Основные параметры и характеристики

К основным параметрам и характеристикам полупроводниковых терморезисторов относятся следующие.

Номинальное сопротивление – сопротивление терморезистора при определенной температуре окружающей среды (обычно это 20 º С). Промежуточные сопротивления терморезисторов соответствуют ГОСТ 2825–63.

Для каждого терморезистора указывается допустимое отклонение
от номинального сопротивления в процентах.

Основной характеристикой терморезистора является температурная зависимость сопротивления. Она практически определяет остальные характеристики терморезистора. Сопротивление терморезистора с отрицательным ТКС в рабочем интервале температур изменяется по экспоненциальному закону

(2.1)

где A – постоянная, определяемая физическими свойствами материала
и пропорциональная удельному сопротивлению; В – постоянная, определяемая энергией активации электрона, т. е. энергия, которую необходимо затратить, для того чтобы перевести электрон полупроводникового материала в энергетическое состояние проводимости; Т – температура, К.

Расчет сопротивления терморезистора при различной температуре окружающей среды может быть произведен по формуле

(2.2)

где R_To – сопротивление при Т_о = 293 К; Т – температура, при которой определяют сопротивление, К.

Следовательно, постоянная В может быть найдена в соответствии
с выражением (2.2) и по экспериментальным данным измерения сопротивления терморезистора при температурах Тo и Т как

(2.3)

Температурный коэффициент сопротивления характеризует чувствительность, т. е. изменение сопротивления терморезистора под действием температуры, и выражается в следующем виде:

(2.4)

Значение ТКС в соответствии с (2.1) и (2.4) можно найти как

. (2.5)

Из выражения (2.5) видно, что при повышении температуры абсолютная величина ТКС будет уменьшаться. Следует отметить, что для терморезисторов с положительным ТКС характерно его резкое увеличение
в узком интервале температур.

Статические вольтамперные характеристики терморезисторов определяют зависимость тока, протекающего через элемент, от приложенного к нему напряжения при тепловом равновесии между терморезистором
и окружающей средой. При протекании через терморезистор тока в нем выделяется тепло, температура элемента превышает температуру окружающей среды, т. е. происходит самонагрев, и, следовательно, сопротивление терморезистора определяется суммарной температурой: температурой среды и температурой саморазогрева.

На рис. 2.1 показан характер зависимости тока, проходящего через терморезистор, от напряжения на нем.

Рис. 2.1. Вольтамперная характеристика термистора

Физически вид вольтамперной характеристики определяется зависимостью между сопротивлением терморезистора RТ и рассеиваемой им мощностью РТ. Действительно, в соответствии с выражением (2.1) величина сопротивления определяется только его температурой. Мощность, рассеиваемая терморезистором в среду с неизменным состоянием, также определяется температурой. Следовательно, каждой величине рассеиваемой мощности будет соответствовать определенное сопротивление терморезистора. Соответствие зависимости вольт-амперной характеристике, приведенной на рис. 2.1, определяется выражениями:

; (2.6)

(2.7)

И, наоборот, по статической вольт-амперной характеристике можно построить по выражениям:

; (2.8)

(2.9)

Как видно из рис. 2.1, при возрастании тока напряжение, согласно закону Ома, вначале возрастает, но с увеличением самоподогрева сопротивление падает и напряжение также начинает уменьшаться. Очевидно, что максимум напряжения U_max зависит от окружающей температуры и условий охлаждения. Для практических целей напряжение на терморезисторе не должно быть больше, чем U_max. Это важнейшая характеристика для изучения и расчетов колебательных процессов в цепях с терморезисторами.

Статическое сопротивление терморезистора R определяется отношением напряжения U на терморезисторе к протекающему через него току I в установившемся режиме

( 2.10)

Дифференциальное сопротивление RД терморезистора равно пределу отношения приращения напряжения на нем к приращению тока, когда приращение тока стремится к нулю. Экспериментально дифференциальное сопротивление может быть найдено как тангенс угла, образованного касательной в рассматриваемой точке вольт-амперной характеристики
и осью токов.

