КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

ЛАБОРАТОРНАЯ РОБОТА № 5

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ТЕРМОСОПРОТИВЛЕНИЙ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучить характеристики и свойства полупроводниковых тер­мосопротивлений. Получить экспериментальные вольт-амперную и температур­ную характеристики для полупроводникового термосопротив­ления. На основании полученных экспериментальных характеристик рассчитать характеристику рассеивания.

 

 

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Полупроводниковые нелинейные резисторы - изделия электронной техники, основное свойство которых заключается в способности из­менять свое электрическое сопротивление под действием управляю­щих факторов: температуры, напряжения, магнитного поля по нели­нейному закону. Нелинейные резисторы имеют резко выраженную вольт-амперную характеристику (ВАХ) и в зависимости от парамет­ра, на который они реагируют, называются терморезисторами, ва­ристорами и магниторезисторами соответственно. Полупроводниковые термосопротивления (терморезисторы, термисторы, ПТС) являются сравнительно новым элементом автоматических устройств, и область их применения непрерывно расширяется. В настоящее время ПТС при­меняются в качестве датчиков температуры, термокомпенсаторов, стабилизаторов напряжения, ограничителей пускового тока в элект­роаппаратуре и т.д.

Материалом для изготовления термосопротивлений обычно служат прессованные и обожженные после тонкого измельчения окислы или карбиды некоторых материалов (марганца, титана, меди, никеля, ванадия, урана и др.). Существуют так же термосопротивления, из­готовленные из чистых полупроводниковых материалов: кремния, германия и др.

Форма термисторов самая разнообразная: цилиндры, диски, плос­кие прямоугольники, шайбы, миниатюрные бусинки и др. (рис.5.1 а-в). Рабочее тело полупроводникового термистора с подсоединенными вы­водами покрывают слоем лака или эмали и помещают в защитный ме­таллический или стеклянный баллон, заполненный инертным газом или находящийся под вакуумом.

Терморезисторы классифицируют по характеру температурного ко­эффициента, способу защит, конструкции, наличию подогревательно­го элемента и назначению.

Сокращенное условное обозначение состоит из сочетания букв, обозначающих подкласс резисторов: ТР - терморезистор с отрица­тельным ТКС, ТРП - терморезистор с положительным ТКС (позистор).

Цифра, стоящая после дефиса, означает порядковый номер разра­ботки конкретного типа. Например: ТР-2-33 кОм ± 20% - это термо­резистор с отрицательным ТКС, порядковый номер разработки - 2, номинальное сопротивление 33 кОм, допуск ±20%.

 

 

Рис. 5.1. Внешний вид и основные размеры терморезисторов

 

Классификация терморезисторов

 

По характеру ТКС	По способу подогрева	По конструкции	По способу защиты	По назначению
С отрицательным ТКС	Прямого подогрева	Стержневые и трубчатые	Изолированные	Измерение и регулирование температуры	Температурная компенсация
С положительным ТКС	Косвенного Подогрева	Дисковые и шайбовые	Неизолированные	Температурная стабилизация транзисторных схем	Пусковые устройства
	Пластинчатые и прямоугольные	Герметизированные	Автоматическое регулирование и сигнализация	Измерение мощности СВЧ
Бусинковые	Негерметизированные	Саморегулирующиеся позисторные термостаты	Размагничивание кинескопов
В колбах вакуумных ламп	Незащищенные	Генерирование ультранизкочастотных колебаний	Дистанционное управление
В транзисторных корпусах		Измерение скоростей газов и жидкостей	Стабилизация напряжения
	Тепловая защита элементов схем	Термопреобразование частоты

 

На рис.5.2. показано устройство полупроводниковых термосопро­тивлений типов ММТ-1, ММТ-4, ММТ-5. ПТС ММТ-1 представляет собой полупроводниковый стержень 1, покрытый эмалевой краской, с кон­тактными колпачками 2 и выводами 3. Этот тип ПТС может быть использован лишь в сухих помещениях.

