Pracownia Elektryczna i Elektroniczna I

Ćw. 19 Rezystancyjne elementy nieliniowe

1

ĆWICZENIE 19

Rezystancyjne elementy nieliniowe

1. Trochę teorii

Rezystory charakteryzuje tzw. charakterystyka napięciowo-prądowa, czyli zależność

napięcia na ich zaciskach od przepływającego prądu. Jeżeli charakterystyka ta jest linią
prostą, to rezystor nazywamy liniowym. Rezystancja takiego rezystora nie zależy od napięcia
lub prądu.

i

R

u





u

G

i





(1)

W praktyce z różnych powodów (np. zależność parametrów od temperatury) występują

mniejsze lub większe odstępstwa od liniowości. Jeżeli charakterystyka napięciowo-prądowa
nie jest linią prostą, to rezystor nazywamy nieliniowym. W tym wypadku każdej wartości
prądu odpowiada inna wartość rezystancji rezystora. Własności takiego rezystora opisuje jego
charakterystyka napięciowo-prądowa. Dogodnie jest jednak wprowadzić dwa parametry
liczbowe, określające opór nieliniowy w jego miejscu pracy.



rezystancję statyczną,



rezystancję dynamiczną.

Rys.1. Charakterystyka napięciowo-prądowa rezystora nieliniowego

a) – rezystancja statyczna,

b) – rezystancja dynamiczna.

Rezystancję

statyczną

dynamiczną

rezystora nieliniowego określamy w danym punkcie A charakterystyki jako

A

A

st

i

u

R



A

A

dyn

i

u

R







(2)

Powyższa wartość jest współczynnikiem kierunkowym prostej

siecznej przechodzącej przez punkty OA

stycznej do krzywej w punkcie A



tg

k

R

st







tg

k

R

dyn





(3)

Charakteryzuje opór nieliniowy jako element obwodu prądu

stałego

zmiennego

k – zależy od skali przyjętej na osiach napięcia i prądu.

Rezystorami nieliniowymi są np. półprzewodniki bezzłączowe: warystor i termistor.

Pracownia Elektryczna i Elektroniczna I

Ćw. 19 Rezystancyjne elementy nieliniowe

2

1.1. Warystor

Warystor jest to rezystor wykonany z półprzewodnika, którego rezystancja zależy od

napięcia doprowadzonego do jego zacisków. Warystory mają nieliniową charakterystykę
napięciowo – prądową, którą określa wzór 4:



DI

U 

(4)

w którym:

D – rezystancja, której wartość jest równa spadkowi napięcia na warystorze w wyniku

przepływu prądu stałego o wartości 1A,

β – współczynnik nieliniowości.

Parametry charakteryzujące warystor:



Współczynnik nieliniowości, wyznaczony na podstawie pomiaru spadków napięć (U

1

,

U

2

) wywołanymi różnymi prądami (I

1

, I

2

),

2

1

2

1

2

1

2

1

/

lg

/

lg

lg

lg

lg

lg

I

I

U

U

I

I

U

U











(5)

wartość β zależy od materiału i technologii wykonania warystora;



napięcie charakterystyczne – spadek napięcia na warystorze, określany dla stałej
wartości prądu płynącego przez niego;



moc znamionowa.

Rys.3. Charakterystyka napięciowo – prądowa warystora.

Warystory wykonuje się z masy złożonej z proszku węglika krzemu (karborundu)

i ceramicznego spoiwa jako spiek. Warystory stosuje się do zabezpieczania obwodów
elektrycznych przed przepięciami, do stabilizacji napięcia, ochrony styków, w układach
przetworników częstotliwości itp.

- 20

- 10

10

20

- 50

-
100

5
0

10
0

U

V

mA

I

Pracownia Elektryczna i Elektroniczna I

Ćw. 19 Rezystancyjne elementy nieliniowe

3

1.2. Termistor

Termistor jest elementem półprzewodnikowym, którego rezystancja zależy od

temperatury. Zmiana wartości rezystancji może nastąpić na skutek wzrostu temperatury
otoczenia termistora lub (i) wydzielonego w nim ciepła. Termistor charakteryzuje się dużym
współczynnikiem temperaturowym rezystancji α

T

. Współczynnik ten określa względną

zmianę rezystancji termistora przy zmianie temperatury o ΔT,

T

R

R

T

T







1



(6)

Zależnie od wartości i znaku współczynnika α

T

dzieli się na trzy grupy:

1. NTC – o ujemnym współczynniku temperaturowym rezystancji;
2. PTC – o dodatnim współczynniku temperaturowym rezystancji;
3. CTR – o skokowej zmianie rezystancji.

