Badanie półprzewodnikowych elementów bezzłączowych

Transkrypt

1 Instrukcja do ćwiczenia: Badanie półprzewodnikowych elementów bezzłączowych (wersja robocza) Laboratorium Elektroenergetyki 1

2 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

3 Termistory NTC mają duży ujemny współczynnik temperaturowy rezystancji. Ich rezystancja znacznie maleje wraz ze wzrostem temperatury zgodnie z przybliżoną zależnością: 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: (1) 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. (2) 3

4 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 25 0 C. Warystory wykorzystywane są do ochrony przeciw przepięciowej (zabezpieczenia przed krótkimi przepięciami, które powstają podczas burz lub podczas przełączenia obciążeń o charakterze indukcyjnym. 4

5 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

6 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

7 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