Лабораторная работа № 41

Изучение характиристик термо- и фоторезисторов.

1. Цель работы: закрепление теоретических знаний по теме 5.9. “Элемекнты физики твердого тела”

приобретение практических навыков

изучение методики расчетов

2. Порядок подготовки к выполнению работы изучить тему и материал лабораторной работы

предъявить результаты,

подготовка и оформление отчета, заполнить таблички, произвести обработку результатов измерений

Терморезисторы (термисторы).

Зависимость сопротивления полупроводников от температуры широко используется в полупроводниковых приборах, называемых термосопротивлениями, термопарами, или терморезисторами (теперь все чаще пользуются последним термином). Их изготовляют из смеси окислов, например, двуокись титана и окись магния, закись никеля и окись магния и др. Они могут иметь различную форму и размеры, например, они бывают в виде нити, шарика, цилиндра. Наша промышленность выпускает более ста различных типов терморезисторов.

Терморезисторы нашли широкое и разнообразное применение.

1. Они широко применяются для измерения температуры. Вэтом случае они включаются в одно из плеч моста Уитстона. При изменении температуры нарушается баланс моста, о чем можно судить по показаниям гальванометра, проградуированного в градусах. Одним из преимуществ такого термометра является его дистанционность его действия. Регистрирующий прибор можно удалить от терморезистора на сотни метров. Так как сопротивление терморезистора велико, то можно пренебречь температурным изменением сопротивления подводящих проводов.

Преимуществом такого термометра является также очень высокая чувствительность. Если чувствительность применяемого гальванометра составляет 2·10^-10 а/мм, то установка будет отмечать изменение температуры на 0,0005º.

Они используются для измерения как высоких, так и низких температур.

2. Терморезисторы широко применяются для регулирования температуры. Так, например, в термостате поддерживается постоянная температура благодаря терморезистору, соединенному с чувствительным электромагнитным реле. При повышении температуры, выше заданной, сопротивление терморезистора уменьшается, ток в цепи возрастает, вследствие чего реле срабатывает и разрывает электрическую цепь накала термостата. Когда температура понизится до заданного значения, сопротивление терморезистора увеличится, и реле включит термостат в электросеть.

3. В самолетах терморезисторы используются в системе пожарной сигнализации. Кроме того, они применяются в системе, обеспечивающей прозрачность иллюминаторов. При начале обледенения температура терморезистора, укрепленного на иллюминаторе, уменьшается, его сопротивление увеличивается, что является сигналом для автоматического включения системы обогрева иллюминатора.

4. В электротехнике терморезисторы используются для пуска шунтового двигателя и для стабилизации напряжения.

Для пуска шунтового двигателя необходимо постепенно увеличивать силу тока. Для этой цели терморезистор соединяется последовательно с якорем двигателя и при включении в электрическую цепь в терморезисторе выделяется тепло Джоуля-Ленца, его сопротивление уменьшается, поэтому ток, протекающий через двигатель, возрастает и увеличивается число оборотов двигателя, пока не достигнет рабочего режима. Возрастание тока не может быть беспредельным, так как он ограничен сопротивлением цепи. Схема стабилизатора напряжения с терморезистором TR приведена на рис. …, на котором R₃ – сопротивление нагрузки, падение напряжения на котором (I₃R₃) должно быть стабильным. Следовательно, ток I₃ не должен меняться.

Это достигается следующим образом. Напряжение U_AB получаемое от сети, распределяется

U_AB = U_AC + U_СD

При увеличении напряжения в сети

U’_AB = U_AВ + U_AB

ток через сопротивление R₁ возрастает (I’1 > I1), что вызывает увеличение тока I₂, протекающего через R₂ и терморезистор. Это приводит к уменьшению сопротивления терморезистора. Таким образом, увеличивается ток в этой ветви. Параметры терморезистора подбирают такими, чтобы напряжение на нагрузке не менялось. При уменьшении напряжения U_AB ток I₁ убывает, следовательно, уменьшается ток I₂ через термосопротивления. Это вызывает уменьшение его температуры и увеличение сопротивления, что приводит к увеличению падения напряжения на участке CD. Соответствующим подбором параметров терморезистора достигается стабильность напряжения на нагрузке. При этом важно, чтобы терморезистор обладал минимальной тепловой инерцией, вследствие чего изменение сопротивления следует за изменением тока (температуры).

3. Порядок выполнения лабораторной работы

4. Подведение итогов выполнения работы

подготовка и оформление отчета

5. техника безопасности при выполнении лабораторной работы

Собираем электрическую цепь постоянного тока.

В упражнении 1. R- термосопротивление, помещенное в термостат. Подогрев термостата осуществляется электроплиткой. Снижаем показания вольтметра и амперметра и по ним находим сопротивление:

Строим график зависимости R(T)

В упражнении 2. Вместо терморезистора ставим в схему фотосопротивление. Включаем лампу накаливания и реостатом регулируем ток в цепи. Прикрываем фоторезистор цветным (красным) стеклом. Измеряем ток. Затем кладем на фоторезистор второе такое же цветное стекло и т.д.

