2.2. Порядок выполнения исследований

2.2.1. Получить у преподавателя резисторы для исследования. Произвести расшифровку их номинальных сопротивлений по маркировке, результаты занести в протокол (табл. 1.3).

Таблица 2.2

Результаты исследований температурных зависимостей сопротивления

№ п/п	Тип резис-тора	Номинальное сопротивление	Сопротивление при комнатной температуре	Сопроти-вление при +50°С	Сопроти-вление при +80°С	Расчетное значение ТКС до 50°С	Расчетное значение ТКС свы-ше 50°С
1
…

2.2.2. Собрать схему, изображенную на рис. 2.2, используя R2 в качестве нагревателя. Температура нагревателя R2 регулируется потенциометром R1 и контролируется с помощью мультиметра 2.

2.2.3. Поочередно подключая резисторы к мультиметру 1, измерить их сопротивления при комнатной температуре, результаты занести в протокол.

Рис. 2.2. Схема измерений температурной зависимости

сопротивления маломощных резисторов

2.2.4. Изменяя значение сопротивления R1, добиться температуры нагревателя, равной +50°С.

Поочередно помещая резисторы в нагреватель, измерить их сопротивления при указанной температуре (перед измерением выдерживать исследуемый резистор в нагревателе в течение 1-2 минут для достижения требуемой температуры). Результаты занести в протокол.

2.2.5. Повторить действия п. 2.2.4 при температуре +80°С.

2.3. Содержание отчета

2.3.1. Цель работы, схемы измерений.

2.3.2. Результаты расшифровки номинальных значений сопротивлений резисторов, измерений их сопротивлений при различной температуре, расчет ТКС для различных диапазонов температуры (табл. 2.2).

2.3.3. Пример расчета ТКС для какого-либо из резисторов.

2.3.4. Графики зависимостей сопротивления от температуры для всех исследованных резисторов.

2.3.5. Выводы (с анализом температурных зависимостей резисторов).

Лабораторная работа №3. Исследование характеристик нелинейных

полупроводниковых резисторов

Цель работы

Ознакомление с характеристиками нелинейных полупроводниковых резисторов – терморезисторов.

3.1. Основные сведения о термисторах

В работе исследуются температурные характеристики полупроводниковых терморезисторов с отрицательным ТКС (Negative Temperature Coefficient – NTC-термисторы или просто термисторы) и положительным ТКС (Positive Temperature Coefficient – PTC-термисторы или позисторы).

Термисторы состоят из поликристаллической смеси различных спеченных оксидов (например, Fe₂O₃, Zn₂TiO₄, MgCr₂O₄ и TiO₂). Они характеризуются сильно падающей монотонной зависимостью сопротивления от температуры. Эта зависимость описывается следующим выражением:

, (3.1)

где R_T – сопротивление термистора при текущей температуре T ; R₀ - номинальное сопротивление термистора, указываемое для температуры T₀, равной +25°C или 298K; B – постоянная, зависящая от материала резистора (значение B обычно лежит в пределах от 1000 до 6000K). Характер зависимости сопротивления NTC-термистора от температуры иллюстрируется рис. 3.1.

По определению, температурный коэффициент сопротивления любого резистора находится по формуле:

, (3.2)

Если подставить выражение (3.1) в формулу (3.2) и взять производную, то получим следующее выражение для ТКС NTC-термистора:

a_T = – (B / T ²), (3.3)

При использовании данной формулы следует помнить, что В и Т выражаются в кельвинах. Из формулы (3.3) следует, что a_T NTC-термистора не является константой, а зависит от температуры. Во всей области рабочих температур (обычно от –55° до +155°С) абсолютное значение a_T NTC-термисторов оказывается в десятки раз большим, чем у линейных постоянных резисторов. NTC-термисторы широко используются в системах автоматики как датчики температуры, в устройствах компенсации температурного дрейфа выходных сигналов усилителей и в качестве ограничителей пусковых токов электродвигателей.

