background image

 

Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki 

Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie

 

 

 
 
 
 
 
 
 

 

 

 
 

 
 
 
 

Laboratorium z Nauki o Materiałach  

 
 
 
 

Ćwiczenie nr 8: 

BADANIE WŁAŚCIWOŚCI ELEKTRYCZNYCH REZYSTORÓW 

LINIOWYCH I NIELINIOWYCH 

 

III rok, studia niestacjonarne, technologia chemiczna 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Temat ćwiczenia

Badanie właściwości elektrycznych rezystorów liniowych 

i nieliniowych.

 

Data 

wykonania: 

17.03.2012 

Nr ćwiczenia 

 

Wykonał 

mgr Józef Nawracaj 

 

Prowadzący: 

dr Grzegorz Grabowski 

Ocena: 

 

 

background image

 

Cel ćwiczenia: 

Celem  ćwiczenia  jest  zbadanie  podstawowych  charakterystyk  elektrycznych  trzech 

rodzajów rezystorów wykonanych z tytanianu baru, tlenku żelaza i wegla. 

 

Wstęp teoretyczny: 

 

Materiały ceramiczne znajdują szerokie zastosowanie w elektronice i elektrotechnice. 

Jednym z nich jest wykorzystywanie ceramiki do budowy rezystorów, czyli elementów, które 

rozpraszają  strumień  elektronów,  w  wyniku  czego  następuję  spadek  napięcia  na  takim 

elemencie połączony najczęściej z wydzielaniem ciepła. 

 

Główną  cechą  charakteryzującą  rezystory  jest  ich  charakterystyka  prądowo  – 

napięciowa, napięciowo – prądowa lub zależność ich rezystancji od temperatury.  

 

Liniowy  przebieg  funkcji  I  =  f(U)  pozwala  zaklasyfikować  rezystor  jako  liniowy. 

Istnieje  też  grupa  rezystorów  dla  których  przebieg  wspomnianej  funkcji  ma  charakter 

nieliniowy. Jeżeli ta nieliniowość spowodowana jest temperatura to wtedy mówimy o grupie 

rezystorów zwanych termistorami. 

 

Istnieją dwie grupy termistorów:  

PTC – charakteryzuje je silny wzrost rezystancji wraz ze wzrostem temperatury, wzrost ten 

następuje w stosunkowo niewielkim zakresie temperatur. Materiały o takich właściwościach 

wytwarzane  są  głównie  na  bazie  tytanianu  baru.  Zjawisko  wzrostu  rezystancji  w  funkcji 

temperatury  (inaczej  PTC  czyli  dodatni  temperaturowy  współczynnik  rezystancji)  zachodzi 

tam  podczas  przemiany  fazowej  ferroelektyka  w  paraelektryk.  Temperatura  początku  tej 

przemiany  fazowej  określana  jest  mianem  temperatury  Curie.  Określa  ona  temperaturowy 

zakres  stosowania  termistora.  Dla  czystego  tytanianu  baru  wynosi  ona  127 

0

C.  Zmianę  tej 

temperatury osiąga się poprzez odpowiednie domieszkowanie, przy czym zakres modyfikacji 

jest bardzo szeroki. Osiąga się temperatury Curie w zakresie -100 do 250 

0

 

C. 

NTC  –  w  tego  typu  termistorach  zachodzi  proces  odwrotny,  rezystancja  maleje  wraz  ze 

wzrostem  temperatury.  Termistory  posiadają  ujemny  temperaturowy  współczynnik 

rezystancji. Wykonywane są głównie z metali grup przejściowych takich jak mangan, nikiel, 

kobalt,  żelazo  i  miedź  a  mówiąc  dokładniej  z  tlenków  tych  metali,  które  w  procesie 

technologicznym  modyfikowane  są  poprzez  domieszkowanie  innymi  tlenkami  (np.  tlenek 

tytanu)  Przyrost  temperatury  powoduje  wzrost  stężenia  nośników  ładunku  elektrycznego, 

wzrost prądu i w efekcie spadek rezystancji. 

 
 
 
 
 

 

background image

 

 Termistor PTC [BaTiO

3

 

A. Badanie charakterystyki prądowo-napięciowej 

 

L.p. 

