. Laboratóriumi gyakorlat A EMISZO. A gyakorlat célja A termisztorok működésének bemutatása, valamint főbb paramétereik meghatározása. Az ellenállás-hőmérséklet = f és feszültség-áram U = f ( I ) jelleggörbék felrajzolása mért adatok alapján.. Elméleti bevezető. Az érzékelő bemutatása A termisztorok működése a termoreziztivitás jelenségén, azaz az elektromos ellenállás hőmérséklet-függőségén alapszik. Minden anyag változtatja fajlagos ellenállását hőmérséklet hatására, de a változás mértéke és az azt leiró egyenletek formája anyagonként változik. Félvezetők esetében a fajlagos ellenállás változást leíró törvény a következő: w w k k 0e + e ρ = ρ ρ () ahol: ρ 0, ρ a tiszta, illetve szennyezett félvezető fajlagos ellenállása 0 =0 0 K hőmérsékleten. Δw Δw / tiszta illetve szennyezett félvezető anyagban a töltéshordozók egyik energia szintről a másik energia szintre történő átugráshoz szükséges energia hőmérséklet, melyen a fajlagos ellenállást számoljuk 3 k Boltzmann féle állandó, k =,38 0 J 0 K Amint látjuk, a fajlagos ellenállás változása exponenciális. Az elektromos fajlagos ellenállás hőmérsékletfüggőségét felhasználva, hőmérsékletre érzékeny ellenállást kapunk, melynek meghatározott hőmérséklet-intervallumra a fajlagos ellenállása következő: ahol a gyorsan változó tényező az exponenciális. Viszonylag kis hőmérsékleten (00 C-300 0 C-ig) a b paraméter értéke zérónak tekinthető, tehát az előző a következőképpen alakul: 6 w b k A e ρ = = () σ
w k ρ = A e (3) Ezt írhatjuk az alábbi alakba is, ami a termisztor hőmérsékleti jelleggörbéjének egyenlete B = A e (4) ahol: A hőmérséklettől független anyagállandó B hőmérsékletérzékenységi mutatónak nevezett állandó, Kelvin fokban kifejezve - hőmérséklet Mivel a termisztorok ellenállása nő vagy csökken a hőmérséklet növekedésével, megkülönböztetünk pozitermisztorokat (PC), ahol α >0 és negatermisztorokat (NC), ahol α <0 (α hőmérséklet változási együttható). Az. ábrán a termisztorok hőmérséklet függvényében történő ellenállásváltozása látható, összehasonlítva a fémek ellenállás-változásával. ermisztorok gyártásához a IV. főcsoportbeli fémek (Cr, Mn, Fe, Co, Ni) oxidjait használják fel. Negatermisztorok gyártásához 50 C hőmérsékletig NiO+MnO, NiO+MnO+CoO, Cu O+MnO, Cu O+ZnO vegyületeket használnak.a pozitermisztorok gyártásához általában titánötvözeteket használnak. A termisztorokat széles körben alkalmazzák hőmérséklet-érzékelőként, hőmérsékletszabályozó, túlmelegedés-védő áramkörökben, valamint a hőmérsékletváltozáskor fellépő nyomás stabilizálására, áramkorlátozásra, stb...a termisztorok paraméterei A termisztorok helyes használatához ismerni kell azok jelleggörbéit és paramétereit. 7
A hőmérséklet-érzékenységi mutató (B) meghatározása feltételezi két hőmérsékleten mért ellenállás ismeretét, melyek értéke ( ) és ( ). Ezek segitségével kifejezhetjük a B paramétert. ln B = Szabvány szerint ez a két hőmérséklet a =98,5 K (+5 C) és =358,5 K (+85 C) értékeket veszi fel, de lehet más érétkekkel is számolni. A B paraméter nagyságrendje 000 és 4000 között változik. Az ellenállás változás együtthatóját (hőmérséklet függvényében) (α ) a következő írja le: d α = [ / K ] (6) d Ez az együttható módosúl a hőmérséklet függvényében, ezért minden hőmérsékleten meg kell határozni. Egy adott és értékek közti hőmérsékletintervallumra meg lehet határozni