Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Automatyki i Elektroniki Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu: ELEMENY ELEKONICZNE S1C300 018 BIAŁYSOK 2013
1. CEL I ZAKES ĆWICZENIA LABOAOYJNEGO Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest: poznanie podstawowych właściwości i parametrów bezzłączowych elementów półprzewodnikowych, takich jak: termistory (NC, PC i C), warystory i hallotrony; zapoznanie się z kartami katalogowymi badanych elementów; pomiar statycznych charakterystyk prądowo-napięciowych oraz charakterystyk temperaturowych elementów bezzłączowych; poznanie wybranych zastosowań badanych elementów półprzewodnikowych. Szczegółowy zakres ćwiczenia oraz typy i symbole badanych elementów podaje prowadzący na początku ćwiczenia. 2. WYPOSAŻENIE SANOWISKA POMIAOWEGO makiety uniwersalne, przedstawione na rys.1 i rys. 2; uniwersalna płyta łączeniowa GL-12F z przewodami łączeniowymi; regulowany zasilacz laboratoryjny HM7042 (2x 0 32 V/0 2 A + 1x 0 5,5 V/0 5 A); oscyloskop cyfrowy; generator funkcyjny; multimetry uniwersalne. Pozostałe przyrządy pomiarowe będą dostępne w zależności od potrzeb. a) 2
b) ys. 1 Dwa rodzaje makiet uniwersalnych do badania elementów bezzłączowych skala 1:1 (Oznaczenia: szare kółka gniazda bananowe 2mm, czarne prostokąty miniaturowe listwy łączeniowe do mocowania elementów z dwoma lub trzema zaciskami śrubowymi) 3. BADANE ELEMENY 3.1 ermistory ermistory są to elementy półprzewodnikowe bezzłączowe, których rezystancja nie jest wielkością stałą, lecz silnie reaguje na zmiany temperatury. Wyróżnia się trzy typy termistorów: NC (Negative emperature Coefficent) - termistory o ujemnym współczynniku temperaturowym rezystancji; PC (Positive emperature Coefficent) - termistory o dodatnim współczynniku temperaturowym rezystancji; C (Critical emperature esistor) - termistory o rezystancji zmieniającej się skokowo. C PC NC ys.2 Poglądowe charakterystyki rezystancyjno-temperaturowe termistorów 3
U U NC PC I I ys.3 Poglądowe charakterystyki prądowo - napięciowe termistorów NC i PC 3.1.1 ermistory NC ezystancja termistora NC zmniejsza się ze wzrostem temperatury zgodnie z przybliżoną zależnością: B = A e (1) gdzie: rezystancja termistora w temperaturze, A i B stałe materiałowe, - temperatura bezwzględna wyrażona w stopniach Kelvina. W praktyce najczęściej znana jest rezystancja znamionowa termistora 0 podana dla temperatury 0 równej 25ºC czyli 298K. Podstawiając wartości 0 i 0 do wzoru (1) możemy obliczyć wartość stałej A, zaś podstawiając obliczoną wartość A do (1) otrzymamy zależność temperaturową termistora w postaci: 0 B B ( ) 0 = e (2) emperaturowy współczynnik rezystancji termistora definiowany jest jako: 1 d α = (3) d i dla termistorów NC jest ujemny. Warto zauważyć, że w temperaturze 25ºC moduł tego współczynnika (równego około -4%/K) jest ponad 10 razy większy od współczynnika temperaturowego metali. Charakterystyka prądowo-napięciowa termistora NC jest nieliniowa (rys.3). W zakresie małych prądów przebiega praktycznie liniowo, ale powyżej pewnej wartości prądu 4
