НАПІВПРОВІДНИКОВІ РРЕЗИСТОРИ, ОСНОВНІ ВИЗНАЧЕННЯ. ТЕРМОРЕЗИСТОРИ

Напівпровідникові резистори – це НП прилади з двома виводами з однорідного напівпровідника без p-n-переходів.

Принцип дії напівпровідникових резисторів заснований на властивостях напівпровідників змінювати свій опір під дією температури, електромагнітного випромінювання, прикладеної напруги і інших факторів. До НП резисторів відносяться:

- лінійні резистори;

- терморезистори;

- фоторезистори;

- варистори.

Рисунок 8 – Умовні позначення лінійнго резистора (а), варистора (б), терморезистра (в), фото резистора (г)

Лінійний резистор – має постійний опір. Його ВАХ (рис.9)- лінійна. Матеріал – арсенід галію, як елемент ІМС.

Рисунок 9 – Напівпровідниковий резистор і його ВАХ

Терморезистори – це нелінійні термочутливі резистори, електричний опір яких значно змінюється при зміні температури. Така залежність визначається температурним коефіцієнтом опору α_т, який показує відносну зміну опору резисторів у разі зміни температури на 1°С.

Якщо зі збільшенням температури опір збільшується, температурний коефіцієнт опору має позитивний знак (+) - позистори, а якщо ні – негативний (-) – термістори (рис.8,в).

На рис. 10 зображений простий електричний ланцюг, що складається з терморезистора R_к і лінійного резистора R, величина якого не залежить від температури. Якщо до цього ланцюга прикласти напругу Е, в ній встановиться деякий струм І, величина якого визначається з рішення системи рівнянь:

                            Е = U_т + U_R = IR_к + IR,                                                                  (1)

                            I = Е / (R + R_к).                                                                                (2)

Рисунок 10 – Ланцюг з терморезистором

Рисунок 11 – Вольт-амперна характеристика терморезистора U_т =f(I),                                     

де U_т - падіння напруги на терморезисторі в сталому режимі.        

Залежність Uт =f(I) є вольтамперною характеристикою терморезистора (рис.11) з трьома основними ділянками: ОА, АВ і ВС:

-АВ – робоча ділянка позистора;

-ВС – робоча ділянка термістора.

Основні параметрами терморезисторів:

- номінальний (холодний) опір — опір робочого тіла терморезистора при температурі навколишнього середовища 20 °С, Ом;

- температурний коефіцієнт опору α_Т,

α_Т = -В/T²,

де В = T₁ T₂ / (T₁ - T₂)lnR_T1 / R_T2 - коефіцієнт температурної чутливості, залежний від фізичних властивостей матеріалу, К;

Т₁ - початкова температура робочого тіла;

Т₂ - кінцева температура робочого тіла, для якої визначається значення α_Т;

R_T1 i R_T2 — опори робочого тіла терморезистора при температурах відповідно Т₁ i Т₂.

- найбільша потужність розсіювання.

- постійна часу τ , с - характеризує теплову інерцію терморезистора.

τ являє собою відношення теплоємності С до коефіцієнту розсіювання b

τ = C/b;

- теплоємність C — кількість тепла, яку необхідно надати терморезистору, щоб підвищити температуру робочого тіла на 1 °С, Дж/°С.

- коефіцієнт розсіювання b - потужність, розсіювана терморезистором при різниці температур робочого тіла і навколишнього середовища в 1°С, Вт/град.

Використання: терморезистори (термістори, позистори використовуються як датчики температури у системах регулювання температури, теплового захисту, протипожежної сигналізації, для термостабілізації режимів роботи електронних пристроїв.

Потужні позистори дозволяють забезпечувати захист електрообладнання від струмів перевантаження (замість теплових реле).

ВАРИСТОРИ, ФОТОРЕЗИСТОРИ

Варистори – нелінійні НП резистори, робота яких заснована на ефекті зменшення опору напівпровідникового матеріалу при збільшенні прикладеної напруги. Струмопровідний елемент таких резисторів формують з карбіду кремнію і керамічного зв'язуючого матеріалу (глини). Зовнішній вигляд варисторів стержньового і дискового типів показаний на рис. 12, а. Деякі НП варистори призначені для застосування в мікросхемах. Конструктивне оформлення мікромодульного варистора показано на рис. 12, б.