Rys..2. Charakterystyka napięciowo – prądowa termistora.

1 – Termistor NTC, 2 – Termistor PTC, 3 – Termistor CTR.

Termistory są elementami wykonywanymi ze spieków sproszkowanych tlenków metali.

Najważniejszymi parametrami termistora są :

 rezystancja nominalna - wartość rezystancji termistora w temperaturze 25°C, wynosi

ona od pojedynczych omów do kilku megaomów;

 temperaturowy współczynnik rezystancji - określającym względną zmianę rezystancji

termistora przy zmianie temperatury o

T np. w temperaturze 25°C, wynosi od -4,85 do

-3%/K z tolerancją ± 5%

 dopuszczalna moc, która zależy od wykonania termistora, wynosi od 4,5 do 1500mW.

Termistory stosuje się:
 do pomiaru temperatury metodą oporową;
 do pomiaru mocy w zakresie mikrofal;
 w układach sygnalizacji, regulacji i stabilizacji temperatury;
 do kompensacji temperaturowej układów elektronicznych.

2

1

3

V

U

1

3

2

2
0

0

4
0

6
0

8
0

mA

I

Pracownia Elektryczna i Elektroniczna I

Ćw. 19 Rezystancyjne elementy nieliniowe

4

1.3

.

Układ pomiarowy

Przedmiotem badań są: warystor, termistory NTC i PTC oraz element liniowy rezystor. Do

układu pomiarowego można podłączyć inny, dowolny zewnętrzny element rezystancyjny.
Charakterystyki napięciowo– prądowej badanych elementów wyznaczamy metodą techniczną
w układzie którego schemat ideowy przedstawia rys. 4.

Rys.4. Schemat ideowy układu do pomiaru

charakterystyki statycznej.

Rys.5. Schemat ideowy układu do obserwacji

charakterystyki napięciowo-prądowej.

Na wejściu układu jest zasilacz napięcia stałego, umożliwiający nastawienie żądanej

wartości napięcia na badanym elemencie. Woltomierz cyfrowy V wskazuje spadek napięcia
na elemencie, a miliamperomierz mA mierzy prąd przez niego płynący. Rezystor R

s

jest

rezystorem zabezpieczającym, ograniczającym maksymalny prąd w danym elemencie.

Układ pomiarowy z rys. 5 umożliwia „automatyczne” wyznaczenie charakterystyki

napięciowo – prądowej. Źródło zasila układ: element-rezystor prądem zmiennym małej
częstotliwości. Spadek napięcia na elemencie nieliniowym R

N

doprowadzany jest do

wejścia Y oscyloskopu, a spadek napięcia na rezystorze R (proporcjonalny do prądu I) do
wejścia X. Przy pokrętle oscyloskopu TIME ustawionym w pozycji X-Y na ekranie
otrzymujemy charakterystykę napięciowo – prądową badanego elementu, przy czym wartości
napięcia i prądu w dowolnym punkcie charakterystyki wyznaczamy z wzorów:

y

y

L

C

U 

R

L

C

I

x

x



(7)

gdzie jak poprzednio (ćw.8):

 C

Y

- współczynnik odchylania (czułość oscyloskopu). toru Y,

 C

X

- współczynnik odchylania (czułość) toru X,

 L

X

i L

Y

– odchylenia plamki od położenia przy U = 0 w kierunku OX i OY.

Pracownia Elektryczna i Elektroniczna I

Ćw. 19 Rezystancyjne elementy nieliniowe

5

2. Wykonanie ćwiczenia

WYKAZ PRZYRZĄDÓW:

1. Źródło napięcia stałego (i zmiennego),
2. Płytka potencjometru Rs,
3. Układ pomiarowy S4 ze zworą,
4. miernik uniwersalny UM112B

nr. …………………….

5. multimetr cyfrowy Sanwa PC510

nr. …………………….

6. Oscyloskop analogowy Goldstar serii OS-9020

nr.. ……………………

2.1. Wyznaczanie charakterystyk napięciowo - prądowych

 Zestaw układ pomiarowy wg rys.6 i wskazówek prowadzącego. U

Z

= 24V,

Rys.6. Schemat montażowy układu do pomiaru

charakterystyki napięciowo - prądowej.

 jako woltomierz użyj multimetru cyfrowego PC510 (5), jako amperomierz miernika

uniwersalnego UM112B (4),

 zmierz charakterystyki poszczególnych elementów wykonując połączenia:

2.1.1. Warystor R

1

 zewrzyj kołki 1 – 9,
 wyniki wpisz do tabeli 1
 czy charakterystyka napięciowo-prądowa warystora jest symetryczna?
 oblicz rezystancję statyczną R

S

warystora,

 dla I = 1mA oblicz rezystancję dynamiczną R

d

korzystając z wzoru:

]

[

5

.

