ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕРМОРЕЗИСТОРІВ ТА ВАРИСТОРІВ



Матеріал практичної роботи повністю відповідає кодексу з підготовки і дипломування моряків та несення вахти (Розділ А-ІІІ/6) та IMO MODEL COURSE № 7.08 офіцер-електротехнік та формує наступні компетентності вимоги: «Контроль роботи електричних, електронних установок та систем керування» та «Безпечне використання електричного обладнання».

 

Мета роботи:Вивчитиосновні властивостінапівпровідникових матеріалів. Ознайомитись з характеристиками терморезисторів та варисторів. Згідно свого варіанту розвʼязати задачі.

Теоретичний матеріал

Класифікація та умовне позначення напівпровідниковихрезисторів

 

Тип резисторів Умовне позначення
Лінійні резистори
Варистори
Терморезистори: термістори, позистора
Тензорезистори
Фоторезистори

 

Перші дві групи напівпровідникових резисторів відповідно до цієї класифікації - лінійні резистори і варистори - мають електричні характеристики, слабо залежні від зовнішніх чинників: температури навколишнього середовища, вібрації, вологості, освітленості та ін Для інших груп напівпровідникових резисторів, навпаки, характерна сильна залежність їх електричних характеристик від зовнішніх факторів. Так, характеристики терморезисторов істотно залежать від температури, характеристики тензорезисторів - від механічних напружень.

Розглянемо докладніше різновиди напівпровідникових резисторів.

Варистори

Варистор - це напівпровідниковийрезистор, опір якого залежить від прикладеної напруги та, що володіє нелінійної симетричної вольт - амперної характеристикою (ВАХ).
Варистори виготовляють методом керамічної технології, тобто шляхом високотемпературного випалу заготовки з порошкоподібного карбіду кремнію SiC з речовиною, що в якості якого використовують глину.

Зовні варистори оформляються у вигляді стрижнів або дисків.
Нелінійність вольт - амперної характеристики варисторів обумовлена ​​явищами на точкових контактах між кристалами карбіду кремнію: збільшення в сильних електричних полях провідності поверхневих потенційних бар'єрів (при малих напругах) і збільшення провідності точкових контактів між кристалами через розігріву у зв'язку з виділяється на контактах потужністю (при великій напрузі на варисторе).

Оскільки товщина поверхневих потенційних бар'єрів на кристалах карбіду кремнію мала, там можуть виникати сильні електричні поля навіть при малих напругах на варисторе, що призводить до тунелювання носіїв заряду крізь потенційні бар'єри. Таким чином, при малих напругах на варисторе нелінійність ВАХ пов'язана із залежністю провідності поверхневих потенційних бар'єрів від величини напруги.

При великих напругах на варисторе і відповідно, при великих струмах, що проходять через варистор, щільність струму в точкових контактах виявляється дуже великий. Вся напруга, прикладена до варистори, падає на точкових контактах. Тому уд.потужність (потужність в одиниці об'єму), що виділяється в точкових контактах призводить до зменшення загального опору варистора і нелінійності ВАХ.

Основні параметри варисторів:

коефіцієнт нелінійності, який визначається як відношення опору постійному струму (статичного) R до опору змінному струму (диференціальному) r:


, (1)

 

де U і I - напруга і струм варистора.

 

Для різних типів варисторів l = 2 ... 6;
максимальне допустиме напруження U max доп (від десятків вольт до декількох кіловольт);
номінальна потужність розсіювання Р ном (1 ... 3Вт);
температурний коефіцієнт опору ТКС (в середньому 5 × 10 -3 К -);
гранична максимальна робоча температура (60 ° ... 70 ° С).

Величина ТКС характеризує відносну зміну опору резистора при зміні температури на 1 ° К.

Область застосування варисторів: варистори можна використовувати на постійному і змінному струмі з частотою до декількох кілогерц. Вони використовуються для захисту від перенапруг, в стабілізаторах і обмежниках напруги, в різних схемах автоматики.


 

 

Рисунок.1 - Вольт - амперна характеристика варистора

 

 

Терморезистори

Терморезистори - це напівпровідникові резистори, в яких використовується залежність електричного опору напівпровідника від температури.
Розрізняють два типи терморезисторов: термістор, опір якого із зростанням температури падає (з негативним температурним коефіцієнтом опору ТКС), і позистор, у якого опір з підвищенням температури зростає (з позитивним ТКС).

У термисторах (прямого підігріву) опір змінюється або під впливом тепла, що виділяється в них при проходженні електричного струму, або в результаті зміни температури термістора при зміні теплового опромінення термістора (наприклад, при зміні температури навколишнього середовища).

Зменшення опору напівпровідника зі збільшенням температури може бути обумовлено наступними причинами - збільшенням концентрації носіїв заряду і збільшенням їх рухливості.

Основна частина термісторів, що випускаються промисловістю, виготовлена ​​з полікристалічних окисних напівпровідників - з окислів металів.
Конструктивно термістори оформляють у вигляді: циліндрів, стрижнів, дисків, пластин або намистин і отримують методами керамічної технології, тобто шляхом випалу заготовок при високій температурі.

Матеріалом для виготовлення позисторов служить титан - барієва кераміка з домішкою рідкоземельних елементів. Такийматеріал володіє аномальної температурної залежністю: у вузькому діапазоні температур (діапазоні температур вище точки Кюрі) його питомий опір збільшується на кілька порядків зі збільшенням температури.
Конструктивно позистора оформляють аналогічно термістора.