Максимальная мощность рассеяния РТ – мощность, при которой терморезисторы, находящиеся при температуре 20 ± 1 º С, разогреваются при протекании тока до максимальной рабочей температуры.

Максимальная рабочая температура Т_m – температура, при которой характеристики терморезистора остаются стабильными в течение указанного изготовителем срока службы. При более высоких температурах могут произойти необратимые изменения, из-за которых терморезистор выходит из строя. Максимальная рабочая температура определяется не только свойствами материала терморезистивного элемента, но и конструктивными особенностями терморезистора. Часто допустимая рабочая температура ограничивается температурой размягчения припоя, используемого для соединения терморезистивного элемента с выводами.

Коэффициент рассеяния Н (Вт/º С) численно равен мощности, рассеиваемой на терморезисторе при разности температур образца и окружающей среды в 1 º С.

Коэффициент энергетической чувствительности G численно равен мощности, которую необходимо подвести к термистору для уменьшения его сопротивления на 1 %. Значение коэффициента энергетической чувствительности определяется режимом работы терморезистора.

Коэффициенты энергетической чувствительности и рассеяния, зависящие от свойств полупроводникового материала и характера теплообмена термистора с окружающей средой, связаны следующим соотношением:

(2.11)

Постоянная времени τ терморезистора – время, в течение которого температура термистора повышается до 63 º С при перенесении его из воздушной среды с температурой 0 º С в воздушную среду с температурой 100 º С. Постоянная τ характеризует тепловую инерционность терморезистора, т. е. время, в течение которого температура рабочего тела термистора изменяется в е раз.

Стабильность является одной из основных характеристик, определяющих качество выполнения терморезистора, совершенство технологии его изготовления, и характеризует неизменность всех параметров элемента во времени.

Задание

1. Изучить конструкции терморезисторов типа КМТ, ММТ, СТ-1. Изучить указания по выполнению работы в лаборатории. Взять исходные данные в соответствии с номером бригады из табл. П.2 приложения.

2. Снять вольт-амперные характеристики терморезисторов при комнатной температуре окружающей среды Т₀. Для этого устанавливать резистором R1 значения тока по миллиамперметру и определять напряжение по вольтметру.

Примечание: при снятии ВАХ терморезисторов необходимо сделать несколько измерений до самонагрева (по 6 точек для КМТ и ММТ, для СТ-1 – 4 точки):

а) 6 точек до 1, 5 mА включительно (для терморезистора КМТ);

б) 6 точек до 2 mA включительно (для терморезистора ММТ-4);

в) 4 точки до 0, 2 mА включительно (для терморезистора СТ1-18).

3. Аналогично п.1 для тех же значений токов снять вольтамперные характеристики терморезисторов для температур Т₂ и Т₃, заданных преподавателем (табл. П.2 приложения).

4. Рассчитать статические сопротивления исследуемых терморезисторов в соответствии с законом Ома (2.10).

5. Построить температурные зависимости сопротивления R(T) исследуемых терморезисторов (R брать при I = const! ). Графическим путем определить точку саморазогрева терморезисторов и максимальную мощность рассеивания.

6. Для рабочего участка ВАХ терморезистора (до точки саморазогрева U_max) рассчитать постоянные В и ТКС для всех исследуемых терморезисторов (допускается принять R_To = R_T_комн) для температуры Т_раб, заданной преподавателем.

Для указанного преподавателем в табл. П.2 приложения терморезистора:

7. По результатам экспериментальных данных построить зависимости U(I) и R(P) (по формулам (2.8) и (2.9)) терморезистора для температур Т₀, Т₂и Т₃.

8. По экспериментальным данным найти дифференциальные сопротивления Rд терморезистора для температур Т₀, Т₂ и Т₃ в середине рабочего участка ВАХ терморезистора.

* Жирным шрифтом выделены задания, которые необходимо выполнить непосредственно на лабораторной установке.

12 3 Следующая ⇒