Рисунок 12 – Конструктивне оформленняя варисторів

Схема включення варистора і його характеристика приведені на рис.13. Зі збільшенням прикладеної напруги опір варистора зменшується, а струм, що протікає в ланцюзі, зростає.

Основною особливістю варистора є нелінійність його вольтамперної характеристики, яка пояснюється явищами, що відбуваються на контактах і на поверхні кристалів карбіду кремнію.

Рисунок 13 – Варистор і його характеристика

Варистори – це симетричні опори, в яких одним і тим же абсолютним значенням напруги відповідають рівні абсолютні значення струмів, тому н варистор може бути використаний в ланцюгах і постійного, і змінного струму.

Основні параметри варисторів:

- статичний опір R_cт - значення опору варистора при постійних величинах струму і напруги

R_cт = U/I;

- динамічний опір R_д - опір варистора змінному струму

R_д = ∆U/∆I.

Динамічний опір в даній точці вольтамперной характеристики може бути визначений по тангенсу кута нахилу дотичною до ВАХ.

- коефіцієнт нелінійності β -  відношення статичного опору до динамічного опору

β = R_cт / R_д = ∆I U/∆ U I = const.

Величина β позитивна, має значення порядка 2...6 залежно від типу і номінальної напруги варистора;

- показник нелінійності α - величина, зворотна коефіцієнту нелінійності

α = 1/ β;                            

- класифікаційна напруга - напруга на варисторі при даному значенні струму.

Класифікаційна напруга стиржньових варисторів звичайно визначають при струмі 10 мА. У дискових варисторів класифікаційну напругу визначають при струмах 2..3 мА.

Класифікаційна напруга не є робочою експлуатаційною напругою варистора, яку вибирають виходячи з допустимої потужності розсіювання варистора і значення допустимої амплітуди напруги.                                    

Допустима амплітуда імпульсної напруги звичайно вказується в технічних умовах на варистор;

- класифікаційний струм — струм, при якому визначають класифікаційну напругу варистора;

- температурний коефіцієнт струму - характеризує зміну (підвищення) електропровідності варистора зі зростанням температури

ТКІ= (I₂ –I₁)/ I₂(t₂ – t₁)·100 % ,

де I₁ — струм при температурі t₁ , рівної 20 ± 2 °С; I₂ — струм при температурі t₂, рівної звичайно 100 ± 2 °С.

- допустима потужність розсіювання — потужність, при якій варистор зберігає свої параметри в заданих технічними умовами межах протягом терміну служби.

Варистори використовуються в різноманітних електронних схемах: для захисту приладів і елементів схем від перенапружень; стабілізації напруги та струму; регулювання і перетворення електричних сигналів.

Фоторезистори - прилади, принцип дії яких заснований на фоторезистивному ефекті - зміні опору напівпровідникового матеріалу під дією електромагнітного випромінювання.

Фоторезистори виготовляються на основі сульфіду кадмію, селеніда кадмію, сірчистого свинцю, а також полікристалічних шарів сірчистого і селенистого кадмію. Конструкції фоторезисторів різноманітні. Світлочутливі елементи звичайно розміщюються в пластмасовий або металевий корпус, а в окремих випадках, коли потрібні малі габарити, випускаються без корпусу.      

Фоторезистор включається в ланцюг послідовно з джерелом напруги і опором навантаження (рис. 14).

Рисунок 14 – Схема включення фото резистора

Якщо фоторезистор знаходиться в темноті, то через нього тече темновій струм

І_т = Е /(R_т +R_н ),

де Е - е р. с. джерела живлення;

R_т — величина електричного опору фоторезистора в темноті, яка називається темновим опором; R_н - опір навантаження.

