ĆWICZENIE 10
Badanie własności termistorów
Charakterystyka ćwiczenia
Tematem ćwiczenia są termistory, czyli elementy wykonane z mate-
riałów charakteryzujących się znaczną zmianą wartości rezystywności
pod wpływem zmian temperatury. Można je zaliczyć do grupy
rezystorów parametrycznych tzn. takich, których rezystancja zależy od
pewnego dodatkowego czynnika zewnętrznego. Termistory pełnią przede
wszystkim funkcję czujników temperatury, mogą być również stosowane
dla wymuszonej zmianą temperatury regulacji prądu w obwodzie
elektrycznym. Regulacja taka może polegać zarówno na zwiększeniu jak
i ograniczeniu wartości prądu przy wzroście temperatury (odpowiednio
termistory typu NTC lub PTC).
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest wykonanie pomiarów i wyznaczenie parametrów
materiałowych kilku różnych rodzajów termistorów.
Ćwiczenie 10: Badanie własności termistorów
1. WPROWADZENIE
Termistory są wykonywane z takich materiałów półprzewodnikowych,
których rezystancja silnie zależy od temperatury. W zależności od
charakteru temperaturowej funkcji rezystancji termistory dzielą się na:
• termistory NTC (Negative Temperature Coefficient) o ujemnej
wartości temperaturowego współczynnika rezystancji
α
T
w zakresie -2 do -8 %/K;
• termistory PTC (Positive Temperature Coefficient) o dodatniej
wartości
α
T
+5 do +70 %/K);
• termistory CTR (Critical Temperature Resistor) o skokowej
zmianie rezystancji w pewnej charakterystycznej temperaturze.
Termistory NTC
Termistory z ujemnym współczynnikiem temperaturowym są wytwarzane ze
spieków: Fe
2
O
3
-TiO
2
, NiO-Li
2
O, MgO-TiO
2
, MgO-Al
2
O
3
. Zależność
rezystancji takich termistorów od temperatury wyraża wzór:
)
(
T
T
T
T
B
T
T
o
o
o
e
T
R
−
=
(1)
gdzie:
R
To,
R
T
- rezystancje termistora w temperaturach T
o
i T,
B
- stała wyznaczana doświadczalnie przy wykorzystaniu
wyników pomiarów rezystancji dla dwu temperatur ze
wzoru:
T
T
R
R
B
o
T
T
o
1
1
ln
ln
−
−
=
(2)
Temperaturowy współczynnik rezystancji charakteryzuje zmiana rezystancji
termorezystora pod działaniem temperatury i jest wyrażony w postaci
2
T
B
T
−
=
α
(3)
2
Ćwiczenie 10: Badanie własności termistorów
Termistory z ujemnym współczynnikiem temperatury są stosowane
do
pomiaru temperatury, kompensacji temperaturowych zmian rezystancji
obwodów elektrycznych, stabilizacji napięcia, zabezpieczania urządzeń, w
przekaźnikach rozruchowych i czasowych.
Termistory PTC
Termistory z dodatnim współczynnikiem temperaturowym są materiałami
ceramicznymi wytwarzanymi z polikrystalicznego tytanianu baru BaTiO
3
lub
z roztworu stałego BaTiO
3
-SrTiO
3
. Materiały te są ferroelektrykami o dużej
względnej przenikalności elektrycznej
ε
r
, zależnej od temperatury.
Właściwości półprzewodzące są zmieniane w wyniku domieszkowania
różnymi pierwiastkami. O charakterystyce rezystancji termistora z dodatnim
współczynnikiem temperaturowym decydują zjawiska na granicach ziaren
masy półprzewodnika. W niższych temperaturach ładunek przestrzenny,
wywołany polaryzacją spontaniczną, powoduje znaczne obniżenie bariery
potencjału na granicy ziaren, a tym samym zmniejszenie rezystancji. Po
przekroczeniu temperatury T
1
polaryzacja spontaniczna zaczyna zanikać (
ε
r
maleje), a po przekroczeniu T
2
- równej w przybliżeniu temperaturze Curie T
c
- całkowicie zanika. Temperatura Curie jest temperaturą charakterystyczną
materiału, w której zanika efekt ferromagnetyczny, a pozostaje
paramagnetyczny. Dzięki temu, w zakresie temperatur T
1
-T
2
następuje duży
wzrost rezystancji termistora. Termistor z
dodatnim współczynnikiem
temperaturowym w temperaturze niższej od temperatury T
1
wykazuje
właściwości warystora. Powyżej T
2
rezystancja termistora maleje ze
wzrostem temperatury.
Termistory CTR
Termistory ze skokowym zmniejszaniem się rezystancji są wykonywane ze
spieków polikrystalicznego tlenku wanadu lub tytanu. W pewnej określonej
temperaturze następuje zmiana ich struktury krystalicznej, prowadząca m.in.
do gwałtownego zmniejszenia rezystywności. Na przykład rezystywność
dwutlenku wanadu po przekroczeniu temperatury 68°C skokowo zmniejsza
się o cztery rzędy wielkości. Przez wprowadzenie odpowiednich domieszek
(np. Ge, Sn, Fe) można regulować temperaturę przemiany w dość szerokich
granicach (np. od -20 do 90°C).
3
Ćwiczenie 10: Badanie własności termistorów
2. WYKONANIE ĆWICZENIA
W czasie ćwiczenia wykonywane są badania kilku różnych termistorów.
Program ćwiczenia obejmuje:
-
wyznaczenie charakterystyk R=f(T) termistorów z dodatnim
i ujemnym współczynnikiem temperaturowym,
-
obliczenie wartości współczynników temperaturowych badanych
termistorów.
Układ pomiarowy
Schemat układu do wyznaczania zależności rezystancji termistorów od
temperatury przedstawiono na rysunku 1.
~ 220V
Zasilacz
napięcia
stałego
V
A
W
U=const
R
1
R
2
R
N
Temp=var
Rys. 1. Schemat układu do wyznaczania charakterystyk T=f(T) termistorów
Badane rezystory są umieszczone na wspólnym bloku metalowym o dużej
masie podgrzewanym przez grzejnik oporowy zasilony z
regulatora
temperatury. Temperatura bloku jest mierzona przez termoparę z zimnym
końcem stabilizowanym temperaturowo w mieszaninie wody z lodem.
4
Ćwiczenie 10: Badanie własności termistorów
3. SPRAWOZDANIE
Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:
- krótki opis badanych termistorów,
- schemat układu pomiarowego,
- tabelaryczne wyniki pomiarów temperatury i rezystancji,
- wykresy charakterystyk wyznaczone na podstawie dokonanych
pomiarów,
- obliczone wartości parametrów materiałowych;
- wnioski.
LITERATURA
1. Celiński Z.: Materiałoznawstwo elektrotechniczne. Wyd. Politechniki
Warszawskiej, Warszawa, 1998
2. Martiuszow K. I., Zajcew J. B.: Nieliniejnyje połuprowodnyje rezistory.
Energija, 1968
3. Praca zbiorowa: Poradnik inżyniera elektryka. T.1, WNT, Warszawa,
1996
5