Napięcie U 

[V] 

Natężenie I 

[mA] 

1. 

3,1 

10 

2. 

5,1 

14 

3. 

7,1 

15 

4. 

9,1 

15 

5. 

11,1 

16 

6. 

13,1 

16 

7. 

15,1 

16 

8. 

17,1 

16 

9. 

19,1 

16 

10. 

21,1 

15 

11. 

23,1 

15 

12. 

25,1 

15 

13. 

27,1 

15 

 

Tabela 1. Charakterystyka prądowo- napięciowa badanego termistora PTC 

 
 

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

3,1

8,1

13,1

18,1

23,1

28,1

33,1

U [V]

I [mA]

 

Wykres nr 1.  Zależność I=f (U) dla badanego termistora PTC 

 
 
 
 
 
 
 

background image

 

 

B. Badanie zależności rezystancji od temperatury  

 
Parametry pomiaru: 

  U = 6 V 

  T

= 22 

0

C

 

 

L.p. 

Temperatura T 

[

0

C] 

Natężenie I 

[mA] 

Rezystancja R 

[

1. 

22 

13 

462 

2. 

25 

13 

462 

3. 

28 

12 

500 

4. 

31 

11 

545 

5. 

34 

10 

600 

6. 

37 

667 

7. 

40 

750 

8. 

43 

857 

9. 

46 

1000 

10. 

49 

1200 

11. 

52 

1200 

12. 

55 

1500 

13. 

58 

2000 

14. 

61 

2000 

15. 

64 

2000 

 

Tabela nr 2.  Zależność prądu płynącego przez badany termistor od jego temperatury pracy. 

 
 

0

500

1000

1500

2000

2500

22

27

32

37

42

47

52

57

62

67

T [C]

R []

 

Wykres nr  2. Zależność rezystancji badanego termistora od temperatury. 

 

 

background image

 

 

C. Wyznaczenie TWR. 

Prostoliniowość zależności R = f(T) przyjęto w zakresie temperatur 25 – 37 

0

 C 

1

0

0

0

0

0

0

0

0

037

,

0

12

*

462

205

205

462

667

12

25

37

462

25

*

=

=

=

=

=

=

=

=

=

K

TWR

R

T

R

C

T

T

R

R

TWR

 

 

D. Temperatura Curie. 

Wyraźny  wzrost  rezystancji  termistora  nastąpił  w  temperaturze  ok.  52 

0

C.    W  zakresie 

temperatur 52 – 61 

0

C. rezystancja wzrosła o 800 Ω. Współczynnik temperaturowej czułości 

termistora wyniósł w tym zakresie 7, 40%/K. Wartość tej temperatury jest o 18

0

 mniejsza od 

wartości podawanej przez producenta.  

 

E. Wyznaczenie R

MAX

/R

33

.

4

462

2000

2000

462

0

0

=

=

=

=

R

R

R

R

MAX

MAX

 

background image

 

 

Termistor NTC [tlenek żelaza] 

A. Badanie charakterystyki prądowo-napięciowej 

 

L.p. 

Napięcie U 

[V] 

Natężenie I 

[mA] 

1. 

3,1 

2. 

5,1 

3. 

7,1 

12 

4. 

9,1 

16 

5. 

11,1 

20 

6. 

13,1 

25 

7. 

15,1 

31 

8. 

17,1 

40 

9. 

19,1 

50 

10. 

21,1 

69 

11. 

23,1 

110 

12. 

24,8 

140 

 

Tabela 3. Charakterystyka prądowo- napięciowa badanego termistora NTC 

 

0

20

40

60

80

100

120

140

160

3,1

8,1

13,1

18,1

23,1

U [V]

I [mA]

 

Wykres nr  3. Zależność I=f (U) dla badanego termistora NTC 

 

 

 

 

 

background image

 

 

 

B. Badanie zależności rezystancji od temperatury  

 
Parametry pomiaru: 

  U = 6 V 

  T

= 22 

0

C

 

 

L.p. 

Temperatura T 

[

0

C] 

Natężenie I 

[mA] 

Rezystancja R 

[

1. 

22 

12 

500 

2. 

25 

12 

500 

3. 

