Исследование температурной зависимости сопротивления

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №25
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ОКИСЛОВ
МЕТАЛЛОВ С ВЫСОКИМ ТЕМПЕРАТУРНЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ СОПРОТИВЛЕНИЯ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
1. Снять опытные данные и построить графики температурной
зависимости электрического сопротивления окислов металлов и
смесей, используемых в электронной технике для изготовления
терморезисторов.
2. Определить температурный коэффициент сопротивления каждого
образца и сравнить со справочными данными.
3. Рассчитать энергию активации.
1. Указания к работе
Полупроводниковыми называют приборы, действие которых основано
на использовании свойств полупроводников. Полупроводниковые приборы
делятся на полупроводниковые резисторы, тиристоры, биполярные
транзисторы, полевые транзисторы и полупроводниковые диоды.
Полупроводниковым резистором
называют полупроводниковый
прибор с двумя выводами, в котором используется зависимость
электрического
сопротивления
полупроводника
от
напряжения,
температуры, освещенности и других управляющих факторов.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ РЕЗИСТОРЫ
Линейные
резисторы
Варисторы
U
Терморезисторы
Тензорезисторы
t
Термисторы
0

Фоторезисторы
Позисторы
Рис. 1. Классификация и условное графическое обозначение
полупроводниковых резисторов.
В полупроводниковых резисторах применяется полупроводник,
равномерно легированный примесями. В зависимости от типа примесей и
конструкции резистора удается получить различные зависимости от
управляющих параметров. Классификация и условные графические
обозначения полупроводниковых резисторов приведены на рис. 1.
Линейный резистор - полупроводниковый резистор, в котором
применяется слаболегированный материал типа кремния или арсенида
галлия. Удельное электрическое сопротивление такого полупроводника мало
зависит от напряженности электрического поля и плотности электрического
тока. Полупроводниковые линейные резисторы широко применяют в
интегральных микросхемах.
Варистор - полупроводниковый резистор, сопротивление которого
зависит от приложенного напряжения, поэтому его вольтамперная
характеристика
нелинейна.
Полупроводниковым
материалом
для
изготовления варисторов служит карбид кремния.
Тензорезистор - полупроводниковый резистор, в котором используется
зависимость электрического сопротивления от механических деформаций.
Для изготовления тензорезисторов чаще всего применяют кремний, как с
электропроводностью p-типа, так и n-типа.
Фоторезистор - полупроводниковый резистор, сопротивление
которого зависит от освещенности. Достоинства фоторезисторов: высокая
чувствительность, возможность использования в инфракрасной области
спектра излучения, небольшие габариты и применимость для работы в цепях
постоянного и переменного токов.
Терморезистор - полупроводниковый резистор, в котором
используется зависимость электрического сопротивления от температуры.
Различают два типа терморезисторов: термистор - сопротивление которого,
с ростом температуры падает, и позистор - сопротивление которого с
повышением температуры возрастает.
Материалом для изготовления термисторов служат обычно
полупроводники с электронной проводимостью, как правило, оксиды
металлов и смеси оксидов. Конструктивно термисторы оформляют в виде
бусин, шайб, дисков. В ряде случаев термисторы помещают в стеклянные
баллоны и подогревают током с помощью специальной обмотки. Такой
термистор называют термистором косвенного подогрева.
Температурная характеристика терморезистора выражает зависимость
сопротивления от температуры ( рис. 2). Для большинства полупроводников
в широком интервале температур электрическое сопротивление
терморезистора может быть выражено экспоненциальным законом:
(1)
RI  K  e  / T ,
где
- коэффициент, зависящий от конструктивных размеров
терморезистора;
 - коэффициент, зависящий от концентрации примесей в
полупроводнике;
T - абсолютная температура.
K
R, кОм
2
1
Т, К
Рис. 2. Температурные характеристики терморезисторов:
1- терморезистора; 2 - позистора
Основным параметром, характеризующим работу терморезистора,
является температурный коэффициент сопротивления
1 dR I