Рис. 3.1. Типовые температурные зависимости термисторов	Рис.3.2. Типовая температурная зависимость позистора

Термисторы имеют широкий диапазон размеров и в зависимости от типа могут иметь форму цилиндра, диска, шайбы, капли или бусинки. Маркировка термисторов содержит буквенный шифр типа терморезистора с номером, указывающим на вариант конструктивного исполнения. Далее указывается номинальное сопротивление, соответствующее +25°С, и допуск в процентах. Остальные данные (константа В, предельно допустимая температура) содержатся в справочниках. Современные отечественные терморезисторы всегда содержат в своем обозначении букву Т: КМТ-1; ММТ-4; СТ1-17; ТР-1; ТВ-2 и т.д. Следует иметь в виду, что некоторые типы выпускавшихся ранее постоянных линейных резисторов также имели в своем обозначении букву Т: МЛТ, ТВО. Обозначения наиболее популярных серий зарубежных NTC-термисторов начинаются с букв S, M, K или Z, а далее следует двух- или четырехзначный серийный номер, например, S464, M2020, Z10.

Позисторы изготавливаются на основе поликристаллической керамики из титаната бария (BaTiO₃), легированной различными примесями. Сопротивление позисторов резко (на несколько порядков) возрастает после превышения их температуры над некоторым пороговым значением, что связано с фазовым переходом из сегнетоэлектрического состояния в параэлектрическое (рис. 3.2). Из-за резкого изменения сопротивления масштаб по оси ординат данного графика принято отображать логарифмическим. На участке от R_ref до R_max логарифм сопротивления позистора растет линейно с увеличением температуры. Это указывает на экспоненциальный рост функции R = f (T).

Чтобы найти ТКС позистора из полулогарифмической зависимости lgR = f (T), сделаем простейшие преобразования в формуле (3.2):

, (3.4)

R_N – номинальное сопротивление (сопротивление при Т = 25°С);

R_min – минимальное сопротивление (сопротивление при Т = Т_min);

Т_min – температура, при которой ТКС становится положительным;

R_ref – опорное сопротивление (R_ref = 2R_min). Считается, что с R_ref начинается быстрый рост зависимости R = f(T);

Т_ref – характеристическая температура, при которой R = R_ref; (для ряда позисторов вместо Т_ref и R_ref указываются пороговая температура Т_NAT и соответствующее ей значение сопротивления R_NATf);

Т_max – максимально допустимая температура терморезистора;

R_max – сопротивление при Т_max.

В области резкого увеличения сопротивления a_T позистора приблизительно постоянен. Если на участке от R_ref до R_max известны два значения сопротивления, например, R1 и R2 (R2> R1), которые соответствуют двум температурам Т1 и Т2 (Т2 > Т1), то для a_T будет справедливо:

, (3.5)

В пределах этого температурного диапазона, зная сопротивление для некоторой температуры, можно рассчитать каким станет сопротивление при другой температуре:

R2 = R1∙exp[a_T(T2 – T1)], (3.6)

С помощью формулы (3.6) может быть рассчитано сопротивление позистора для выбранной температуры на основании его справочных данных. В этом случае вместо сопротивления R1 и температуры Т1 используют R_ref и Т_ref, соответственно.

Позисторы нашли широкое применение в схемах ограничения тока, в качестве пускового реле двигателей компрессоров холодильников, нагревательных элементов фумигаторов, зеркал автомобилей и других устройств, а также как высокочувствительный датчик температуры. Конструктивное исполнение позисторов такое же, как у NTC-термисторов. Маркировка содержит буквенно-цифровой код, обозначающий тип и номинальное сопротивление (при +25°С) с допуском в процентах. Отечественные позисторы имеют серийные обозначения СТ5; СТ6; СТ8 и т.д. Обозначение РTC-термисторов (Siemens&Matsushita) начинается с букв А, С, D, E, M или J c последующим серийным номером, например: A19, J50 (позисторы для пуска электродвигателей), С111 (пусковой резистор для газоразрядных ламп).