Politechnika Białostocka

Wydział Elektryczny

Katedra Automatyki i Elektroniki

Instrukcja

do

ć

wicze

ń

laboratoryjnych z przedmiotu:

ELEMENTY ELEKTRONICZNE

Bezzł

ą

czowe elementy półprzewodnikowe

BIAŁYSTOK 2008

Katedra Automatyki i Elektroniki Bezzłączowe elementy półprzewodnikowe
__________________________________________________________________________________________

2

1. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO

Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest:

poznanie podstawowych właściwości i parametrów bezzłączowych elementów

półprzewodnikowych, takich jak: termistory (NTC, PTC i CTR), warystory, hallotrony;

zapoznanie się z kartami katalogowymi badanych elementów;

pomiar statycznych charakterystyk prądowo-napięciowych oraz charakterystyk

temperaturowych elementów bezzłączowych;

poznanie wybranych zastosowań badanych elementów półprzewodnikowych.

Szczegółowy zakres ćwiczenia oraz typy i symbole badanych elementów podaje

prowadzący na początku ćwiczenia.

2. WYPOSAśENIE STANOWISKA POMIAROWEGO

makiety uniwersalne, przedstawione na rys.1 i rys. 2;

uniwersalna płyta łączeniowa GL-12F z przewodami łączeniowymi;

regulowany zasilacz laboratoryjny HM7042 (2x 0–32 V/0–2 A + 1x 0–5,5 V/0–5 A);

oscyloskop cyfrowy;

generator funkcyjny;

multimetry uniwersalne;

termostat.

Pozostałe przyrządy pomiarowe będą dostępne w zależności od potrzeb.

a)

Katedra Automatyki i Elektroniki Bezzłączowe elementy półprzewodnikowe
__________________________________________________________________________________________

3

b)

Rys. 1 Dwa rodzaje makiet uniwersalnych do badania elementów bezzłączowych– skala 1:1

(Oznaczenia: szare kółka – gniazda bananowe 2mm, czarne prostokąty – miniaturowe listwy

łączeniowe do mocowania elementów z dwoma lub trzema zaciskami)

3. BADANE ELEMENTY

3.1 Termistory

Termistory są to elementy półprzewodnikowe bezzłączowe, których rezystancja nie

jest wielkością stałą, lecz silnie reaguje na zmiany temperatury.

Wyróżnia się trzy typy termistorów:

NTC (Negative Temperature Coefficent)

- termistory o ujemnym współczynniku

temperaturowym rezystancji;

PTC (Positive Temperature Coefficent)

- termistory o dodatnim współczynniku

temperaturowym rezystancji;

CTR (Critical Temperature Resistor)

- termistory o rezystancji zmieniającej się

skokowo.

Rys.2 Poglądowe charakterystyki

rezystancyjno-temperaturowe termistorów

T

R

NTC

PTC

CTR

Katedra Automatyki i Elektroniki Bezzłączowe elementy półprzewodnikowe
__________________________________________________________________________________________

4

Rys.3 Poglądowe charakterystyki prądowo - napięciowe termistorów NTC i PTC

3.1.1 Termistory NTC

Rezystancja termistora NTC zmniejsza się ze wzrostem temperatury zgodnie z

przybliżoną zależnością:

T

B

T

e

A

R

⋅

=

(1)

gdzie: R

T

– rezystancja termistora w temperaturze T, A i B – stałe materiałowe, T temperatura

bezwzględna wyrażona w stopniach Kelvina.

W praktyce najczęściej znana jest rezystancja znamionowa termistora R

T0

podana dla

temperatury T

0

równej 25ºC czyli 298K. Podstawiając wartości T

0

i R

T0

do wzoru (1)

możemy obliczyć wartość stałej A, zaś podstawiając obliczoną wartość A do (1) otrzymamy

zależność temperaturową termistora w postaci:

)

(

0

0

T

B

T

B

T

T

e

R

R

−

⋅

=

(2)

Temperaturowy współczynnik rezystancji termistora definiowany jest jako:

dT

dR

R

T

T

T

1

=

α

(3)

i dla termistorów NTC jest ujemny. Warto zauważyć, że w temperaturze 25ºC moduł tego

współczynnika (równego około -4%/K) jest ponad 10 razy większy od współczynnika

temperaturowego metali.

Charakterystyka prądowo-napięciowa termistora NTC również jest nieliniowa (rys.3).

W zakresie małych prądów przebiega praktycznie liniowo, ale powyżej pewnej wartości

U

U

I

I

NTC

PTC

Katedra Automatyki i Elektroniki Bezzłączowe elementy półprzewodnikowe
__________________________________________________________________________________________

5

prądu płynącego przez termistor napięcie na jego zaciskach zaczyna się zmniejszać. Związane

to jest z grzaniem się elementu, które powoduje zmniejszanie się rezystancji termistora.

