Лабораторная работа № 2 Исследование характеристик термисторов и позисторов

Цель работы – ознакомление с характеристиками нелинейных полупроводниковых резисторов – терморезисторов.

Основные сведения о терморезисторах

В работе исследуются температурные характеристики полупроводниковых терморезисторов с отрицательным ТКС (Negative Temperature Coefficient – NTC-термисторы или просто термисторы) и положительным ТКС (Positive Temperature Coefficient – PTC-термисторы или позисторы).

Термисторы состоят из поликристаллической смеси различных спеченных оксидов (например, Fе₂O₃, Zn₂TiO₄, MgCr₂O₄ и TiO₂), сверху компоненты покрываются защитной стеклоэмалью. Они характеризуются сильно падающей монотонной зависимостью сопротивления от температуры. Эта зависимость описывается следующим выражением:

, (2.1)

где R_T – сопротивление термистора при текущей температуре T; R₀ – номинальное сопротивление термистора, указываемое для температуры T₀, равной +25°C или 298 K; B – постоянная, зависящая от материала резистора (значение B обычно лежит в пределах от 1000 до 6000 K). Характер зависимости сопротивления термистора от температуры иллюстрируется рис. 2.1.

Рис. 2.1. Типовые температурные зависимости термисторов

По определению, температурный коэффициент сопротивления любого резистора находится по формуле (1.1). Если подставить (2.1) в (1.1) и взять производную, то получим следующее выражение для ТКС NTC-термистора:

. (2.2)

При использовании данной формулы следует помнить, что В и Т выражаются в кельвинах. Из (2.2) следует, что _Т термистора не является константой, а зависит от температуры (это отражено в обозначении _Т вместо _R). Во всей области рабочих температур (обычно от –55 до +155°С) абсолютное значение _Т термисторов оказывается в десятки раз большим, чем у линейных постоянных резисторов. Термисторы широко используются в системах автоматики как датчики температуры и в устройствах компенсации температурного дрейфа выходных сигналов усилителей.

Позисторы обычно изготавливаются на основе поликристаллической керамики из титаната бария (BaTiO₃), легированной различными примесями. Сопротивление позисторов на несколько порядков возрастает после превышения их температуры над некоторым значением (T_ref), что связано с фазовым переходом из сегнетоэлектрического состояния в параэлектрическое (рис. 2.2). Масштаб по оси ординат принято отображать логарифмическим, поскольку рост сопротивления от температуры носит почти экспоненциальный характер.

Рис. 2.2 Типовая температурная зависимость позистора

В области резкого увеличения сопротивления _Т позистора приблизительно постоянен. Тогда, если на этом участке известны два значения сопротивления, например, R₁ и R₂, которые соответствуют двум температурам Т₁ и Т₂, то для _Т будет справедливо:

. (2.3)

В пределах этого температурного диапазона, зная сопротивление для некоторой температуры, можно рассчитать, каким станет сопротивление при другой температуре:

(2.4)

С помощью формулы (2.4) может быть рассчитано сопротивление позистора для выбранной температуры на основании его справочных данных. В этом случае вместо сопротивления R₁ и температуры T₁ используют R_ref и T_ref соответственно. Позисторы нашли широкое применение в схемах ограничения тока, а также как высокочувствительные датчики температуры.

Порядок выполнения исследований

1. Включить стенд и мультиметры, установить мультиметр DT890B+ в необходимый диапазон измерения сопротивления (в зависимости от номинала термистора), а мультиметр M890C+ – в диапазон измерений температуры, записать его показания в протокол.

2. Поместить термистор B57045 (R₀= 10 кОм или 1 кОм) нагревательный элемент, собрать схему в соответствии с рис. 1.2. Включить нагревательный элемент. Снять зависимость сопротивления термистора от комнатной температуры до температуры 80 ^оС. Результаты исследований занести в протокол.

3. Повторить измерения для термистора B57164 (R₀= 2 кОм).

4. Заменить термистор на позистор и повторить измерения по п. 3, нагревая его до температуры 90 ^оС (изменять диапазон мультиметра в зависимости от роста сопротивления). Результаты исследований занести в протокол.

5. Для измерения вольтамперной характеристики позистора в режиме саморазогрева собрать схему в соответствии с рис. 2.3.

Рис. 2.3. Схема измерения ВАХ позистора

6. Постепенно увеличивая напряжение источника питания от 0 до 20 В, снять зависимость тока, протекающего через позистор, от подаваемого на него напряжения. Результаты исследований занести в протокол.

Содержание отчета

1. Цель работы, схемы измерений (рис. 1.3, а и рис. 2.3).

2. Заполненная для каждого термистора таблица 2.1, в которую должны быть внесены результаты расчета _Т. Значения _Т рассчитываются по данным соседних столбцов таблицы с помощью формулы (1.1). Т и R_T каждого столбца (кроме первого и последнего) участвуют в расчетах дважды как левая и правая границы выделяемых интервалов.

Таблица 2.1

Исследование температурной зависимости сопротивления термистора

Температура T, °С	Комн.	30	40	…	…	80
Температура T, К
Сопротивление RT, _Ом
Т, ppm/K

3. Графики зависимости сопротивления термисторов от температуры.

4. Заполненная для позистора таблица 2.2, в которую должны быть внесены результаты расчета _Т для диапазонов от комнатной температуры до 90^оС, а также рассчитанное экстраполированное значение температуры при 125^оС. Расчет _Т производится по (2.3) для возрастающей ветви зависимости. На основании рассчитанного значения _Т с помощью (2.4) производится экстраполяция графика до температуры 125°С.

Таблица 2.2

Исследование температурной зависимости сопротивления позистора

Температура T, °С	Комн.	30	40	…	90	125
Температура T, К
Сопротивление RT, Ом
T, ppm/°С

5. График зависимости сопротивления позистора от температуры (для оптимального отображения хода зависимости целесообразно по оси R(T) использовать логарифмическую шкалу).

6. Заполненная таблица 2.3, в которую должны быть внесены результаты измерения вольтамперной характеристики позистора в режиме саморазогрева.

Таблица 2.3

Результаты исследования вольтамперной характеристики позистора

Напряжение U, B	0	1	2	…	…	20
Ток I, мА	0

7. График вольтамперной характеристики позистора.

8. Выводы (с анализом полученных характеристик, описанием соответствия этих характеристик теории, причины отличий).