Politechnika          Białostocka

Wydział Elektryczny

Katedra Automatyki i Elektroniki

 

Instrukcja 

do 

ć

wicze

ń

 laboratoryjnych  z przedmiotu: 

 

 

ELEMENTY ELEKTRONICZNE 

 

Bezzł

ą

czowe elementy półprzewodnikowe 

 

BIAŁYSTOK 2008

 

 

Katedra Automatyki i Elektroniki                                                             Bezzłączowe elementy półprzewodnikowe 
__________________________________________________________________________________________                                                                                    

 

2

1. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO 

Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest: 

 poznanie  podstawowych  właściwości  i  parametrów  bezzłączowych  elementów 

półprzewodnikowych, takich jak: termistory (NTC, PTC i CTR), warystory, hallotrony; 

 zapoznanie się z kartami katalogowymi badanych elementów; 

 pomiar  statycznych  charakterystyk  prądowo-napięciowych  oraz  charakterystyk 

temperaturowych elementów bezzłączowych; 

 poznanie wybranych zastosowań badanych elementów półprzewodnikowych. 

Szczegółowy  zakres  ćwiczenia  oraz  typy  i    symbole  badanych  elementów  podaje 

prowadzący na początku ćwiczenia. 

 

2. WYPOSAśENIE STANOWISKA POMIAROWEGO 

 

 makiety uniwersalne, przedstawione na rys.1 i rys. 2; 

 uniwersalna płyta łączeniowa GL-12F z przewodami łączeniowymi; 

 regulowany zasilacz laboratoryjny HM7042 (2x 0–32 V/0–2 A + 1x 0–5,5 V/0–5 A); 

 oscyloskop cyfrowy; 

 generator funkcyjny; 

 multimetry uniwersalne; 

 termostat. 

Pozostałe przyrządy pomiarowe będą dostępne w zaleŜności od potrzeb. 

a) 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Katedra Automatyki i Elektroniki                                                             Bezzłączowe elementy półprzewodnikowe 
__________________________________________________________________________________________                                                                                    

 

3

b) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rys. 1  Dwa rodzaje makiet uniwersalnych do badania elementów bezzłączowych– skala 1:1 

(Oznaczenia: szare kółka – gniazda bananowe 2mm, czarne prostokąty – miniaturowe listwy 

łączeniowe do mocowania elementów z dwoma lub trzema zaciskami) 

 

3. BADANE ELEMENTY 

 

3.1 Termistory 

Termistory  są  to  elementy  półprzewodnikowe  bezzłączowe,  których  rezystancja  nie 

jest wielkością stałą, lecz silnie reaguje na zmiany temperatury.  

 

WyróŜnia się trzy typy termistorów:  

 

NTC (Negative Temperature Coefficent)  

-  termistory  o  ujemnym  współczynniku 

temperaturowym rezystancji; 

PTC (Positive Temperature Coefficent)  

-  termistory  o  dodatnim  współczynniku 

temperaturowym rezystancji; 

CTR (Critical Temperature Resistor)  

-  termistory  o  rezystancji  zmieniającej  się 

skokowo. 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys.2 Poglądowe charakterystyki 

rezystancyjno-temperaturowe termistorów 

T 

R

NTC

PTC

CTR

Katedra Automatyki i Elektroniki                                                             Bezzłączowe elementy półprzewodnikowe 
__________________________________________________________________________________________                                                                                    

 

4

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys.3 Poglądowe charakterystyki prądowo - napięciowe termistorów NTC i PTC 

 
3.1.1 Termistory NTC 

 

Rezystancja  termistora  NTC  zmniejsza  się  ze  wzrostem  temperatury  zgodnie  z 

przybliŜoną zaleŜnością: 

                                                            

T

B

T

e

A

R

⋅

=

 

 

                                        (1) 

gdzie: R

T

 – rezystancja termistora w temperaturze T, A i B – stałe materiałowe, T temperatura 

bezwzględna wyraŜona w stopniach Kelvina. 

