 где - концентрация подвижность электронов и дырок соответственно.
В примесных n-типа или p-типа полупроводниках одним из слагаемых в приведенном выражении можно пренебречь.
Подвижность носителей при нагревании изменяется сравнительно слабо по степенному закону а концентрация очень сильно по экспоненциальному закону Поэтому температурная зависимость удельной проводимости полупроводников подобна температурной зависимости концентрации основных носителей, а электрическое сопротивление терморезисторов может быть определено по формуле 2.2 где Nо - коэффициент, зависящий от типа и геометрических размеров полупроводника Э - энергия активации примесей для примесных полупроводников или ширина запрещенной зоны для собственных полупроводников, k - постоянная Больцмана. постоянная В Э k носит название коэффициент температурной чувствительности и приводится в паспортных данных на терморезистор. экспериментально коэффициент температурной чувствительности определяют по формуле 2.3 где Т1 и Т2 - исходная и конечная температуры рабочего температурного диапазона, R1 и R2 - сопротивления терморезистора при температуре соответственно Т1 и Т2. На рис. 2.1 приведен график зависимости сопротивления полупроводникового резистора от температуры. Чаще всего терморезисторы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления R. Выпускаются также терморезисторы, имеющие в сравнительно узком интервале температур положительный R и называемые позисторами.
При нагревании величина сопротивления терморезисторов убывает, а позисторов возрастает в сотни и тысячи раз. В справочниках значение R приводится для температуры 20 оС. Значения R терморезисторов для любой температуры в диапазоне 20 150 оС можно определить по формуле 2.4 терморезистор характеризуется определенной тепловой инерцией, зависящей от химических свойств полупроводника и конструкции элемента площади излучающей поверхности. Тепловая инерция оценивается постоянной времени - временем, за которое разность между собственной температурой тела и температурой среды уменьшается в е 2,7183 раз. Если терморезистор, имеющий температуру о, поместить в среду с температурой со, то его температура будет изменяться с течением времени по показательному закону . 2.5 На рис.2.2 показан процесс изменения температуры терморезистора при его остывании.
С остыванием терморезистора сопротивление его увеличивается рис. 2.3 . Знание зависимостей R рис.2.1 и R t рис. 2.3 позволяет, задаваясь значениями R и определяя по кривым рис. 2.1 и 2.3 соответствующие им значения и t, построить зависимость t и определить. Различают статическую и динамическую вольтамперные характеристики ВАХ терморезистора.
При снятии статической ВАХ ток фиксируется после длительной выдержки терморезистора при каждом значении напряжения.
Динамическая ВАХ показывает реакцию терморезистора на воздействие импульсов напряжения разной величины, но одинаковой длительности. ток фиксируется в конце импульса.
Терморезистор обладает одной статической и семейством динамических ВАХ, соответствующих ряду фиксированных длительностей t импульсов напряжения.
ВАХ терморезистора являются нелинейными. динамические ВАХ терморезистора приведены на рис. 2.4. При длительности импульса терморезистор не успевает нагреться и сопротивление его практически не изменяется с ростом напряжения. При длительности терморезистор нагревается, и ВАХ становится существенно нелинейной. Чем больше длительность импульса, тем больше ток при одной и той же величине напряжения.
Статическая ВАХ соответствует . 2. Описание экспериментальной установкиЭксперимент проводится на установке аналогичной изображенной на рис.1.3. терморезистор помещается в термостат, температура внутри которого измеряется термометром или термопарой. Сопротивление резистора измеряется омметром. снятие вольтамперных характеристик выполняется по схеме, приведенной на рис. 2.5. Измерительной цепь питается от источника постоянного регулируемого напряжения ИП со встроенным вольтметром V. Ток через терморезистор измеряется миллиамперметром. 3. Порядок выполнения работы.3.1. снятие зависимости R сопротивления терморезистора от температуры.
Включить термостат, электронный термометр и омметр. Измерить сопротивление терморезистора при различных температурах - от комнатной до максимальной, равной 90 С, с интервалом 10 С. Результаты опыта занести в табл. 2.1. Таблица 2.1 Опыт Расчет Примечание R Т R oC Ом К град l 20 90 Терморезистор типа 3.2. определение тепловой постоянной времени терморезистора.
Измерив сопротивление терморезистора при 90 С, быстро извлечь его из термостата. Момент извлечения принять за t 0. Отключить термостат. фиксируя время, измерять сопротивление терморезистора при его остывании до тех пор, пока оно не увеличится примерно в три раза. Данные измерений занести в табл. 2.2. Таблица 2.2 t с 0 10 20 30 40 50 60 70 и т. д. R Ом 3.3. Снятие динамических вольтамперных характеристик Собрать электрическую схему установки в соответствии с рис. 2.5. Установить напряжение на выходе источника питания ИП равное 5В. Замкнув ключ К, записать показания миллиамперметра в начальный момент времени и далее через каждые 10 секунд.
Через 60 с ключ разомкнуть. Перед следующим измерением выдержать минутную паузу для охлаждения терморезистора. Повторить измерения для напряжений 10, 15, 20, 25, 30 В длительность паузы с ростом напряжения следует увеличивать. Результаты опыта занести в табл. 2.3. Таблица 2.3 U, В i мА через с t 0 10 20 30 40 50 60 Примечание 5 Тип резистора 10 30 4. Оформление отчета1. Привести схемы экспериментальных установок, данные измерительных приборов и исследуемых элементов, а также таблицы измерений. 2. Для исследованного температурного диапазона определить по формулам 2.2 и 2.3 энергию активации Э и коэффициент температурной чувствительности В терморезистора. 3. Рассчитать по формуле 2.4 и занести в табл. 2.1 значения R. по данным табл. 2.1 построить графики зависимостей R f и R f . 4. на основании данных табл. 2.1 и 2.2. построить график зависимости t. Определить постоянную времени тепловой инерции терморезистора. За температуру среды с принять комнатную температуру. 5. по данным табл. 2.3 построить динамические вольтамперные характеристики терморезистора. 6. дать краткие выводы по результатам работы.
Контрольные вопросы1. Что называют терморезистором? 2. Чем обусловлена электропроводность полупроводников? 3. В чем причина сильной температурной зависимости сопротивления полупроводниковых резисторов? 4. Что такое коэффициент температурной чувствительности, как его можно определить экспериментально? 5. Почему терморезисторы обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления? 6. Что такое постоянная времени терморезистора, отчего зависит ее величина? 7. Как практически можно определить постоянную времени терморезистора? 8. В чем различие между статической и динамической ВАХ терморезистора?