28 

12 

500 

4. 

31 

12 

500 

5. 

34 

13 

462 

6. 

37 

14 

429 

7. 

40 

15 

400 

8. 

43 

16 

375 

9. 

46 

18 

333 

10. 

49 

18 

333 

11. 

52 

19 

316 

12. 

55 

20 

300 

13. 

58 

21 

286 

14. 

61 

23 

261 

15. 

64 

24 

250 

 

Tabela nr 4.  Zależność prądu płynącego przez badany termistor od jego temperatury pracy. 

 

0

100

200

300

400

500

600

22

27

32

37

42

47

52

57

62

T [C]

R[

 

Wykres nr  4. Zależność rezystancji badanego termistora od temperatury 

 

background image

 

 

C. Wyznaczenie temperaturowej czułości termistora:  

K

C

T

C

T

R

R

T

T

R

R

R

/

%

51

,

1

100

)

33

(

500

250

64

31

500

250

100

)

(

0

0

2

0

1

1

2

1

2

1

1

2

=

=

=

=

=

=

=

α

α

 

D. Wyznaczenie R

MAX

/R

0

5

,

0

250

500

0

0

=

=

=

R

R

R

R

MAX

MAX

 

background image

 

 

Rezystor „X” 

A. Badanie charakterystyki prądowo-napięciowej 

 

L.p. 

Napięcie U 

[V] 

Natężenie I 

[mA] 

1. 

3,1 

17 

2. 

5,1 

33 

3. 

7,1 

48 

4. 

9,1 

59 

5. 

11,1 

63 

6. 

13,1 

63 

7. 

15,1 

56 

8. 

17,1 

48 

9. 

19,1 

43 

10. 

21,1 

40 

11. 

23,1 

37 

12. 

25,1 

35 

13. 

26,9 

35 

 

Tabela 5. Charakterystyka prądowo- napięciowa badanego rezystora. 

 

0

10

20

30

40

50

60

70

3,1

8,1

13,1

18,1

23,1

28,1

U [V]

I [mA]

 

Wykres nr 5. Zależność I=f (U) dla badanego rezystora  

 

 

 

 

background image

 

10 

B. Badanie zależności rezystancji od temperatury  

 
Parametry pomiaru: 

  U = 6 V 

  T

= 22 

0

C

 

 

L.p. 

Temperatura T 

[

0

C] 

Natężenie I 

[mA] 

Rezystancja R 

[

1. 

22 

39 

154 

2. 

25 

39 

154 

3. 

28 

39 

154 

4. 

31 

38 

158 

5. 

34 

38 

158 

6. 

37 

38 

158 

7. 

40 

37 

162 

8. 

43 

37 

162 

9. 

46 

36 

167 

10. 

49 

35 

171 

11. 

52 

35 

171 

12. 

55 

34 

176 

13. 

58 

33 

182 

14. 

61 

33 

182 

15. 

64 

31 

194 

 

Tabela nr 6. Zależność prądu płynącego przez badany rezystor od jego temperatury pracy. 

 

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

22

27

32

37

42

47

52

57

62

67

T [C]

R[]

 

Wykres nr  6. Zależność rezystancji badanego rezystora od temperatury. 

 

 

 

background image

 

11 

Wnioski: 

Termistor PTC: 

 

Charakterystyka  prądowo  –  napięciowa  badanego  termistora  potwierdziła  jego 

nieliniowość.  W  temperaturze  otoczenia  zmianie  napięcia  nie  towarzyszyła  zmiana 

mierzonego  prądu  co  jest  charakterystyczne  dla  rezystorów  liniowych.  Zaobserwowano 

utrzymywanie  się  wartości  mierzonego  prądu  na  –  w  dużym  uproszeniu  –  stałym  poziomie 

pomimo  zwiększania  napięcia,  co  oczywiście  oznacza,  że  rezystancja  zmieniała  się  w 

szerokim zakresie. I tak dla napięcia 3.1 V wynosiła 310 Ω, dla wartości 15,1 V  - już 943 Ω, 

a dla najwyższego uzyskanego napięcia już 1806 Ω. 