płynącego przez termistor napięcie na jego zaciskach zaczyna się zmniejszać. Związane to jest z grzaniem się elementu, które powoduje zmniejszanie się rezystancji termistora. ermistory stosuje się jako czujniki temperatury w układach termoregulacji, w klimatyzacji, chłodnictwie, wentylacji oraz układach automatycznej regulacji. 3.1.2 ermistory PC ermistory PC charakteryzują się tym, że w dość szerokim zakresie temperatur (typowo od kilkunastu do ponad stu ºC) ich rezystancja rośnie wraz ze wzrostem temperatury (rys.2). W tym zakresie charakterystyka rezystancyjno - temperaturowa jest opisywana przybliżoną zależnością: B = A + C e (4) gdzie: A, B i C stałe materiałowe, zaś temperaturowy współczynnik rezystancji: d B B C e α = 1 = (5) B d A + C e Wartości współczynników α wahają się od kilku do kilkudziesięciu %/K. Charakterystyka prądowo-napięciowa termistora PC jest nieliniowa (rys.3). ermistory PC stosowane są w różnego rodzaju układach zabezpieczających (przede wszystkim przed przegrzaniem oraz przed zbyt dużym prądem). 3.1.3 ermistory C ermistory C charakteryzują się szybką, praktycznie skokową zmianą rezystancji w bardzo wąskim przedziale temperatur (rzędu pojedynczych K) wokół temperatury krytycznej (rys.2). Spadek rezystancji może osiągać nawet pięć rzędów wielkości. Wartość temperatury krytycznej zależy przede wszystkim od materiału, którego wykonano termistor. Produkowane są termistory C o temperaturach od 35 do 80 ºC. 3.2 Warystor Warystory są nieliniowymi rezystorami, których rezystancja maleje 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 opisywana jest zależnością: 5
α I = k U (6) gdzie: U napięcie na warystorze; I prąd, płynący przez warystor; α współczynnik nieliniowości; k stała, zależna od wymiarów warystora i własności materiałowych. Wartość współczynnika α można wyznaczyć na podstawie współrzędnych dwóch punktów leżących na roboczym odcinku charakterystyki prądowo-napięciowej warystora zgodnie z zależnością: log I = logu 2 1 α (7) 2 log I logu Przykładowa charakterystyka prądowo-napięciowa warystora ZnO przedstawiona jest na rysunku 4. W zakresie niskich napięć (prądów) rezystancja warystora osiąga dziesiątki MΩ, zaś w zakresie działania (duże wartości prądu) spada nawet do ułamków Ω. Napięcie znamionowe warystora (U V ) jest równe spadkowi napięcia na warystorze podczas przepływu przez niego prądu o określonej wartości (np. 1mA lub 10mA), w temperaturze otoczenia 25 o C. I 1 -U V U U V ys.4 Przykładowa charakterystyka prądowo-napięciowa warystora ZnO Warystory wykorzystywane są do ochrony przeciw przepięciowej (np. zabezpieczenia przed krótkimi przepięciami, które powstają podczas burz lub podczas przełączania obciążeń o charakterze indukcyjnym). 6
3.3 Hallotron Hallotrony są elementami półprzewodnikowymi, których zasada działania opiera się na efekcie Halla. Wykonywane są najczęściej w postaci płytek z litych materiałów półprzewodnikowych lub w technologii warstwowej (półprzewodnik na podłożu ceramicznym lub mikowym). Zasadę działania hallotronu ilustruje rysunek 5. ys. 5 Ilustracja zasady działania hallotronu Przez hallotron, umieszczony w polu magnetycznym o indukcji B, płynie prąd o natężeniu I. Ponieważ na ładunek elektryczny, poruszający się z prędkością v w polu magnetycznym B działa, siła Lorentza: r r F = e (8) r ( v B) to nośniki ładunku, tworzące prąd I, są odchylane w kierunku poprzecznym do kierunku przepływu prądu I i prostopadłym do pola magnetycznego B. Powoduje to wystąpienie gradientu koncentracji nośników ładunku i pojawienie się różnicy potencjałów (napięcia V H ) proporcjonalnego do natężenia prądu I oraz indukcji B: 7