W praktyce najczęściej znana jest rezystancja znamionowa termistora  R

T0

 podana dla 

temperatury  T

0

  równej  25ºC  czyli  298K.  Podstawiając  wartości  T

0

  i  R

T0

  do  wzoru  (1) 

moŜemy  obliczyć wartość stałej A, zaś podstawiając obliczoną wartość A do (1) otrzymamy 

zaleŜność temperaturową termistora w postaci: 

                                                         

)

(

0

0

T

B

T

B

T

T

e

R

R

−

⋅

=

                                                        (2) 

Temperaturowy współczynnik rezystancji termistora definiowany jest jako: 

  

 

 

 

         

dT

dR

R

T

T

T

1

=

α

 

 

 

 

 

    (3)    

i  dla  termistorów  NTC  jest  ujemny.  Warto  zauwaŜyć,  Ŝe  w  temperaturze  25ºC  moduł  tego 

współczynnika  (równego  około  -4%/K)  jest  ponad  10  razy  większy  od  współczynnika 

temperaturowego metali. 

Charakterystyka prądowo-napięciowa termistora NTC równieŜ jest nieliniowa (rys.3). 

W  zakresie  małych  prądów  przebiega  praktycznie  liniowo,  ale  powyŜej  pewnej  wartości 

U 

U 

I

I

NTC

PTC

Katedra Automatyki i Elektroniki                                                             Bezzłączowe elementy półprzewodnikowe 
__________________________________________________________________________________________                                                                                    

 

5

prądu płynącego przez termistor napięcie na jego zaciskach zaczyna się zmniejszać. Związane 

to jest z grzaniem się elementu, które powoduje zmniejszanie się rezystancji termistora.  

Termistory  stosuje  się  jako  czujniki  temperatury  w  układach  termoregulacji,  w 

klimatyzacji, chłodnictwie, wentylacji oraz układach automatycznej regulacji.  

 

3.1.2 Termistory PTC 

 

 

Termistory  PTC  charakteryzują  się  tym,  Ŝe  w  dość  szerokim  zakresie  temperatur 

(typowo od kilkunastu do ponad stu ºC) ich rezystancja rośnie wraz ze wzrostem temperatury 

(rys.2).  W  tym  zakresie  charakterystyka  rezystancyjno  -  temperaturowa  jest  opisywana 

przybliŜoną  zaleŜnością: 

                                                              

T

B

T

e

C

A

R

⋅

⋅

+

=

                                                    (4)  

gdzie: A, B i C stałe materiałowe, zaś temperaturowy współczynnik rezystancji: 

                                                     

T

B

T

B

T

T

T

e

C

A

e

C

B

dT

dR

R

⋅

⋅

⋅

+

⋅

⋅

=

=

1

α

  

 

 

    (5) 

Wartości współczynników α

T

 wahają się od kilku do kilkudziesięciu %/K. 

 

Charakterystyka prądowo-napięciowa termistora PTC jest nieliniowa (rys.3). 

 

Termistory PTC stosowane są w róŜnego rodzaju układach zabezpieczających (przede 

wszystkim przed przegrzaniem oraz przed zbyt duŜym prądem). 

 

3.1.3 Termistory CTR 

 

 

Termistory CTR charakteryzują się szybką, praktycznie skokową zmianą rezystancji w 

bardzo  wąskim  przedziale temperatur (rzędu pojedynczych K) wokół temperatury krytycznej 

(rys.2).  Spadek  rezystancji  moŜe  osiągać  nawet  pięć  rzędów wielkości. Wartość temperatury 

krytycznej zaleŜy przede wszystkim od materiału, którego wykonano termistor. Produkowane 

są termistory CTR o temperaturach od 35 do 80 ºC. 

 

3.2 Warystor 

Warystory  są  nieliniowymi  rezystorami,  których  rezystancja  maleje  ze  wzrostem 

doprowadzonego  do  nich  napięcia.  Do  produkcji  warystorów  wykorzystuje  się  tlenek  cynku 

(ZnO)  z  dodatkiem  tlenków  bizmutu,  manganu,  chromu  oraz  tlenków  innych  metali.  

Charakterystyka prądowo – napięciowa warystorów cynkowych opisywana jest zaleŜnością: 

Katedra Automatyki i Elektroniki                                                             Bezzłączowe elementy półprzewodnikowe 
__________________________________________________________________________________________                                                                                    

 

6

                                                             

α

U

k

I

⋅

=

                                                                  (6) 

gdzie:  U  –  napięcie  na  warystorze;  I  –  prąd,  płynący  przez  warystor;  α  –  współczynnik 

nieliniowości; k – stała, zaleŜna od wymiarów warystora i własności materiałowych.  