 

Рис.5.2. Устройство полупроводниковых термосопротивлений

типов ММТ-1, ММТ-4, ММТ-5

 

Термосопротивления ММТ-4 и ММТ-5 монтируются в металлических чехлах (капсулах) и герметизируются, благодаря чему они могут быть использованы в условиях влажности и любой среды, не являю­щейся агрессивной относительно корпуса термосопротивления. По­лупроводниковый стержень 1 с контактным колпачком заключен в за­щитный металлический чехол 2. Герметизация осуществляется стек­лом 3 и оловом 4. Рабочий стержень в ММТ-4 обернут металлической фольгой 5. Эти ПТС выпускаются на номинальные значения сопротив­ления от 1 кОм до 200 кОм (при 20^oC) и пригодны для работы в ди­апазоне температур от -100^oC до +120^oC.

Наряду с новыми встречаются терморезисторы прошлых лет разра­ботки. Например: ММТ - медно-марганцевые, впоследствии стали обозначаться СТ2; КМТ - кобальто-марганцевые, впоследствии - СТ1. Более поздние разработки имеют обозначения:

СТ3 - медно-кобальто-марганцевые;

СТ4 - никель-кобальто-марганцевые;

СТ9 - на основе двуокиси ванадия VO₂.

Позисторы:

СТ5 - на основе титаната бария, легированного германием;

СТ6 - на основе легированных твердых растворов в системе

BaTiO₃-BaSnO₃;

СТ10 - на основе системы (Ba, Sr) TiO₃.

Особый интерес представляют миниатюрные ПТС, применяемые для измерения температуры малых объектов и для измерения температур, изменяющихся во времени. Миниатюрные ПТС обладают малой тепловой инерцией: порядка десятых долей секунды.

ПТС бусинкового типа марок Т8Д, Т8С и Т9 выполнены в виде ма­ленького шарика из полупроводникового материала, к которому прикреплены тонкие вольфрамовые выводы. Шарик с выводами помешен в стеклянный баллон диаметром около 3 мм и длиной 7-9 мм.

Терморезисторы, которые используются в качестве стабилизато­ров напряжения, обозначаются ТП2/0.5; ТП2/2; ТП6/2, где ТП - терморезистор прямого подогрева. Цифра в числителе указывает но­минальное значение напряжения в вольтах, цифра в знаменателе - среднюю силу рабочего тока в миллиамперах.

Полупроводниковые резисторы старых разработок, которые ис­пользуются в качестве измерителей СВЧ-мощности, обозначаются Т8, Т9, ТШ-1 и ТШ-2. Буква Ш обозначает малую шунтирующую емкость. Более поздние разработки обозначаются СТ-3-29 и СТ-3-32.

Различают терморезисторы прямого и косвенного подогрева. Тер­морезисторы, сопротивление которых изменяется при прохождении тока непосредственно через термочувствительный элемент и измене­нии температуры окружающей среды, называют терморезисторами пря­мого подогрева. Если же сопротивление изменяется при прохождении тока через специальный подогреватель, расположенный в непосредс­твенной близости от термочувствительного элемента, и изменении температуры окружающей среды, то такие изделия называют терморе­зисторами косвенного подогрева.

Терморезисторы косвенного подогрева старых разработок для систем регулирования с глубокой обратной связью обозначаются ТКП-20, ТКП-50 и ТКП-350, где цифры указывают значение сопротив­ления в омах при номинальной мощности, рассеиваемой в подогрев­ной обмотке. Позднее для этих целей были разработаны терморезис­торы СТ1-21, СТ3-21, СТ1-27 и СТ3-27.

На рис.5.3 показаны температурные характеристики (зави­симость сопротивления от температуры) медного и полупроводнико­вого (типа ММТ) термосопротивлений, из сравнения которых видно, что полупроводниковые терморезисторы обладают большей чувстви­тельностью.

 

Рис. 5.3 Кривые зависимости сопротивления от температуры медного (1)

и полупроводникового (2) термосопротивлений

 

Пример условных графических обозначений терморезисторов на электрических принципиальных схемах показан на рис.5.4.

Терморезистор прямого подогрева с положительным ТКС

Терморезистор прямого подогрева с отрицательным ТКС

Терморезистор косвенного подогрева

Рис.5.4. Условные обозначения термисторов в электрических схемах

Сопротивление ПТС при нагревании может либо уменьшаться (тер­морезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопро­тивления (ТКС)), либо увеличиваться (терморезисторы с положи­тельным ТКС - позисторы). Это значение составляет 2...8% на 1^оС (рис.5.5).

На практике чаще используются термисторы с отрицательным ТКС, т.е. когда сопротивление ПТС уменьшается при повышении темпера­туры. Температурная характеристика является основной характерис­тикой терморезистора, в значительной мере определяющей остальные характеристики этих изделий.