100 ,
(2)
RT dT
который выражает процентное изменение сопротивления терморезистора при
изменении температуры.
Значение температурного коэффициента сопротивления для любой
температуры в диапазоне 20  150 0С можно найти с помощью выражения:
B
 ,
(3)
T2
где B - постоянная, величина которой определяется выражением
RT
T T
B  1 2  ln
,
T2  T1
RT
где T1 - исходная температура рабочего тела;
T2 - конечная температура рабочего тела, для которой определяется
значение температурного коэффициента;
RT1 и RT2 - сопротивление терморезистора при температурах T1 и T2 ,
соответственно.
Для выпускаемых промышленностью термисторов = -0,3 -0,66.
Термистор не обладает вентильными свойствами и имеет
сравнительно большую тепловую инерцию. Это свойство используют при
измерении действующих значений токов высокой частоты.
1
2
Позистор имеет положительный температурный коэффициент
сопротивления. Для выпускаемых промышленностью позисторов  = 10 50.
Терморезисторы применяют в системах регулирования температуры,
тепловой защиты, противопожарной сигнализации. Термисторы можно
использовать при измерении температуры в широком диапазоне, позисторы в ограниченных температурных диапазонах.
Зависимость сопротивления терморезисторов от температуры в
определенных температурных интервалах может описываться выражением:
E
R  A e kT ,
(4)
где A - константа;
k - постоянная Больцмана ( k = 1,3807.10-23 Дж/К );
E - энергия активации ( высота энергетического барьера ).
Под энергией активации понимается энергия, которую нужно
затратить, чтобы перевести электрон из связанного состояния в свободное.
Уменьшение сопротивления с возрастанием температуры может быть
объяснено увеличением количества носителей тока, т.е. увеличением
концентрации свободных электронов.
Для определения энергии активации строится график зависимости lnR
= f(1/T). Из уравнения (4) следует, что:
E 1
ln R 
 ln A .
k T
Данный график представляет собой прямую, тангенс угла наклона
которой к оси 1/T ( оси X ) равен
(5)
E
tg 
.
k
Последнее соотношение является исходным для определения энергии
активации.
2. Порядок выполнения работы
Ознакомьтесь с оборудованием. Занесите технические данные
электроизмерительных приборов, используемых в работе, в таблицу 1.
Таблица 1
Наименование
прибора
Марка
(тип)
Система
прибора
Предел
измерения
Класс
точности
Завод. №
прибора
Ознакомьтесь с литературными (справочными) характеристиками,
используемых в работе терморезисторов (см. приложение). Подготовьте
прибор РВ7-22А к работе:
ТЕРМОСТАТ
ОБРАЗЦЫ
2 3 4
1
5
ВОЛЬТМЕТР РВ7-22А
БЛОК УПРАВЛЕНИЯ
Рис.3. Схема экспериментальной установки
- нажмите кнопку -k  ;
- предел измерения выбирается исходя из справочных характеристик
образца СТ3-19 - 20 k  , ММТ-8 - 0,2 k  , КМТ-4 - 2 k  ;
- вставьте вилку шнура питания в розетку 220 В;
- включите тумблер "СЕТЬ";
- прогрейте прибор 15 минут;
- соедините кабели провода с 3 и общим входом.
Получите у преподавателя интервал температур, в котором проводится
измерение сопротивлений образцов.
Установите на термостате начальную заданную температуру.
Проверяйте температуру в термостате по контрольному термометру.
Для заданного интервала температур снимите 7-8 показаний значений
сопротивлений для каждого образца. Полученные данные занесите в таблицу
2.
Таблица 2
t,оC
T, K
1/T, K-1
СТ3-19
R, Ом
ln R
ММТ-8
R, Ом
Отключите термостат и измерительные приборы.
ln R
КМТ-4
R, Ом
ln R
3. Обработка результатов
1. На миллиметровой бумаге построить график зависимости R = f(T)
для каждого образца.
2. Рассчитайте температурный коэффициент сопротивления каждого
образца и сравните со справочными данными (см. приложение).
3. Постройте график зависимости ln R = f(1/T) для каждого образца и
рассчитайте по нему величину энергии активации.
4. Содержание отчета
1. Наименование и цель работы.
2. Схема экспериментальной установки.
3. Таблица технических данных электроизмерительных приборов.
4. Таблица экспериментальных данных.
5. Графики полученных зависимостей.
6. Расчеты.
7. Выводы.
5. Контрольные вопросы
1. Классификация и изображение на схемах полупроводниковых
резисторов.
2. Материалы для изготовления полупроводниковых резисторов.
3. Понятие терморезистора (материал, основные свойства).
4. Основные характеристики термисторов и позисторов.
5. Определение температурного коэффициента сопротивления.
6. Понятие энергии активации.
7. Методы определения (арифметический и графический) энергии
активации.
Список рекомендуемой литературы
1. Ю.В. Рублев, А.И. Куценко, А.В. Кортнев. Практикум по
электричеству.- М.: Высшая школа, 1977.- 158 с.
2. В.Г. Герасимов. Основы промышленной электроники.- М.: Высшая
школа, 1986.- 336 с.
Приложение
Образцы материалов:
- термистор ММТ-8 (смесь окиси меди и марганца)
t,oC
,%
R, Ом
-40  +80
-2,4  -3,4
1  100
- термистор КМТ-4 (смесь окислов калия и марганца)
t,oC
,%
R, кОм
-70  +120
-4,2  - 8,4
20  2000
- термистор СТ3-19 (смесь двуокиси титана с окислами магния,
кобальта, ванадия)
t,oC
,%
R, кОм
-90  +125
-3,4  - 4,5
2  15
- позистор СТ6-2Б
редкоземельных элементов)
t,oC
,%
R, Ом
(титанат
-60  +125
+ 15,0
10  100
бариевая
керамика
с
примесью