0

5

,

1

5

,

0

5

,

1













k

U

U

R

I

I

d

(8)

i porównaj z rezystancją statyczną R

S

,

 wykreśl zależności U = f(I) oraz R

S

= f(U).

Pracownia Elektryczna i Elektroniczna I

Ćw. 19 Rezystancyjne elementy nieliniowe

6

2.1.2. Termistor PTC

R

3

 przy pomiarach termistorów przy każdym pomiarze odczekaj ok. 5 min. na

ustabilizowanie się warunków termicznych (szczególnie dla NTC), korygując
w razie potrzeby wartość prądu,

 zewrzyj kołki 1 – 11,
 wyniki wpisz do tabeli 2
 oblicz rezystancję statyczną R

S

termistora PTC,

2.1.3. Termistor NTC

R

4

 zewrzyj kołki 1 – 12,
 wyniki wpisz do tabeli 3
 oblicz rezystancję statyczną R

S

termistora NTC,

2.1.4. Rezystor R

2

 zewrzyj kołki 1 – 10,
 wyniki wpisz do tabeli 4
 oblicz rezystancję badanego rezystora.

 Dla termistorów PTC i NTC i rezystora R2 wykonaj wykresy zależności:

 U = f(I), na jednym wykresie,
 oraz R

S

= f(I) na drugim wykresie.

2.2. Obserwacja charakterystyk napięciowo - prądowych

 Zestaw układ pomiarowy wg rys.7 i wskazówek prowadzącego U

Z

=

 24V,

Rys.7 Schemat montażowy układu do obserwacji

charakterystyki napięciowo - prądowej.

 Zaobserwuj i przerysuj charakterystykę napięciowo – prądową badanych elementów.

Pracownia Elektryczna i Elektroniczna I

Ćw. 19 Rezystancyjne elementy nieliniowe

7

PYTANIA KONTROLNE I ZAGADNIENIA DO OPRACOWANIA

1. Omów budowę warystora i jego właściwości.
2. Podaj przykłady zastosowań warystorów.
3. Omów podział termistorów. Jakie cechy charakterystyczne mają termistory każdej

grupy?

4. Omów podstawowe charakterystyki i parametry termistorów.
5. Czym różni się termistor NTC i PTC?
6. Jaka jest różnica między termistorem a warystorem?
7. Podaj przykłady zastosowania termistorów.

Pracownia Elektryczna i Elektroniczna I

Ćw. 19 Rezystancyjne elementy nieliniowe

8

Protokół pomiarowy

Ocena

Nazwisko Imię.............................................................................

Klasa……………Data wykonania …………………………….

Wyk.

Kl.

Spr.

.....................................................................................

.....................................................................................

Nr i temat ćwiczenia

OK

Tabela 1

R

1

Warystor

typ VAR 7-14

I

mA

0

0,01

0,05

0,1

0,25

0,5

1

1,5

2

U

V

R

S

k

I

mA

-0

-0,01 -0,05

-0,1

-0,25

-0,5

-1

-1,5

-2

U

V

R

S

k

R

d

= …………………..

Tabela 2

R

3

Termistor PTC

typ KTY81-110

I

mA

0

1

2

4

6

8

10

12

U

V

R

S

k

Pracownia Elektryczna i Elektroniczna I

Ćw. 19 Rezystancyjne elementy nieliniowe

9

Tabela 3

R

4

Termistor NTC

typ NTC-K45-1

I

mA

0

1

2

4

6

8

10

12

U

V

R

S

k

Tabela 4

R

2

Rezystor

I

mA

0

1

2

4

6

8

10

12

U

V

R

S

k

Pracownia Elektryczna i Elektroniczna I

Ćw. 19 Rezystancyjne elementy nieliniowe

10

Opis

S

x

= X-Y

CH1

CH2

S

y

= ……….

S

y

= ……….

Rodzaj sprzężenia:

…………

…………

Rodzaj wyzwalania – ………..

Źródło synchronizacji – ……..

Oscylogram 1. Pomiar

Opis

S

x

= X-Y

CH1

CH2

S

y

= ……….

S

y

= ……….

Rodzaj sprzężenia:

…………

…………

Rodzaj wyzwalania – ………..

Źródło synchronizacji – ……..

Oscylogram 2. Pomiar

Opis

S

x

= X-Y.

CH1

CH2

S

y

= ……….

S

y

= ……….

Rodzaj sprzężenia:

…………

…………

Rodzaj wyzwalania – ………..

Źródło synchronizacji – ……..

Oscylogram 3. Pomiar