При освітленні фоторезистора енергія фотонів витрачається на перехід електронів в зону провідності, Кількість вільних електронно-дірчастих пар зростає, опір фоторезистора падає і через нього тече світловий струм

І_с = Е /(R_с +R_н ),

Різниця між світловим і темновим струмом дає значення струму І_ф, який називається первинним фотострумом провідності. Коли променевий потік малий, первинний фотострум провідності практично безінерційний і змінюється прямо пропорційно величині променевого потоку, падаючого на фоторезистор. У міру зростання величини променевого потока збільшується число електронів провідності. Рухаючись усередині речовини, електрони стикаються з атомами, іонізують їх і створюють додатковий поток електричних зарядів, що одержав назву вторинного фотоструму провідності. Збільшення числа іонізованих атомів гальмує рух електронів провідності. В результаті цієї зміни фотоструму запізнюються в часі щодо змін світлового потоку, що визначає деяку інерційність фоторезистора.

Основними характеристиками фоторезисторів є:

- вольтамперна, яка характеризує залежність фотоструму (при постійному світловому потоці Ф) або темнового струму від прикладеної напруги. Для фоторезисторів ця залежність практично лінійна (рис. 15, а);

- світлова (люксамперна), що характеризує залежність фотоструму від падаючого світлового потоку постійного спектрального складу. Напівпровідникові фоторезистори мають нелінійну люксамперну характеристику (рис 15, б). Найбільша чутливість виходить при малої освітленості;

- спектральна, характеризує чутливість фоторезистора при дії на нього потоку випромінювання постійної потужності певної довжини хвилі. Спектральна характеристика визначається матеріалом, використовуваним для виготовлення світлочутливого елементу (рис. 15, в);

- частотна, характеризує чутливість фоторезистора при дії на нього світлового потоку, що змінюється з певною частотою. Наявність інерційності у фоторезисторів призводить до того, що величина їх фотоструму залежить від частоти модуляції падаючого на них світлового потоку - із збільшенням частоти світлового потоку фотострум зменшується (рис. 15, г). Інерційність обмежує можливості застосування фоторезисторів при роботі із змінними світловими потоками високої частоти.

Рисунок 15 – Характеристики фото резисторів: а – вольтамперна; б – світлова; в – спектральна; г - частотна

Основні параметри фоторезисторів:

- робоча напруга U_р — постійна напруга, прикладена до фоторезистора, при якої забезпечуються номінальні параметри при тривалій його роботі в заданих експлуатаційних умовах;

- максимально допустима напруга фоторезистора U_max— максимальне значення постійної напруги, прикладеної до фоторезистора, при якому відхилення його параметрів від номінальних значень не перевищує вказаних меж при тривалій його роботі в заданих експлуатаційних умовах;

- темновий опір R_т — опір фоторезистора у відсутністі падаючого на нього випромінювання в діапазоні його спектральної чутливості;                                           

- світловий опір R_c — опір фоторезистора, зміряне через певний інтервал часу після початку дії випромінювання, що створює на ньому освітленість заданого значення.

- допустима потужність розсіяння — потужність, при якій не наступає незворотних змін параметрів фотерезістора в процесі його експлуатації.

Загальний струм фоторезистора — струм, що складається з темнового струму і фотоструму.

Фотострум — струм, що протікає через фоторезистор при вказаній напрузі на ньому, обумовлений тільки дією потоку випромінювання із заданим спектральним розподілом.

- постійна часу τ_ф — час, протягом якого фототок змінюється на 63 %, тобто в е разів (е = 2,718).

Постійна часу характеризує інерційність приладу.

Останніми роками фоторезистори широко застосовуються в багатьох галузях науки і техніки. Це пояснюється їх високою чутливістю, простотою конструкції, малими габаритами і значною допустимою потужністю розсіювання. Значний інтерес представляє використовування фоторезисторів в оптоелектроніці.

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ:

1 Від чого залежить опір позистора?

2 В яких НП резисторах спостерігається релейний ефект?

4  Які НП резистори керуються напругою?

5  Назвіть основні характеристики фоорезистора.

6  В якому режимі підсилювальний каскад має найменші нелінійні спотворення?

ВИКЛАДАЧ– Ковальова Т.І.

ЛЕКЦІЯ № 4, №5 (4 год.)