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

                                                  (2.1)

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 быть произведен по формуле

                                        (2.2)

где  R_To – сопротивление при Т_о = 293 К; Т – температура, при которой определяют сопротивление, К.

Следовательно, постоянная В может быть найдена в соответствии
с выражением (2.2) и по экспериментальным данным измерения сопротивления терморезистора при температурах Тo и Т как

                                     (2.3)

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

                                         (2.4)

Значение ТКС в соответствии с (2.1) и (2.4) можно найти как

.                                               (2.5)

Из выражения (2.5) 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 напряжения при тепловом равновесии между терморезистором
и окружающей средой. При протекании через терморезистор тока в нем выделяется тепло, температура элемента превышает температуру окружающей среды, т. е. происходит самонагрев, и, следовательно, сопротивление терморезистора определяется суммарной температурой: температурой среды и температурой саморазогрева.

На рис. 2.1 показан характер зависимости тока, проходящего через терморезистор, от напряжения на нем.

Рис. 2.1. Вольтамперная характеристика термистора

Физически вид вольтамперной характеристики определяется зависи­мостью между сопротивлением терморезистора RТ и рассеиваемой им мощностью РТ. Действительно, в соответствии с выражением (2.1) величина сопротивления определяется только его температурой. Мощность, рассеиваемая терморезистором 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. 2.1, определяется выражениями:

;                                            (2.6)

                                                (2.7)

И, наоборот, по статической вольт-амперной характеристике можно построить  по выражениям:

;                                                (2.8)

                                             (2.9)

Как видно из рис. 2.1, при возрастании тока напряжение, согласно закону Ома, вначале возрастает, но с увеличением самоподогрева сопротивление падает и напряжение также начинает уменьшаться. Очевидно, что максимум напряжения U_max зависит от окружающей температуры и условий охлаждения. Для практических целей напряжение на терморезисторе не должно быть больше, чем U_max. Это важнейшая характеристика 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

                                        (2.10)

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 вольт-амперной характеристики
и осью токов.

Максимальная мощность рассеяния РТ – мощность, при которой 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:

                                          (2.11)

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 с 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

1. Изучить конструкции терморезисторов типа КМТ, ММТ, СТ-1. Изучить указания по выполнению работы в лаборатории. Взять исходные данные в соответствии с номером бригады из табл. П.2 приложения.

2. Снять вольт-амперные характеристики терморезисторов  при комнатной температуре ок­ружающей среды Т₀.Для этого устанавливать резистором R1 значения тока по миллиамперметру и определять напряжение по вольтметру.

Примечание:при снятии ВАХ терморезисторов необходимо сделать несколько измерений до самонагрева (по 6 то­чек для КМТ и ММТ, для СТ-1 – 4 точки):

а) 6 то­чек до 1,5 mА включительно (для терморезистора КМТ);

б) 6 то­чек до 2 mA включительно (для терморезистора ММТ-4);

в) 4 то­чки до 0,2 mА включительно (для терморезистора СТ1-18).

3. Аналогично п.1 для тех же значений токов снять вольтамперные характеристики терморезисторов для температур Т₂ и Т₃, заданных преподавателем(табл. П.2 приложения).

4. Рассчитать статические сопротивления исследуемых терморезисторов в соответствии с законом Ома (2.10).

5. Построить температурные зависимости сопротивления R(T) исследуемых терморезисторов (R брать при I = const!). Графическим путем определить точку саморазогрева терморезисторов и максимальную мощность рассеивания.

6. Для рабочего участка ВАХ терморезистора (до точки саморазогрева U_max) рассчитать постоянные В и ТКС для всех исследуемых терморезисторов (допускается принять R_To = R_Tкомн) для температуры Т_раб, заданной преподавателем.

Для указанного преподавателем в табл. П.2 приложения терморезистора:

7. По результатам экспериментальных данных построить зависимости U(I) и R(P) (по формулам (2.8) и (2.9)) терморезистора для температур Т₀, Т₂и Т₃.

8. По экспериментальным данным найти дифференциальные сопротивления Rд терморезистора для температур Т₀, Т₂ и Т₃ в середине рабочего участка ВАХ терморезистора.

* Жирным шрифтом выделены задания, которые необходимо выполнить непосредственно на лабораторной установке.