V H H = B I (9) h gdzie: H stała Halla, zaś h grubość płytki półprzewodnika. Napięcie V H jest odwrotnie proporcjonalne do grubości płytki. Właściwości elektryczne hallotronu opisują rodziny charakterystyk statycznych: przejściowych i wyjściowych. Charakterystyki statyczne przejściowe to funkcje zmian napięcia Halla V H od parametru sterującego: pola magnetycznego B lub prądu I, płynącego przez hallotron. Charakterystyki statyczne wyjściowe to zależność napięcia Halla V H od prądu wyjściowego (I X ). Hallotrony znajdują zastosowanie m.in.: do pomiaru wielkości elektromagnetycznych (np. indukcji magnetycznej, natężenie prądu); do pomiaru wielkości nieelektrycznych (np. prędkości obrotowej, przesunięcia); jako wyłączniki bezkontaktowe. 4. UKŁADY POMIAOWE 4.1. Układy do wyznaczanie charakterystyk statycznych metodą "punkt po punkcie". + Zasilacz regulowany A V Badany element _ a) + Zasilacz regulowany V A Badany element _ b) ys.6 Schematy układów pomiarowych do wyznaczania charakterystyk statycznych metodą punkt po punkcie : a) pomiar małych rezystancji (z dokładnym pomiarem napięcia), b) pomiar dużych rezystancji (z dokładnym pomiarem prądu). 8
4.2. Układ do wyznaczania charakterystyk statycznych metodą oscyloskopową. ransformator do kanału X oscyloskopu Badany element do kanału Y oscyloskopu ys.7 Uproszczony schemat do wyznaczania charakterystyk statycznych elementów półprzewodnikowych metodą oscyloskopową. 4.3 Układ do wyznaczania charakterystyki rezystancyjno-temperaturowej termistora. Zaproponować sposób pomiaru charakterystyki rezystancyjno-temperaturowej termistora. Wykorzystać zasilacz laboratoryjny z regulacją prądu, rezystor o wartości 1Ω i mocy 20W oraz miernik temperatury. 5. POMIAY Uwaga! Przed rozpoczęciem pomiarów: zapoznać się z kartami katalogowymi badanych przyrządów półprzewodnikowych (dostępne w laboratorium lub na stronach internetowych); zanotować najważniejsze parametry dopuszczalne i charakterystyczne badanych elementów. 5.1 Wyznaczyć charakterystyki rezystancyjno-temperaturowe termistorów; 5.2 wyznaczyć charakterystyki prądowo-napięciowe termistorów metodą punkt po punkcie ; 5.3 wyznaczyć charakterystyki prądowo-napięciowe termistorów metodą oscyloskopową; 5.4 wyznaczyć charakterystyki prądowo-napięciowe warystorów metodą punkt po punkcie ; 5.5 wyznaczyć charakterystyki prądowo-napięciowe warystorów metodą oscyloskopową; 5.6 wyznaczyć charakterystyki przejściowe hallotronu; 9
5.7 wyznaczyć charakterystyki wyjściowe hallotronu; 5.8 dokonać pomiaru prędkości obrotowej silnika elektrycznego (na osi silnika umieszczona jest wirująca tarcza z magnesem); 6. OPACOWANIE WYNIKÓW POMIAÓW Uwaga! Protokół pomiarowy po zakończeniu ćwiczenia powinien być podpisany przez prowadzącego i dołączony do sprawozdania z ćwiczenia. W sprawozdaniu należy zamieścić: schematy układów pomiarowych oscylogramy wyniki pomiarów w postaci tablic i wykresów niezbędne obliczenia wnioski z przeprowadzonych badań. 7. WYMAGANIA BHP Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z instrukcją BHP, obowiązującą w Laboratorium, oraz przestrzeganie zasad w niej zawartych. 8. LIEAUA 1. Kołodziejski J., Spiralski L., Stolarski E. Pomiary przyrządów półprzewodnikowych, WKiŁ, Warszawa, 1990. 2. Marciniak W. Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, WN, 1984 3. Polowczyk M., Klugman E. Przyrządy półprzewodnikowe, Wyd. Politechniki Gdańskiej, 2001 4. ietze U., Schenk Ch. Układy półprzewodnikowe, WN, 2009 5. www.epcos.com 6. www.murata.com 7. www.tewa-sensors.com 10