Основные параметры и характеристики.

К основным параметрам и характеристикам полупроводниковых терморезисторов относятся следующие.

Номинальное сопротивление – сопротивление терморезистора при определенной температуре окружающей среды (обычно это 20 ºС). Промежуточные сопротивления терморезисторов соответствуют ГОСТ 2825-63.

Для каждого терморезистора указывается допустимое отклонение от номинального сопротивления в процентах.

Основной характеристикой терморезистора является температурная зависимость сопротивления. Она практически определяет остальные характеристики терморезистора. Сопротивление терморезистора с отрицательным ТКС в рабочем интервале температур изменяется по экспоненциальному закону:

(1)

 

где A - постоянная, определяемая физическими свойствами материала и пропорциональная удельному сопротивлению; В – постоянная, определяемая энергией активации электрона, т.е. энергия, которую необходимо затратить для того, чтобы перевести электрон полупроводникового материала в энергетическое состояние проводимости; Т – температура, К.

Расчет сопротивления терморезистора при различной температуре окружающей среды может бить произведен го формуле:

 

(2)

 

где R_To - сопротивление при То = 293 К, Т – температура, при которой определяют сопротивление, К.

Следовательно, постоянная В может быть найдена в соответствии с выражением (2) и по экспериментальным данным измерения сопротивления терморезистора при температурах Тo и Т как

 

(3)

 

Температурный коэффициент сопротивления характеризует чувствительность, т.е. изменение сопротивления терморезистора под действием температуры и выражается в следующем виде:

 

(4)

 

Значение ТКС в соответствии с (1) и (4) можно найти как

 

(5)

 

Из выражения (5) видно, что при повышении температуры абсолютная величина ТКС будет уменьшаться. Следует отметить, что для терморезисторов с положительным ТКС характерно его резкое увеличение в узком интервале температур.

Статические вольтамперные характеристики терморезисторов определяют зависимость тока, протекающего через элемент, от приложенного к нему напряжений при тепловом равновесии между терморезистором и окружающей средой. При протекании через терморезистор тока в нем выделяется тепло, и температура элемента будет превышать температуру окружающей среды, т.е. происходит самонагрев и, следовательно, сопротивление терморезистора определяется суммарной температурой: температурой среды и температурой саморазогрева.

На рис.1 показан характер зависимости тока через терморезистор от напряжения на нем.

 

Рис.1. Вольтамперная характеристика термистора

 

Физически вид вольтамперной характеристики определяется зависимостью между сопротивлением терморезистора Rт и рассеиваемой им мощностью Рт. Действительно, в соответствии с выражением (1) величина сопротивления определяется только его температурой. Мощность, рассеиваемая терморезисторам в среду с неизменным состоянием, также определяется температурой. Следовательно, каждой величине рассеиваемой мощности будет соответствовать определенное сопротивление терморезистора. Соответствие зависимости вольт – амперной характеристике, приведенной на рис.1, определяется выражениями:

 

(6)

(7)

 

И, наоборот, но статической вольтамперной характеристике можно построить по выражениям:

 

;

Как видно из рис.1, при возрастании тока напряжение вначале возрастает согласно закону Ома, но с увеличением самоподогрева сопротивление падает, и напряжение также начинает уменьшаться. Очевидно, что максимум напряжения Umax зависит от окружающей температуры и условий охлаждения. Для практических цепей напряжение на терморезисторе не должно быть больше, чем Umax. Это важнейшая характеристика для всех применений терморезистора, особенно для изучения и расчетов колебательных процессов в цепях с терморезисторами.

Статическое сопротивление терморезистора R определяется отношением напряжения U на терморезисторе к протекающему через него току I в установившемся режиме

 

(8)

 

Дифференциальное сопротивление Rд терморезистора равно пределу отношения приращения напряжения на нем к приращению тока, когда приращение тока стремится к нулю. Экспериментально дифференциальное сопротивление может быть найдено как тангенс угла, образованного касательной в рассматриваемой точке вольтамперной характеристики и осью токов.

Максимальная мощность рассеяния Рт - мощность, при которое терморезисторы, находящиеся при температуре 20 ± 1 ºС, разогреваются при протекании тока до максимальной рабочей температуры.

Максимальная рабочая температура Т_m - температура, при которой характеристики терморезистора остаются стабильными в течение указанного изготовителем срока службы. При более высоких температурах могут произойти необратимые изменения, из-за которых терморезистор выходит из строя. Максимальная рабочая температура определяется не только свойствами материала терморезистивного элемента, но и конструктивными особенностями терморезистора. Часто допустимая рабочая температура ограничивается температурой размягчения припоя, используемого для соединения терморезистивного элемента с выводами.

Коэффициент рассеяния Н (Вт/ ºС) численно равен мощности, рассеиваемой на терморезисторе при разности температур образца и окружающей среды в 1 ºС.

Коэффициент энергетической чувствительности G численно равен мощности, которую необходимо подвести к термистору для уменьшения его сопротивления на 1%. Значение коэффициента энергетической чувствительности определяется режимом работы терморезистора.

Коэффициенты энергетической чувствительности и рассеяния, зависящие от свойств полупроводникового материала и характера теплообмена термистора с окружающей средой, связаны следующим соотношением:

(9)

Постоянная времени τ терморезистора – время, в течение которого температура термистора повышается до 63 ºС при перенесении его из воздушной среды с температурой 0 ºС в воздушную среду о температурой 100 ºС. Постоянная τ характеризует тепловую инерционность терморезистора, т.е. время, в течение которого температура рабочего тела термистора изменяется в е раз.

Стабильность является одной из основных характеристик, определяющих качество выполнения терморезистора, совершенство технологии его изготовления, и характеризует неизменность всех параметров элемента во времени.

 

Задание к работе

1. Изучить конструкции терморезисторов типа КМТ, ММТ, СТ-1.

2. Снять вольтамперные характеристики (5-6 точек для КМТ и ММТ, для СТ-1 – 3 точки) терморезисторов при комнатной температуре окружающей среды.

3. Снять вольтамперные характеристики (5-6 точек для КМТ и ММТ, для СТ-1 – 3 точки) терморезисторов для температур окружающей среды Т₂ и Т₃, заданных преподавателем.

4. Рассчитать статические сопротивления исследуемых терморезисторов. Построить температурные зависимости сопротивления исследуемых терморезисторов.

5. Рассчитать постоянные В для всех исследуемых терморезисторов (допускается принять R_To = R_Tкомн.).

6. Найти ТКС исследуемых терморезисторов для температуры Т, заданной преподавателем.

7. По результатам экспериментальных данных построить зависимости терморезистора для трех значений температуры окружающей среды, заданных преподавателем.

8. По экспериментальным данным найти дифференциальные сопротивления Rд терморезисторов в точках U_x, заданных преподавателем.