 

Wartość  współczynnika  α  moŜna  wyznaczyć  na  podstawie  współrzędnych  dwóch 

punktów  leŜących  na  roboczym  odcinku  charakterystyki  prądowo-napięciowej  warystora 

zgodnie z zaleŜnością: 

1

2

1

2

log

log

log

log

U

U

I

I

−

−

=

α

 

 

 

                

  (7) 

Przykładowa  charakterystyka  prądowo-napięciowa  warystora  ZnO  przedstawiona  jest 

na  rysunku  4.  W  zakresie  niskich  napięć  (prądów)  rezystancja  warystora  osiąga  dziesiątki 

MΩ, zaś w zakresie działania (duŜe wartości prądu) spada nawet do ułamków Ω.   

Napięcie  znamionowe  warystora  (U

V

)  jest  równe  spadkowi  napięcia  na  warystorze 

podczas  przepływu  przez  niego  prądu  o  określonej  wartości  (np.    1mA  lub  10mA),  w 

temperaturze otoczenia 25

o

C. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rys.4 Przykładowa charakterystyka prądowo-napięciowa warystora ZnO 

 

 

Warystory wykorzystywane są do ochrony przeciw przepięciowej (np. zabezpieczenia 

przed krótkimi przepięciami, które powstają podczas burz lub podczas przełączania obciąŜeń 

o charakterze indukcyjnym). 

 

 

U 

I

U

V

 

-

U

V

 

Katedra Automatyki i Elektroniki                                                             Bezzłączowe elementy półprzewodnikowe 
__________________________________________________________________________________________                                                                                    

 

7

 

3.3 Hallotron 

 

Hallotrony  są  elementami  półprzewodnikowymi,  których  zasada  działania  opiera  się 

na  efekcie  Halla.  Wykonywane  są  najczęściej  w  postaci  płytek  z  litych  materiałów 

półprzewodnikowych  lub  w  technologii  warstwowej  (półprzewodnik  na  podłoŜu 

ceramicznym lub mikowym).  

Zasadę działania hallotronu ilustruje rysunek 5. 

 

Rys. 5 Ilustracja zasady działania hallotronu 

 

 

Przez  hallotron,  umieszczony  w  polu  magnetycznym  o  indukcji  B,  płynie  prąd  o 

natęŜeniu  I.  PoniewaŜ  na  ładunek  elektryczny,  poruszający  się  z  prędkością  v  w  polu 

magnetycznym B działa, siła Lorentza: 

( )

B

v

e

F

r

r

r

×

=

                                       

                              (8) 

to  nośniki  ładunku,  tworzące  prąd  I,  są  odchylane  w  kierunku  poprzecznym  do  kierunku 

przepływu  prądu  I  i  prostopadłym  do  pola  magnetycznego  B.  Powoduje  to  wystąpienie 

gradientu koncentracji nośników ładunku i pojawienie się róŜnicy potencjałów (napięcia V

H

) 

proporcjonalnego do natęŜenia prądu I oraz indukcji B: 

Katedra Automatyki i Elektroniki                                                             Bezzłączowe elementy półprzewodnikowe 
__________________________________________________________________________________________                                                                                    

 

8

                                                                    

I

B

h

R

V

H

H

⋅

⋅

=

                                                                        (9) 

gdzie: R

H

 – stała Halla, zaś h – grubość płytki półprzewodnika. 

 

Warto zauwaŜyć, Ŝe napięcie V

H

 jest odwrotnie proporcjonalne do grubości płytki. 

Właściwości  elektryczne  hallotronu  opisują  rodziny  charakterystyk  statycznych: 

przejściowych  i  wyjściowych.  Charakterystyki  statyczne  przejściowe  to  funkcje  zmian 

napięcia  Halla  V

H

  od  parametru  sterującego:  pola  magnetycznego  B  lub  prądu  I,  płynącego 

przez  hallotron.  Charakterystyki  statyczne  wyjściowe  to  zaleŜność  napięcia  Halla  V

H

  od 

prądu wyjściowego (I

X

). 

Hallotrony znajdują zastosowanie m.in.:  

 do  pomiaru  wielkości  elektromagnetycznych  (np.  indukcji  magnetycznej,  natęŜenie 

prądu); 

 do pomiaru wielkości nieelektrycznych (np. prędkości obrotowej, przesunięcia); 

 jako wyłączniki bezkontaktowe. 