Termistory stosuje się jako czujniki temperatury w układach termoregulacji, w

klimatyzacji, chłodnictwie, wentylacji oraz układach automatycznej regulacji.

3.1.2 Termistory PTC

Termistory PTC charakteryzują się tym, że w dość szerokim zakresie temperatur

(typowo od kilkunastu do ponad stu ºC) ich rezystancja rośnie wraz ze wzrostem temperatury

(rys.2). W tym zakresie charakterystyka rezystancyjno - temperaturowa jest opisywana

przybliżoną zależnością:

T

B

T

e

C

A

R

⋅

⋅

+

=

(4)

gdzie: A, B i C stałe materiałowe, zaś temperaturowy współczynnik rezystancji:

T

B

T

B

T

T

T

e

C

A

e

C

B

dT

dR

R

⋅

⋅

⋅

+

⋅

⋅

=

=

1

α

(5)

Wartości współczynników α

T

wahają się od kilku do kilkudziesięciu %/K.

Charakterystyka prądowo-napięciowa termistora PTC jest nieliniowa (rys.3).

Termistory PTC stosowane są w różnego rodzaju układach zabezpieczających (przede

wszystkim przed przegrzaniem oraz przed zbyt dużym prądem).

3.1.3 Termistory CTR

Termistory CTR charakteryzują się szybką, praktycznie skokową zmianą rezystancji w

bardzo wąskim przedziale temperatur (rzędu pojedynczych K) wokół temperatury krytycznej

(rys.2). Spadek rezystancji może osiągać nawet pięć rzędów wielkości. Wartość temperatury

krytycznej zależy przede wszystkim od materiału, którego wykonano termistor. Produkowane

są termistory CTR o temperaturach od 35 do 80 ºC.

3.2 Warystor

Warystory są nieliniowymi rezystorami, których rezystancja maleje ze wzrostem

doprowadzonego do nich napięcia. Do produkcji warystorów wykorzystuje się tlenek cynku

(ZnO) z dodatkiem tlenków bizmutu, manganu, chromu oraz tlenków innych metali.

Charakterystyka prądowo – napięciowa warystorów cynkowych opisywana jest zależnością:

Katedra Automatyki i Elektroniki Bezzłączowe elementy półprzewodnikowe
__________________________________________________________________________________________

6

α

U

k

I

⋅

=

(6)

gdzie: U – napięcie na warystorze; I – prąd, płynący przez warystor; α – współczynnik

nieliniowości; k – stała, zależna od wymiarów warystora i własności materiałowych.

Wartość współczynnika α można wyznaczyć na podstawie współrzędnych dwóch

punktów leżących na roboczym odcinku charakterystyki prądowo-napięciowej warystora

zgodnie z zależnością:

1

2

1

2

log

log

log

log

U

U

I

I

−

−

=

α

(7)

Przykładowa charakterystyka prądowo-napięciowa warystora ZnO przedstawiona jest

na rysunku 4. W zakresie niskich napięć (prądów) rezystancja warystora osiąga dziesiątki

MΩ, zaś w zakresie działania (duże wartości prądu) spada nawet do ułamków Ω.

Napięcie znamionowe warystora (U

V

) jest równe spadkowi napięcia na warystorze

podczas przepływu przez niego prądu o określonej wartości (np. 1mA lub 10mA), w

temperaturze otoczenia 25

o

C.

Rys.4 Przykładowa charakterystyka prądowo-napięciowa warystora ZnO

Warystory wykorzystywane są do ochrony przeciw przepięciowej (np. zabezpieczenia

przed krótkimi przepięciami, które powstają podczas burz lub podczas przełączania obciążeń

o charakterze indukcyjnym).

U

I

U

V

-

U

V

Katedra Automatyki i Elektroniki Bezzłączowe elementy półprzewodnikowe
__________________________________________________________________________________________

7

3.3 Hallotron

Hallotrony są elementami półprzewodnikowymi, których zasada działania opiera się

na efekcie Halla. Wykonywane są najczęściej w postaci płytek z litych materiałów

półprzewodnikowych lub w technologii warstwowej (półprzewodnik na podłożu

ceramicznym lub mikowym).

Zasadę działania hallotronu ilustruje rysunek 5.

Rys. 5 Ilustracja zasady działania hallotronu

Przez hallotron, umieszczony w polu magnetycznym o indukcji B, płynie prąd o

natężeniu I. Ponieważ na ładunek elektryczny, poruszający się z prędkością v w polu

magnetycznym B działa, siła Lorentza:

( )

B

v

e

F

r

r

r

×

=

(8)

to nośniki ładunku, tworzące prąd I, są odchylane w kierunku poprzecznym do kierunku

przepływu prądu I i prostopadłym do pola magnetycznego B. Powoduje to wystąpienie

gradientu koncentracji nośników ładunku i pojawienie się różnicy potencjałów (napięcia V

H

)

proporcjonalnego do natężenia prądu I oraz indukcji B:

Katedra Automatyki i Elektroniki Bezzłączowe elementy półprzewodnikowe
__________________________________________________________________________________________

8

I

B

h

R

V

H

H

⋅

⋅

=

(9)

gdzie: R

H

– stała Halla, zaś h – grubość płytki półprzewodnika.

