POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA w Kielcach WYDZIAŁ MECHATRONIKI I BUDOWY MASZYN KATEDRA URZĄDZEŃ MECHATRONICZNYCH LABORATORIUM FIZYKI INSTRUKCJA

Transkrypt

1 POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA w Kielcach WYDZIAŁ MECHATRONIKI I BUDOWY MASZYN KATEDRA URZĄDZEŃ MECHATRONICZNYCH LABORATORIUM FIZYKI INSTRUKCJA ĆWICZENIE LABORATORYJNE NR 6 Temat: Pomiar zależności oporu półprzewodników od temperatury Opracował: dr inż. Paweł Łaski dr Jakub Takosoglu Kielce 2011

2 1. Wstęp Temperaturowy współczynnik rezystancji (α lub TWR) to względna zmiana rezystancji danego materiału przy zmianie temperatury o 1 K, wyrażona w 1/K. W elektronice stosuje się między innymi rezystory wykonane ze specjalnych stopów metali o małym α, jak manganin czy konstantan oraz elementy półprzewodnikowe (termistory) o dużym, ujemnym (termistor NTC) lub dodatnim (termistor PTC) współczynniku temperaturowym α. W termistorach NTC (ang. negative temperature coefficient) wzrost temperatury powoduje zmniejszanie się rezystancji. W termistorach PTC (tzw. pozystor) (ang. positive temperature coefficient) wzrost temperatury powoduje wzrost rezystancji. Istnieją jeszcze termistory CTR o skokowej zmianie rezystancji (ang. critical temperature resistor), w których wzrost temperatury powyżej określonej powoduje gwałtowną zmianę wzrost lub spadek rezystancji. W termistorach polimerowych następuje szybki wzrost rezystancji (bezpieczniki polimerowe), a w ceramicznych, zawierających związki baru, spadek. Dla termistorów PTC współczynnik α jest większy od zera, natomiast dla NTC mniejszy od zera. Zależność rezystancji od temperatury jest dla większości metali w przybliżeniu liniowa i dla szerokiego przedziału temperatur prawdziwy jest wzór: gdzie: R T rezystancja w temperaturze T [Ω], R 0 rezystancja w temperaturze odniesienia T 0 [Ω], α temperaturowy współczynnik rezystancji [1/K], ΔT zmiana temperatury równa T-T 0 [K]., (1) W tabeli 1 zebrano wartości temperaturowego współczynnika rezystancji dla wybranych metali. Tabela 1. Wartości temperaturowego współczynnika rezystancji dla metali Materiał Żelazo Wolfram Glin Miedź Srebro Platyna Manganin Konstantan α [1/K] 6, , , , , , Dla elementów półprzewodnikowych, takich jak termistory, zależność rezystancji od temperatury jest uwarunkowana głównie zależnością koncentracji nośników od temperatury. Jest to zależność wykładnicza:, (2) gdzie: R T rezystancja w temperaturze T [Ω], R rezystancja w temperaturze T= stała termistora, zależna od właściwości fizycznych półprzewodnika oraz od wymiarów termistora [Ω], W g szerokość pasma wzbronionego [ev], k stała Boltzmanna [ev/k]. Logarytmując stronami powyższe równanie otrzymujemy:

3 , (3) gdzie:, (4) jest stałą materiałową. Współczynnik temperaturowy oporu termistora zdefiniowany jest wzorem:. (5) Z zależności R T od T otrzymujemy: tak więc:, (6). (7) Na rys. 1 przedstawiono zależność oporu termistora NTC od temperatury R=f(T) natomiast na rys. 2 wykres zależności oporu termistora NTC od odwrotności temperatury lnr T =f(1/t). Rys. 1. Zależność termistora NTC od temperatury R=f(T)