 

 

Рис.5.5. Температурные зависимости сопротивления ПТС с отрицательным (а)

и положительным (б) ТКС

 

 

Сопротивление термистора при любой температуре можно рассчи­тать, пользуясь зависимостью:

(5.1)

где Т - температура в градусах Кельвина (T=273+t^oC),

A и B - коэффициенты, постоянные для данного типа ПТС.

Для позисторов зависимость сопротивления от температуры можно рассчитать по выражению:

(5.2)

где a - ТКС при температуре t^oC.

Температурный коэффициент термистора для ПТС с отрицательным ТКС можно выразить следующим образом:

(5.3)

 

т.е. он отрицателен и обратно пропорционален квадрату абсолютной температуры (см. рис.5.3).

При значительных диапазонах изменения температур, сопротивле­ние полупроводниковых термисторов изменяется в сотни и тысячи раз, тогда как для меди изменение сопротивления происходит в де­сятки раз. Поэтому термисторы являются чрезвычайно чувствитель­ными элементами и при соответствующей измерительной схеме они реагируют на сотые и даже тысячные доли градусов.

Коэффициент B обычно определяется по двум экспериментальным значениям сопротивления ПТС, замеренным при 20 и 100^оС:

(5.4)

 

Достоинство термисторов - их высокое удельное (до 1000 Ом×см) и общее электрическое сопротивление. Общее электрическое сопро­тивление значительно превышает сопротивление соединительных про­водов, которыми они подключаются к вторичным измерительным при­борам. Поэтому колебания сопротивления соединительных проводов не вносят существенных погрешностей в результат измерения. Важной характеристикой ПТС является вольт-амперная характе­ристика ) (рис.5.6), вид которой зависит от сопротивления термочувс­твительного элемента, его конструкции, габаритных размеров, сте­пени тепловой связи между терморезистором и окружающей средой, а также ее температуры.

 

Рис.5.6. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) терморезисторов

 

Рассмотрим более подробно ВАХ термистора с отрицательным ТКС. ВАХ терморезистора характеризуется тремя основными участками: ОА, АВ и ВС (рис.5.7а). При достаточно малых токах, когда мощность развиваемая в ПТС, слишком мала, чтобы заметно его нагреть, вы­полняется закон Ома. Поэтому вольт-амперная характеристика на участке ОА линейна. На участке АВ линейность нарушается. С рос­том тока температура терморезистора повышается, а его сопротивление (вследствие увеличения числа электронов и дырок проводи­мости в материале полупроводника) уменьшается. При дальнейшем увеличении тока на участке ВС уменьшение сопротивления оказыва­ется столь большим, что увеличение тока не приводит к изменению напряжения. Это позволяет использовать некоторые типы ПТС для стабилизации напряжения.

Основным недостатком ПТС является большой разброс температур­ных характеристик отдельных экземпляров одного и того же типа. Поэтому приходится прибегать к экспериментальному определению сопротивлений ПТС при температурах рабочего диапазона и по ним строить температурную характеристику для каждого образца. Затем ПТС можно использовать в какой-либо измерительной схеме.

На рис.5.7,а показано возникновение релейного эффекта при изме­нении условий окружающей среды.

ВАХ I терморезистора соответствует температуре окружающей среды Q1, характеристика II - температуре Q2, III - изображает зависимость U_T=E-IR. При температуре Q1 ток в цепи I1 определя­ется абсциссой точки 1 пересечения ВАХ терморезистора и характе­ристики III. При повышении окружающей температуры от Q1 до Q2 ВАХ терморезистора опускается. При этом ток вначале возрастает плавно до значения I2 в точке 2, которая соответствует неустой­чивому состоянию схемы, и далее (при небольшом повышении температуры) скачком возрастает до I3 в точке 3, где устойчиво сохра­няет свое значение при постоянстве температуры. Это явление на­зывается прямым релейным эффектом.

 

Рис.5.7. Возникновение релейного эффекта при изменении темпера­туры (а)

и при изменении приложенного напряжения (б)

 

Уменьшение температуры приводит к плавному уменьшению тока до значения I1 в точке 4 и далее - к скачкообразному уменьшению то­ка до I1 (точка 1). Это явление называют обратным релейным эф­фектом.

