LUCRĂRILE DE LABORATOR nr. 5
STUDIUL TERMO-REZISTENȚEI SEMICONDUCTORULUI
SCOPUL LUCRĂRII. Pentru a studia caracteristicile și proprietățile termo-rezistențelor semiconductoare. Obțineți caracteristici experimentale de volt-amperi și temperatură pentru rezistența termică semiconductoare. Pe baza datelor experimentale obținute, se calculează caracteristica de împrăștiere.
SCURTĂ INFORMAȚII TEORETICE
Semiconductoare rezistențe neliniare - elemente de echipamente electronice, care proprietatea principală constă în capacitatea de a schimba rezistența electrică sub acțiunea-ing alerga factori: temperatura, tensiune, câmp magnetic drept Neli-liniar. rezistoare neliniare au pronunțat curent-tensiune caracteristică (I-V) și în funcție de parametrii, pa, la care reacționează, sunt numite termistoare, va-Ristori și magnetoresistors respectiv. Semiconductori de termorezistență (termistori, termistori, PTS) sunt un element relativ nou al dispozitivelor automate, iar domeniul aplicării lor se extinde continuu. În prezent, PTS sunt utilizați ca senzori de temperatură, compensatori de temperatură, regulatori de tensiune, limitatori de pornire a curentului în echipamente electrice etc.
Materialul pentru fabricarea rezistenței termice este de obicei presat și ars după oxizi sau carburi de măcinare fină a unor materiale (mangan, titan, cupru, nichel, vanadiu, uraniu etc.). Există, de asemenea, termorezistențe realizate din materiale semiconductoare pure: siliciu, germaniu etc.
Forma de termistori este cea mai diversă: cilindri, discuri, dreptunghi plat, șaibe, margele miniatură etc. (fig.5.1 a-c). Instrumente ale corpului semiconductor conectat la termistorul-vă apele acoperă stratul de lac sau email, și plasat într-un protector-IU-metalic sau flacon de sticlă umplut cu gaz inert sau este sub vid.
Termistorii sunt clasificați în funcție de natura coeficientului de temperatură, de metoda de protecție, de design, de prezența elementului de încălzire și de scopul.
Simbolul abreviat constă dintr-o combinație de litere care denotă o subclasă de rezistențe: TP - termistor cu negativ-TC, TRP - termistor cu pozitiv TCR (posistor).
Cifra după cratimă indică numărul de serie al unui anumit tip de dezvoltare. De exemplu: ТР-2-33 kОм ± 20% este un rezistor termic cu TBC negativ, număr de serie de dezvoltare - 2, rezistență nominală 33 kΩm, toleranță ± 20%.
Fig. 5.1. Aspectul și dimensiunile principale ale termorezistoarelor
Prin natura TKS
și anume Este negativ și invers proporțional cu pătratul temperaturii absolute (vezi Fig.5.3).
Cu intervale semnificative de schimbări de temperatură, rezistența termistorilor semiconductori variază de sute și mii de ori, în timp ce pentru cupru, schimbarea rezistenței are loc de zeci de ori. Prin urmare, termistorii sunt elemente extrem de sensibile și, cu un circuit de măsurare adecvat, reacționează la sute și chiar la mii de grade.
Coeficientul B este de obicei determinat din cele două valori experimentale ale rezistenței PTS măsurate la 20 și 100 ° C:
Avantajul termistorilor este specificul lor ridicat (până la 1000 Ohm × cm) și rezistența electrică totală. Rezistența electrică totală depășește în mod semnificativ rezistența firelor de conectare, pe care le conectează la dispozitivele de măsurare secundare. Prin urmare, fluctuațiile de rezistență ale firelor de conectare nu introduc erori semnificative în rezultatul măsurătorilor. O caracteristică importantă a TCP este volt-ampere-trăsătură Caracteristici) (figura 5.6), care formează depinde de elementul termochuvs rezistență tate, structura, dimensiunile, conexiunea termică grad fin între termistorului și mediul înconjurător, precum și temperatura.
Figura 5.6. Volt-amperi caracteristici (IVC) de termistori
Să analizăm în detaliu caracteristica curentului de tensiune al unui termistor cu TCR negativ. Caracteristica curentului de tensiune al termistorului este caracterizată prin trei secțiuni principale: OA, AB și BC (Fig.5.7a). La curenți suficient de mici, când puterea dezvoltată în PTS este prea mică pentru a încălzi considerabil, legea omului este îndeplinită. Prin urmare, caracteristica curent-tensiune la secțiunea OA este liniară. Pe linia AB liniaritatea este încălcată. Cu creșterea curentului, temperatura termistorului crește, iar rezistența sa (datorită creșterii numărului de electroni și găuri de conducție din materialul semiconductor) scade. Cu o creștere suplimentară a curentului în secțiunea BC, scăderea rezistenței este atât de mare încât o creștere a curentului nu duce la o modificare a tensiunii. Aceasta permite utilizarea anumitor tipuri de vehicule OB pentru a stabiliza tensiunea.
Principalul dezavantaj al PTS este o gamă largă de caracteristici de temperatură ale specimenelor individuale de același tip. Prin urmare, este necesar să se recurgă la determinarea experimentală a rezistenței PTC la temperaturi de funcționare și la construirea unei caracteristici de temperatură pentru fiecare probă din acestea. Apoi PTS poate fi utilizat în orice circuit de măsurare.
Figura 5.7, a indică apariția efectului releului atunci când condițiile de mediu se schimbă.