 

Uzyskane  wyniki,  podczas  badania  w  warunkach  wzrostu  temperatury  potwierdziły 

występowanie  zjawiska  dodatniego  temperaturowego  współczynnika  rezystancji.  W  miarę 

podgrzewania  obserwowano  spadek  wartości  mierzonego  prądu,  co  przy  stałym  napięciu 

musiało oznaczać wzrost rezystancji termistora.  

 

Sporządzona  zależność  wyraźnie  pokazuje  przedział  temperatur,  w  którym  nastąpił 

gwałtowny  przyrost  rezystancji.    Termistor  w  początkowym  zakresie  temperatur  spełniał 

niemal  w  całości  prawo  Ohma.  Pod  wpływem  temperatury  rezystancja  zaczęła  rosnąć, 

nadwieszą  dynamikę  przyrostu  zanotowano  w  przedziale  52    -  58 

0

  C.  Wykres  wyraźnie 

pokazuje także zjawiska związane z początkiem przemiany fazowej tego ferroelektryka, czyli 

ustabilizowanie  rezystancji  w  niewielkim  zakresie  temperatur  tuz  przed  przemianą  a  w 

temperaturach powyżej tego zakresu dalsze podgrzewanie nie powodowało zmian rezystancji. 

Przemiana  fazowa  została  zakończona,  tytanian  baru  uległ  częściowej  przebudowie  układu 

krystalograficznego  czemu towarzyszy spadek przenikalności dielektrycznej. 

 

Termistor NTC: 

 

Charakterystyka  prądowo  –  napięciowa  badanego  termistora  pokazała  systematyczny 

spadek rezystancji w stałej temperaturze otoczenia i przy zwiększaniu wartości napięcia. Od 

620 Ω dla 3,1 V do 177 Ω dla maksymalnego napięcia wynoszącego 24, 8 V. Potwiedza to 

jego nieliniowy charakter. Przy czym wyraźne załamanie krzywej  - czyli wzrost mierzonego 

prądu  –  następuje  od  około  20  V.  Tłumaczyć  to  można  faktem,  że  zwiększane  napięcie 

powodowało nagrzewanie się termistora, zjawisko to wyraźnie nasiliło się powyżej 20 V. W 

wyniku  samonagrzewania  się  stężenie  nośników  ładunku  gwałtownie  wzrosło,  wartość 

mierzonego prądu wzrosła czyli w efekcie uzyskano efekt NTC, 

 

Analogiczny  efekt  NTC  uzyskano  zwiększając  wartość  temperatury  przy  stałym 

napięciu.  Napięcie  6  V  stosowane  podczas  badania  termistora  nie  powodowało  silnego 

samonagrzewania,  efekt  NTC  był  wynikiem  przede  wszystkim  zwiększania  temperatury. 

Zmiana rezystancji odbywała się niemal liniowo już od temperatury 31

0

 C. 

background image

 

12 

Nieznany rezystor. 

 

Badany rezystor nie wykazał cech PTC i NTC. W badanym przedziale temperaturowym 

rezystancja wzrosła w niewielkim zakresie, zaledwie o 40 Ω. Zaobserwowano jej wzrost więc 

wyklucza  to  występowanie  zjawiska  NTC  i    nie  zaobserwowano  gwałtownych  zmian  co  z 

kolei wyklucza PTC, przynajmniej w badanym zakresie temperatur. 

 

Charakterystyka prądowo napięciowa ujawniła dwojaką naturę badanego rezystora. Do 

wartości napięcia 11 V charakterystyka jest  - z niewielkimi odstępstwami  - liniowa, stosunek 

prądu  do  napięcia  pozostaje  stały zgodnie  z  prawem  Ohma.  Natomiast powyżej  tej wartości 

rezystancja  gwałtownie  rośnie,  wzrostowi  napięcia  towarzyszy  spadek  wartości  mierzonego 

prądu.  Nie  ma  danych  dotyczących  temperatury  badanego  rezystora  podczas  zwiększania 

napięcia  i  tym  samym  nie  można  stwierdzić  obecność  zjawiska  samonagrzewania  się  i 

ewentualnego efektu PTC powyżej maksymalnej temperatury czyli 64 

0

 C, do której nagrzano 

rezystor przy stałym napięciu 6 V.