Основні параметри термісторів:

номінальний опір - це його опір при певній температурі (зазвичай 20 0 С) (від декількох Ом до декількох кОм з допустимим відхиленням від номінального опору ± 5, ± 10 і ± ​​20%);

температурний коефіцієнт опору терморезистора показує відносну зміну опору терморезистора при зміні температури на один градус:


(2)


Температурний коефіцієнт опору залежить від температури, тому його записують з індексом, що вказує температуру, при якій має місце дане значення.
Значення ТКС при кімнатній температурі різних термісторів знаходяться в межах (0,8 ... 6,0) 10 -2 До -1;

максимально допустима температура - це температура, при якій ще не відбувається необоротних змін параметрів і характеристик терморезистора;
допустима потужність розсіювання - це потужність, при якій терморезистор, що знаходиться в спокійному повітрі при температурі 20 0 С, розігрівається при проходженні струму до максимально допустимої температури;

постійна часу терморезистора - це час, протягом якого температура терморезистора зменшується в е раз по відношенню до різниці температур терморезистора і навколишнього середовища (наприклад, при перенесенні терморезистора з повітряного середовища з t = 120 0 C в повітряне середовище з t = 20 0 C) .

Теплова інерційність терморезистора, характеризується його постійної часу, визначається конструкцією і розмірами і залежить від теплопровідності середовища, в якій знаходиться терморезистор.

Для різних типів термісторів постійна часу лежить в межах від 0,5 до 140с.
Температурна характеристика терморезистора - це залежність його опору від температури.



Рисунок 2 - Температурні характеристики терморезисторов:

1 - термістор; 2 – позистор

 

Терморезистори (термістори і позистора) застосовують для температурної стабілізації режиму транзисторних підсилювачів, а також у різних пристроях вимірювання, контролю та автоматики (вимірювання контролю та автоматичного регулювання температури, температурної та пожежної сигналізації та ін.)

 

Задача 1:

Зразок легованого кремнію р-типу провідності довжиною 5 мм, шириною 2 мм товщиною 1 мм має електричний опір на постійному струмі . Рухливість електронів , дірок – , а концентрація власних носіїв заряду .

Знайти концентрацію акцепторної домішки в зразку Na, вважаючи, що ця домішка повністю іонізована. Визначити відношення електронної провідності σnдо діркової – σр в зразку.

Основна формула для питомого опору

                            (1)

З іншого боку питомий опір домішкового напівпровідника

  (2)

де  – провідність; – концентрації неосновних носіїв заряду в р-області; – рехливість.

Прирівняємо (1) та (2) врахувавши, що для напівпровідника р-типу

     (3)

Крім шуканої  залишається невідомою ще . Її можна знайти з співвідношення „діючих мас” – за його допомогою завжди можна знайти концентрацію неосновних носіїв заряду, якщо відома концентрація основних (для домішкового напівпровідника; для власного –  де індекс  означає intrinsic тобто власний):

  звідки (4)

Підставимо (4) в (3) і зробимо перетворення

      (5)

Помножимо на 2 і перегрупуємо

(6)

– квадратичне рівняння рішення типу якого

(7)

       Електронну та діркові провідності можна знайти по відомим формулам

,            (8)

Тоді, врахувавши (4) кінцево запишемо

          (9)

 

 

Задача 2:

Германієвий діод має коефіцієнт дифузії електронів в р-області , і дірок в n-області – .

Знайдіть дифузійну довжину електронів  в дірковій області діоду та дифузійну довжину дірок  в електронній області, якщо відомо, що час життя неосновних носіїв заряду  (тобто знайдіть дифузійну довжину неосновних носіїв заряду в кожній області). Знайдіть рухливості неосновних носіїв заряду в кожній області: .

По визначенню

Із співвідношення Ейнштейна  знаходимо

де  – стала Больцмана.

 

 

Задача 3:

Знайти різницю потенціалів  на кінцях термопари Cu-Ni, якщо спай термопари знаходиться при температурі , а холодний кінець при . Абсолютна питома термо-ЕРС Cu: , а Ni: .

Знайти кількість теплоти, що буде виділятися або поглинатися на цьому контакті при проходженні струму  в напрямку від Cuдо Ni. Джоулевим нагрівом та теплопровідністю знехтувати. Що буде відбуватися при зміні напряму струму.

Рішення:

З явища Зеєбека можна записати

де    – абсолютна питома термо-ЕРС.

Тоді

       З явища Пельтьє можна записати

де – коефіцієнт Пельтьє.

Додатній знак „+” показує, що тепло виділяється при проходженні їз матеріала 1 в 2.

Тоді можна записати, що кожну секунду виділяється кількість теплоти, що дорівнює

       При зміні напряму струму зміниться знак питомої термо-ЕРС: , а отже зміниться і знак . Знак „-” показує, що тепло буде поглинатись. Отже при зміні напрямку струму змінимо нагрівання на охолодження.

 

Завдання на практичну роботу:

1. Ознайомитись з теоретичним матеріалом практичної роботи.

2. Ознайомитись з примірниками розвʼязання задач на тему практичної роботи.

3. Згідно свого варіанту розвʼязати задачі.

4. Привести розрахунки у зошиті з практичних робіт.

5. Привести відповіді на контрольні запитання (письмово).

6. Навести висновки з практичної роботи.

 

Контрольні запитання:

1. Наведіть класифікацію напівпровідникових елементів.

2. Які елементи називають варисторами?

3. Принцип роботи варисторів.

4. Наведіть вольт-амперну характеристику варисторів.

5. Які елементи називають терморезисторами?

6. Принцип роботи терморезисторів.

7. Наведіть вольт-амперну характеристику терморезисторів.

 

ПРАКТИЧНА РОБОТА №5


Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 453; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