 

4. UKŁADY POMIAROWE 

4.1. Układy do wyznaczanie charakterystyk statycznych metodą "punkt po punkcie". 

 

 

 

 

 

 

a) 

 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

b) 

Rys.6 Schematy układów pomiarowych do wyznaczania charakterystyk statycznych metodą 

„punkt po punkcie”: a) pomiar „małych” rezystancji (z dokładnym pomiarem napięcia),  

b) pomiar „duŜych” rezystancji (z dokładnym pomiarem prądu). 

+ 

_ 

A 

V 

R 

Zasilacz 

regulowany

 

Badany 

element 

+ 

_ 

R 

Zasilacz 

regulowany

 

Badany 

element 

A 

V 

Katedra Automatyki i Elektroniki                                                             Bezzłączowe elementy półprzewodnikowe 
__________________________________________________________________________________________                                                                                    

 

9

4.2. Układ do wyznaczania charakterystyk statycznych metodą oscyloskopową. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Rys.7 Uproszczony schemat do wyznaczania charakterystyk statycznych elementów 

półprzewodnikowych metodą oscyloskopową. 

4.3 Zaproponować schematy pomiarowe do wyznaczania charakterystyk rezystancyjno-

temperaturowe termistorów. 

 

5. POMIARY 

 

Uwaga!  Przed rozpoczęciem pomiarów: 

 

zapoznać 

się 

z 

kartami 

katalogowymi 

badanych 

przyrządów 

półprzewodnikowych (dostępne w laboratorium lub na stronach internetowych); 

 

zanotować najwaŜniejsze parametry dopuszczalne i charakterystyczne badanych 

elementów. 

 

5.1  Wyznaczyć charakterystyki rezystancyjno-temperaturowe termistorów; 

5.2  wyznaczyć  charakterystyki  prądowo-napięciowe  termistorów  metodą  „punkt  po 

punkcie”; 

5.3  wyznaczyć charakterystyki prądowo-napięciowe termistorów metodą oscyloskopową; 

5.4   wyznaczyć  charakterystyki  prądowo-napięciowe  warystorów  metodą  „punkt  po 

punkcie”; 

5.5  wyznaczyć charakterystyki prądowo-napięciowe warystorów metodą oscyloskopową; 

5.6  zdjąć charakterystyki przejściowe hallotronu; 

5.7  zdjąć charakterystyki wyjściowe hallotronu; 

Badany 
element 

 

Transformator

 

 

do kanału X 
oscyloskopu 

do kanału Y 
oscyloskopu 

R 

Katedra Automatyki i Elektroniki                                                             Bezzłączowe elementy półprzewodnikowe 
__________________________________________________________________________________________                                                                                    

 

10

5.8  dokonać  pomiaru  prędkości  obrotowej  silnika  elektrycznego  (na  osi  silnika 

umieszczona jest wirująca tarcza z magnesem); 

 

6. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW 

 

Uwaga!  Protokół  pomiarowy  po  zakończeniu  ćwiczenia  powinien  być  podpisany  przez 

prowadzącego i dołączony do sprawozdania z ćwiczenia. 

 

W sprawozdaniu naleŜy zamieścić: 

 schematy układów pomiarowych 

 oscylogramy   

 wyniki pomiarów w postaci tablic i wykresów 

 niezbędne obliczenia 

 wnioski z przeprowadzonych badań. 

  

 

7. WYMAGANIA BHP 

 

 

Warunkiem  przystąpienia  do  praktycznej  realizacji  ćwiczenia  jest  zapoznanie  się  z 

instrukcją BHP, obowiązującą w Laboratorium, oraz przestrzeganie zasad w niej zawartych. 

 

8. LITERATURA 

 

1.  Kołodziejski  J.,  Spiralski  L.,  Stolarski  E.    Pomiary  przyrządów  półprzewodnikowych, 

WKiŁ, Warszawa, 1990. 

2.  Marciniak W. Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, WNT, 1984 

3.  Polowczyk M., Klugman E.  Przyrządy półprzewodnikowe, Wyd. Politechniki Gdańskiej, 

2001 

4.  Tietze U., Schenk Ch. Układy półprzewodnikowe, WNT, 1997. 

 

 

 

 

Opracował: dr in

Ŝ

. Andrzej Karpiuk