4 8 lnr T [W] lnr B 1/T [1/K] Rys. 2. Zależność termistora NTC od odwrotności temperatury lnr T =f(1/t) Z wyrażenia (3) widać, że wykres lnr T =f(1/t) (rys. 2) jest linią prostą opisaną równaniem y=ax+b. W związku z tym można określić parametry termistora poprzez metodę regresji liniowej wyznaczając nachylenie a oraz przesunięcie b. Parametry termistora wyznacza się oznaczając: y=lnr T ; x=1/t; a=b; b=lnr. Znając parametry termistora można obliczyć współczynnik temperaturowy termistora opisany równaniem (7). 2. Zadanie laboratoryjne Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest pomiar oporu elektrycznego półprzewodnika w funkcji temperatury oraz wyznaczenie temperaturowego współczynnika rezystancji (oporu) półprzewodnika. Opis układu pomiarowego: Na rys. 3 przedstawiono widok ogólny stanowiska laboratoryjnego. Rys. 3. Widok ogólny stanowiska laboratoryjnego: 1 pokrywa odbiornik ciepła, 2 przetworniki pomiarowe, 3 płyta grzejna 4, 5 cyfrowe mierniki oporności, 6 wyłącznik podstawy grzejnej.

5 Jako czujnik temperatury zastosowano rezystancyjny czujnik temperatury typu KTY przedstawiony na rys. 4. Rys. 4. Widok ogólny rezystancyjnego czujnika temperatury KTY W tabeli przedstawiono dane katalogowe czujnika, natomiast na rys. 5 wykres zależności rezystancji czujnika w funkcji temperatury R=f(T). Tabela 1. Dane katalogowe czujnika temperatury Rezystancja [W] Temperatura [C]

6 temperatura [ C] y = 0,0587x - 99, rezystancja [W] Rys. 5 Wykres zależności rezystancji czujnika w funkcji temperatury R=f(T). Na rys. 6a i 6b przedstawiono widok ogólny badanych termistorów. Rys. 6. Widok ogólny badanych termistorów: a) termistor 4,7 kw, b) termistor 10 kw Stanowisko laboratoryjne składa się z następujących elementów: 1. Cyfrowe omomierze, służące do pomiaru rezystancji czujnika temperatury oraz półprzewodników (termistorów). 2. Płyta grzejna z włącznikiem. 3. Pokrywa, która stanowi odbiornik ciepła. 4. Rezystancyjny czujnik temperatury. 5. Dwa badane półprzewodniki o wartości rezystancji 4,7 kω oraz 10 kω. Przebieg ćwiczenia: 1. Podłączyć badany półprzewodnik (termistor) do cyfrowego omomierza DIGITAL MULTIMETER Ustawić rodzaj mierzonej wielkości na R oraz zakres pomiarowy 20 kω. 2. Podłączyć rezystancyjny czujnik temperatury do drugiego multimetru.

7 3. Zanotować w tabeli pomiarowej wartość początkową rezystancji czujnika oraz termistora. 4. Włączyć płytę grzewczą i notować w tabeli pomiarowej zmiany rezystancji czujnika i termistora. 5. Pomiary prowadzić do momentu ustalenia się rezystancji. 6. Temperaturę określić wykorzystując regresję liniową y=0,58x-99,11 przedstawioną na wykresie (rys. 5), gdzie y=r, x=t. 7. Przedstawić graficznie zależność R T =f(t), lnr T =f(1/t) dla badanych termistorów. 8. Metodą regresji liniowej wyznaczyć parametry a i b dla wykresu lnr T =f(1/t). 9. Obliczyć stałe R, B, T dla badanych termistorów. 10. Określić rodzaj termistorów czy jest to termistor NTC czy PTC. Błędy pomiarowe: Niepewność wyznaczenia parametrów a i b dla regresji liniowej oszacować w dowolny sposób przyjmując, R=0,01 kw. Tabela pomiarowa: R czujnik R T R lnr T T 1/T B R T kw kw kw kw C 1/ C C kw 1/ C