egy = hőmérséklet értéknek megfelelő α középértéket, a következő egyenlet alapján: ( ) α = ln (7) A hőmérsékleti időállandó (τ), amit termisztor-inerciának is neveznek a termisztor válaszidejét méri.ezt több féle képen is meghatározhatjuk: Közvetett melegítésű termisztor esetén a τ állandó azt az időt jelenti, mialatt a termisztort 00 C-os környezetbe téve, a termisztor ellenállása eléri a 0 C hőmérsékleten mért ellenállás 37%-át (negatermisztorral dolgozva). Önmelegítésű termisztorok esetén τ az az idő, mialatt az átfolyó áram hőhatására felmelegedett termisztor ellenállása 63%-ot csökken, ha lekapcsoljuk róla a feszültséget. Az időállandó függ a termisztor méreteitől, anyagától és névleges teljesítményétől. A feszültség-áram U=f(I) átviteli jelleggörbe adott hőmérsékleten a termisztor típusától függ. Ezt a jelleggörbét a. ábra szemlélteti.. Ábra A termisztor U=f(I) jelleggörbéje. 8
Az ábra segitségével két ellenállásértéket határozunk meg, a statikus illetve dinamikus ellenállást melyeket egy adott P pontban a következő képletek adnak meg: A munkapont, általában az U=f(I) jelleggörbe lineáris szakaszán található. 3. A mérés menete: U P S U U = = = tgα tgβ (9) (8) I I P I D = U P I P I.lépés: Az U = f ( I ) karakterisztika meghatározása. A mérés környezeti hőmérsékleten történik. A termisztorra rákötjük az egyenáramú tápot a 3. ábra szerint. Növeljük a feszültséget az -es táblázatban megadott értékekre és lejegyezzük a megfelelő áramértékeket. Grafikusan ábrázoljuk az eredményt. 3. Ábra A termisztor bekötése az U = f ( I ) karakterisztika meghatározásához.. áblázat ermisztor U (V) 3 6 9 5 8 4 7 I (ma) II. lépés: Az = f ( ) karakterisztika meghatározása. A termisztort a környezeti hőmérsékleten levő vízbe helyezzük. A vizet melegíteni kezdjük (Maximum 60 fokig!). Ugyanabban az időben leolvassuk a termisztoron mért ellenállás és a referencia hőmérséklet értékeket. A termisztoron az ellenállást LC mérővel mérjük, a referencia hőmérsékletet a higanyos hőmérő szolgáltatja. Kitöltjük a -es táblázatot, majd grafikusan ábrázoljuk az eredményt. 4. Ábra A termisztor = f ( ) karakterisztikájának meghatározásához 9
. áblázat t ( C) 0 5 30 35 40 45 47 50 55 60 (k Ω) III. lépés Számítások. A -es táblázatból kiemelünk két mérési eredményt, például =5 C és =60 C valamint az ezeknek megfelelő ellenállásértékeket jelölve és vel. Kiszámítjuk a B és az α paramétereket az (5) valamint a (7) ek segitségével. Az U = f (I) karakterisztika grafikonján felveszünk egy P pontot, majd leolvassuk a koordinátákat (U, I) a feszültséget és az áramot. Ennek segitségével meghatározzuk az S statikus ellenállást a (8) alapján. A leolvasott (U, I) pont körűl még leolvasunk két (U, I) értékpárt, egyet a P pont felett, a másikat a P pont alatt. Ezekkel kiszámítjuk az D dinamikus ellenállást a (9) szerint. Kitöltjük a 3-as táblázatot. 3. áblázat Paraméterek.táblázat alapján (5) (7) (8) (9) ermisztor (5) (47) B α S D [Ω] [Ω] [ K] [/ C] [Ω] [Ω] 4. Kérdések és feladatok.. Az α paraméter értékét milyen hőmérsékletre határoztuk meg? (lásd. alfejezet). Milyen mérőhidat használnánk, ha termisztorral mért hőmérsékletet feszültséggé kellene átalakítani. ajzoljuk le a javasolt mérőáramkört. 3. A mérés során használt termisztor negatermisztor vagy pozitermisztor volt? 4. Keressünk alkalmazásokat a termisztor használatára! 0