Строим график зависимости I (Ф), где Ф – световой поток, падающий на фотосопротивление. Мы пологаем, что каждый светофильтр уменьшает световой поток на одну и ту же величину.

Терморезистор - это устройство, сопротивление которого меняется с температурой. Правда, надо заметить, что не все устройства, изменяющие сопротивление с температурой, называются терморезисторами. Например, резистивные термометры, которые изготавливаются из маленьких катушек витой проволоки или из напыленных металлических плёнок, хотя их параметры и зависят от температуры, однако, работают не так, как терморезисторы. Обычно термин «терморезистор» применяется по отношению к чувствительным к температуре полупроводниковым устройствам. Терморезисторы с отрицательным ТКС изготавливаются из полупроводникового материала – спеченной керамики, изготовленной из смеси оксидов металлов.

Терморезисторы широко применяются везде, и мы встречаемся с ними каждый день: на них основаны системы противопожарной безопасности, системы измерения и регулирования температуры, теплового контроля, схемы температурной компенсации, измерения мощности ВЧ. Также применение терморезисторы находят в промышленной электронике и бытовой аппаратуре, в медицине, метеорологии, в химической и других отраслях промышленности.

В этой работе рассматриваются основы самого терморезисторного эффекта, устройство терморезисторов и важнейшие их характеристики.

Краткое описание сущности физического эффекта.

Терморезистор – это устройство, сопротивление которого сильно изменяется с изменением температуры. Это резистивный прибор, обладающий высоким ТКС (температурным коэффициентом сопротивления) в широком диапазоне температур. Различают терморезисторы с отрицательным ТКС, сопротивление которых падает с возрастанием температуры, часто называемые термисторами, и терморезисторы с положительным ТКС, сопротивление которых увеличивается с возрастанием температуры. Такие терморезисторы называются позисторами. Терморезисторы обоих типов изготавливают из полупроводниковых материалов, диапазон изменения их ТКС – (-6,5; +70)%/^оC.

На самом деле терморезисторный эффект совсем не сложен для понимания. Он заключается в изменении сопротивления полупроводника в большую или меньшую сторону за счет убывания или возрастания его температуры. Однако сам механизм изменения сопротивления с температурой отличен от подобного явления в металлах (о чем и говорит факт уменьшения сопротивления при увеличении температуры), и особенности этого физического эффекта будут подробнее рассмотрены ниже.

В 1833 году Фарадей обнаружил отрицательный ТКС у сульфида серебра, но отсутствие сведений о явлении в контактах металл-полупроводник препятствовало изготовлению приборов с воспроизводимыми характеристиками. В 30-х годах уже двадцатого века у некоторых оксидов, как Fe₃O₄ и UO₂, обнаружили высокий отрицательный температурный коэффициент сопротивления. В конце 30-х – начале 40-х этот ряд пополнился NiO, CoO, системой NiO-Co₂O₃-Mn₂O₃. Интервал удельных сопротивлений расширился благодаря добавлению оксида меди Mn₃O₄ и в систему NiO-Mn₂O₃.

Терморезисторы с отрицательным ТКС изготавливаются из оксидов металлов с незаполненными электронными уровнями, и при достаточно низких температурах обмен электронами соседних ионов затрудняется, при этом электропроводность вещества мала. Если температура увеличивается, то электроны приобретают энергию в виде тепла, процесс обмена ионов электронами становится интенсивнее, поэтому резко увеличивается подвижность носителей заряда.

Далее приведем несколько слов о физических особенностях терморезисторов (вернее полупроводниковых материалов, на основе которых изготовлены терморезисторы), имеющих положительный температурный коэффициент сопротивления в некотором интервале температур. Такие терморезисторы часто называют позисторами.

Терморезисторы с положительным ТКС можно разделить на 2 группы:

1. Терморезисторы из полупроводникового материала (обычно Si) в форме небольших пластин с двумя выводами на противоположных сторонах. Их применение основано на том, что легированные кристаллы Si (кремния) как n-, так и p- типа имеют положительный ТКС при температуре от криогенных до 150^oC и выше, причем ТКС при комнатной температуре примерно равен 0,8% на 1^oC.

2. Терморезисторы с большим ТКС (до 70% на 1^oC), но в более ограниченном диапазоне температур. Материалом в данном случае является поликристаллический полупроводниковый титанат бария с большим изменением ТКС при температуре 120^oC, соответствующей сегнетоэлектрической точке Кюри этого материала. Добавляя другие материалы, например титанат свинца или стронций, такое изменение ТКС можно получить при температурах от -100 до +250^oC. Можно также изменить наклон кривой сопротивления так, что большое изменение температур будет происходить в более узком интервале температур, например 0-100^oC.

Можно сказать несколько слов о титанате бария. При низких температурах это вещество представляет собой диэлектрик с преобладающей спонтанной поляризацией, потенциальный барьер между кристаллами мал. Очень важна температура, соответствующая точке Кюри для TiBa. При нагреве до этой температуры спонтанная поляризация исчезает, возрастает высота барьера и, следовательно, сопротивление сильно увеличивается.

Подробнее многие свойства и характеристики данного эффекта и приборов на его основе для материалов как с положительным, так и с отрицательным ТКС будут рассмотрены далее.