Warto zauważyć, że napięcie V

H

jest odwrotnie proporcjonalne do grubości płytki.

Właściwości elektryczne hallotronu opisują rodziny charakterystyk statycznych:

przejściowych i wyjściowych. Charakterystyki statyczne przejściowe to funkcje zmian

napięcia Halla V

H

od parametru sterującego: pola magnetycznego B lub prądu I, płynącego

przez hallotron. Charakterystyki statyczne wyjściowe to zależność napięcia Halla V

H

od

prądu wyjściowego (I

X

).

Hallotrony znajdują zastosowanie m.in.:

do pomiaru wielkości elektromagnetycznych (np. indukcji magnetycznej, natężenie

prądu);

do pomiaru wielkości nieelektrycznych (np. prędkości obrotowej, przesunięcia);

jako wyłączniki bezkontaktowe.

4. UKŁADY POMIAROWE

4.1. Układy do wyznaczanie charakterystyk statycznych metodą "punkt po punkcie".

a)

b)

Rys.6 Schematy układów pomiarowych do wyznaczania charakterystyk statycznych metodą

„punkt po punkcie”: a) pomiar „małych” rezystancji (z dokładnym pomiarem napięcia),

b) pomiar „dużych” rezystancji (z dokładnym pomiarem prądu).

+

_

A

V

R

Zasilacz

regulowany

Badany

element

+

_

R

Zasilacz

regulowany

Badany

element

A

V

Katedra Automatyki i Elektroniki Bezzłączowe elementy półprzewodnikowe
__________________________________________________________________________________________

9

4.2. Układ do wyznaczania charakterystyk statycznych metodą oscyloskopową.

Rys.7 Uproszczony schemat do wyznaczania charakterystyk statycznych elementów

półprzewodnikowych metodą oscyloskopową.

4.3 Zaproponować schematy pomiarowe do wyznaczania charakterystyk rezystancyjno-

temperaturowe termistorów.

5. POMIARY

Uwaga! Przed rozpoczęciem pomiarów:

zapoznać

się

z

kartami

katalogowymi

badanych

przyrządów

półprzewodnikowych (dostępne w laboratorium lub na stronach internetowych);

zanotować najważniejsze parametry dopuszczalne i charakterystyczne badanych

elementów.

5.1 Wyznaczyć charakterystyki rezystancyjno-temperaturowe termistorów;

5.2 wyznaczyć charakterystyki prądowo-napięciowe termistorów metodą „punkt po

punkcie”;

5.3 wyznaczyć charakterystyki prądowo-napięciowe termistorów metodą oscyloskopową;

5.4 wyznaczyć charakterystyki prądowo-napięciowe warystorów metodą „punkt po

punkcie”;

5.5 wyznaczyć charakterystyki prądowo-napięciowe warystorów metodą oscyloskopową;

5.6 zdjąć charakterystyki przejściowe hallotronu;

5.7 zdjąć charakterystyki wyjściowe hallotronu;

Badany
element

Transformator

do kanału X
oscyloskopu

do kanału Y
oscyloskopu

R

Katedra Automatyki i Elektroniki Bezzłączowe elementy półprzewodnikowe
__________________________________________________________________________________________

10

5.8 dokonać pomiaru prędkości obrotowej silnika elektrycznego (na osi silnika

umieszczona jest wirująca tarcza z magnesem);

6. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW

Uwaga! Protokół pomiarowy po zakończeniu ćwiczenia powinien być podpisany przez

prowadzącego i dołączony do sprawozdania z ćwiczenia.

W sprawozdaniu należy zamieścić:

schematy układów pomiarowych

oscylogramy

wyniki pomiarów w postaci tablic i wykresów

niezbędne obliczenia

wnioski z przeprowadzonych badań.

7. WYMAGANIA BHP

Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z

instrukcją BHP, obowiązującą w Laboratorium, oraz przestrzeganie zasad w niej zawartych.

8. LITERATURA

1. Kołodziejski J., Spiralski L., Stolarski E. Pomiary przyrządów półprzewodnikowych,

WKiŁ, Warszawa, 1990.

2. Marciniak W. Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, WNT, 1984

3. Polowczyk M., Klugman E. Przyrządy półprzewodnikowe, Wyd. Politechniki Gdańskiej,

2001

4. Tietze U., Schenk Ch. Układy półprzewodnikowe, WNT, 1997.

Opracował: dr in

ż

. Andrzej Karpiuk