На рис.5.7,б показано возникновение релейного эффекта при изме­нении приложенного напряжения.

При напряжении источника Е1 режим работы цепи определяется точкой 1. При увеличении напряжения до Е2 рабочая точка перехо­дит в положение 2, и достаточно небольшого увеличения напряже­ния, чтобы рабочая точка скачком переместилась в положение 3, что соответствует резкому увеличению тока от I2 до I3.

Выбор рабочей точки термистора при измерении температуры мож­но осуществить по ВАХ (рис.5.8), где нанесены линии постоянных температур рабочего тела ПТС, которые можно рассматривать, как линии постоянных статических сопротивлений. Все эти линии явля­ются лучами, выходящими из начала координат. Тангенс угла нак­лонного луча, равный статическому сопротивлению при данной тем­пературе рабочего тела ПТС, определяется законом Ома.

Действительно, при протекании тока через ПТС выделяется теп­ло, температура рабочего тела ПТС становится выше температуры окружающей среды, а это в соответствии с формулой (1) ведет к уменьшению сопротивления ПТС. При достижении некоторой критичес­кой точки В (рис.5.7) этот процесс реализуется, что приводит к уменьшению падения напряжения на ПТС при увеличении тока, идуще­го через него. На этом участке характеристики температура рабо­чего тела ПТС определяется, главным образом, рассеиваемой мощ­ностью.

Рис.5.8 Построение вольт-амперной характеристики

 

При использовании ПТС в качестве измерителей температуры ра­бочим участком вольт-амперной характеристики является ее линей­ная часть. Однако, во многих других случаях используется нели­нейная часть характеристики (например, в ограничителях пускового тока, стабилизаторах напряжения и т.п.).

Для каждой точки вольт-амперной характеристики могут быть оп­ределены статические R и динамические r сопротивления:

(5.5)

Статическое сопротивление всегда положительно и убывает с по­вышением тока; динамическое сопротивление положительно при I>I_кр и отрицательно при I<I_кр.

Важным параметром ПТС является максимально допустимая темпе­ратура Qmax и максимально допустимый ток I_max. Для большинства промышленных типов ПТС при использовании их как измерителей тем­пературы максимально допустимая температура Q_max=1200 ⁰C. Однако, ряд типов имеет более высокие значения: Q_max=1800...3800 ⁰C.

В общем случае можно сказать, что при использовании ПТС для других целей максимально допустимая температура выше, чем в слу­чае применения ПТС в качестве первичных преобразователей темпе­ратуры.

Величину максимально допустимого тока I_max можно найти из графика рис.5.7 по пересечению луча T_max с кривой вольт-амперной характеристики для данного значения температуры окружающей среды Q_o.

В установившемся тепловом состоянии вся мощность, выделяемая в рабочем теле ПТС проходящим через него электрическим током, рассеивается в окружающую среду, что можно описать следующей за­висимостью:

(5.6)

где I - ток, проходящий через ПТС,

R - сопротивление ПТС,

Q - температура окружающей среды,

Q- температура рабочего тела ПТС в данный момент,

b - коэффициент рассеивания, численно равный рассеивае­мой мощности в ПТС при превышении его температуры от температуры окружающей среды на 1^oС.

Коэффициент рассеивания зависит от конструктивного выполнения ПТС (размеров, состояния поверхности, размеров токопроводящих частей, материала рабочего тела) и состояния окружающей среды. Графическое изображение зависимости коэффициента рассеивания от перегрева рабочего тела ПТС называют характеристикой рассеивания. Эта характеристика неизменна для всех экземпляров одного и того же типа.

Характеристика рассеивания может быть вычислена из уравнения (6) по известным температурной и вольт-амперной характеристикам:

(5.7)

где (Q - Q₀) - перегрев ПТС.

И, наоборот, на основании уравнения (6) можно рассчитать вольт-амперную характеристику по заданным температурной характе­ристике и характеристике рассеивания.

Динамические процессы в цепи ПТС определяются дифференциаль­ным уравнением:

(5.8)

где - теплоемкость ПТС,

t - постоянная времени.

Дифференциальное уравнение (8) нелинейно и решается обычно графическим методом.

Основным параметром, характеризующим динамику процесса, явля­ется постоянная времени t. Экспериментально постоянную времени оценивают по времени, в течение которого сопротивление предвари­тельно разогретого ПТС снижается до 0.37 от начальной величины.