Caracteristica I-V a termistorului corespunde temperaturii ambiante Q1, caracteristica II a temperaturii Q2, și III prezintă dependența UT = E-IR. La o temperatură Q1, curentul în circuitul I1 este determinat de abscisa punctului 1 al intersecției caracteristicilor IV ale termistorului și caracteristica III. Atunci când temperatura ambiantă crește de la Q1 la Q2, curentul termistorului scade. În acest caz, curentul crește inițial lin la o I2 valoare la un punct 2, care corespunde Unst de stat chivomu circuit, și mai departe (când o creștere a temperaturii mică) crește brusc la i3 la punctul 3, unde nyaet stabil păstrează valoarea sa la o temperatură constantă. Acest fenomen este numit un efect de releu direct.
Figura 5.7. Apariția unui efect de releu cu o schimbare a temperaturii (a)
și când se modifică tensiunea aplicată (b)
O scădere a temperaturii duce la o scădere ușoară a curentului până la o valoare a lui I1 la punctul 4 și apoi la o scădere bruscă a curentului la I1 (punctul 1). Acest fenomen se numește efectul releului invers.
Figura 5.7, b arată apariția efectului releului când variază tensiunea aplicată.
Când sursa de tensiune E1 modul circuitului determinată de punctul 1. Dacă tensiunea este crescută la punctul de operare tranzițiile E2-dit în poziția 2, și numai o mică creștere a tensiunii la discontinuă punctul de operare a fost mutat în poziția 3, ceea ce corespunde la o creștere bruscă a curentului de la I2 la I3.
Selectarea punctului de funcționare al termistorului ca măsurarea temperaturii poate fi făcută prin VAC (figura 5.8), unde liniile trasate ale fluidului de lucru la temperaturi constante TCP, care pot fi considerate linii de rezistențe statice constante. Toate aceste linii sunt raze emise de origine. Tangenta unghiului fasciculului incident, egală cu rezistența statică la o temperatură dată a substanței active a PTS, este determinată de legea lui Ohm.
Într-adevăr, atunci când curentul trece prin PTC, căldura este eliberată, temperatura substanței active devine mai mare decât temperatura ambiantă, iar aceasta, conform formulei (1), duce la o scădere a rezistenței PTS. Când se atinge un anumit punct critic B (Figura 5.7), acest proces este realizat, ceea ce duce la o scădere a căderii de tensiune pe PTS cu creșterea curentului care trece prin el. În această secțiune a caracteristicii, temperatura corpului PTS de lucru este determinată, în principal, de puterea disipată.
Fig.5.8 Construcția caracteristicii de tensiune curentă
Atunci când se utilizează PTS ca măsurătoare de temperatură, secțiunea de lucru a caracteristicii de tensiune curentă este partea sa liniară. Cu toate acestea, în multe alte cazuri se folosește o parte neliniară a caracteristicii (de exemplu, în limitatoarele de curent de pornire, regulatoare de tensiune, etc.).
Pentru fiecare punct al caracteristicilor de tensiune curentă, rezistența statică R și dinamica r poate fi determinată:
Rezistența statică este întotdeauna pozitivă și scade odată cu creșterea curentului; rezistența dinamică este pozitivă pentru t> Icr și negativă pentru I Un parametru important al PTS este temperatura maximă admisă Qmax și curentul maxim admisibil Imax. Pentru majoritatea tipurilor industriale de PTS, atunci când se utilizează ca termometre, temperatura maximă admisă este Qmax = 1200 0 C. Cu toate acestea, un număr de tipuri au valori mai mari: Qmax = 1800. 3800 0 C. În general, se poate spune că atunci când se utilizează PTS în alte scopuri, temperatura maximă admisă este mai mare decât în cazul utilizării PTS ca traductoare de temperatură primară. Mărimea curentului maxim admisibil Imax poate fi găsită din graficul din figura 5.7 pe intersecția razei Tmax cu curba caracteristicilor de tensiune curentă pentru o valoare dată a temperaturii ambiante Qo. În starea de echilibru de căldură, toată energia eliberată în corpul de lucru al PTS prin curentul electric care trece prin el este disipată în mediul înconjurător, care poate fi descrisă de următoarea dependență: unde eu sunt curentul care trece prin PTS, Rezistența R - PTS, Q este temperatura ambiantă, Q - temperatura substanței active a PTS în momentul de față, b este coeficientul de împrăștiere, egal numeric cu puterea disipată din PTS, când temperatura sa este depășită cu 1 ° C față de temperatura ambiantă. Coeficientul de dispersie depinde de proiectarea PTA (dimensiunile, condițiile de suprafață, dimensiunile părților conductoare, materialul mediului de lucru) și starea mediului. O reprezentare grafică a dependenței coeficientului de dispersie de supraîncălzirea substanței active se numește o caracteristică PTS a dispersiei. Această caracteristică este neschimbată pentru toate instanțele de același tip. Caracteristica de împrăștiere poate fi calculată din ecuația (6) în funcție de caracteristicile cunoscute ale temperaturii și tensiunii de curent: unde (Q - Q0) - supraîncălzirea PTS. În schimb, pe baza ecuației (6), este posibil să se calculeze caracteristica de tensiune curentă din caracteristica de temperatură dată și caracteristica de dispersie. Procesele dinamice din lanțul PTC sunt determinate de ecuația diferențială: unde este capacitatea de căldură a PTS, t este constanta de timp. Ecuația diferențială (8) este neliniară și, de obicei, este rezolvată printr-o metodă grafică. Parametrul principal care caracterizează dinamica procesului este constanta de timp t. Experimental, constanta de timp este estimată de timpul în care rezistența PTS preîncălzită este redusă la 0,37 din valoarea inițială.Articole similare