Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki

Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie

Laboratorium z Nauki o Materiałach

Ćwiczenie nr 8:

BADANIE WŁAŚCIWOŚCI ELEKTRYCZNYCH REZYSTORÓW

LINIOWYCH I NIELINIOWYCH

III rok, studia niestacjonarne, technologia chemiczna

Temat ćwiczenia:

Badanie właściwości elektrycznych rezystorów liniowych

i nieliniowych.

Data

wykonania:

17.03.2012

Nr ćwiczenia

8

Wykonał

mgr Józef Nawracaj

Prowadzący:

dr Grzegorz Grabowski

Ocena:

2

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest zbadanie podstawowych charakterystyk elektrycznych trzech

rodzajów rezystorów wykonanych z tytanianu baru, tlenku żelaza i wegla.

Wstęp teoretyczny:

Materiały ceramiczne znajdują szerokie zastosowanie w elektronice i elektrotechnice.

Jednym z nich jest wykorzystywanie ceramiki do budowy rezystorów, czyli elementów, które

rozpraszają strumień elektronów, w wyniku czego następuję spadek napięcia na takim

elemencie połączony najczęściej z wydzielaniem ciepła.

Główną cechą charakteryzującą rezystory jest ich charakterystyka prądowo –

napięciowa, napięciowo – prądowa lub zależność ich rezystancji od temperatury.

Liniowy przebieg funkcji I = f(U) pozwala zaklasyfikować rezystor jako liniowy.

Istnieje też grupa rezystorów dla których przebieg wspomnianej funkcji ma charakter

nieliniowy. Jeżeli ta nieliniowość spowodowana jest temperatura to wtedy mówimy o grupie

rezystorów zwanych termistorami.

Istnieją dwie grupy termistorów:

PTC – charakteryzuje je silny wzrost rezystancji wraz ze wzrostem temperatury, wzrost ten

następuje w stosunkowo niewielkim zakresie temperatur. Materiały o takich właściwościach

wytwarzane są głównie na bazie tytanianu baru. Zjawisko wzrostu rezystancji w funkcji

temperatury (inaczej PTC czyli dodatni temperaturowy współczynnik rezystancji) zachodzi

tam podczas przemiany fazowej ferroelektyka w paraelektryk. Temperatura początku tej

przemiany fazowej określana jest mianem temperatury Curie. Określa ona temperaturowy

zakres stosowania termistora. Dla czystego tytanianu baru wynosi ona 127

0

C. Zmianę tej

temperatury osiąga się poprzez odpowiednie domieszkowanie, przy czym zakres modyfikacji

jest bardzo szeroki. Osiąga się temperatury Curie w zakresie -100 do 250

0

C.

NTC – w tego typu termistorach zachodzi proces odwrotny, rezystancja maleje wraz ze

wzrostem temperatury. Termistory posiadają ujemny temperaturowy współczynnik

rezystancji. Wykonywane są głównie z metali grup przejściowych takich jak mangan, nikiel,

kobalt, żelazo i miedź a mówiąc dokładniej z tlenków tych metali, które w procesie

technologicznym modyfikowane są poprzez domieszkowanie innymi tlenkami (np. tlenek

tytanu) Przyrost temperatury powoduje wzrost stężenia nośników ładunku elektrycznego,

wzrost prądu i w efekcie spadek rezystancji.

3

Termistor PTC [BaTiO

3

]

A. Badanie charakterystyki prądowo-napięciowej

L.p.

Napięcie U

[V]

Natężenie I

[mA]

1.

3,1

10

2.

5,1

14

3.

7,1

15

4.

9,1

15

5.

11,1

16

6.

13,1

16

7.

15,1

16

8.

17,1

16

9.

19,1

16

10.

21,1

15

11.

23,1

15

12.

25,1

15

13.

27,1

15

Tabela 1. Charakterystyka prądowo- napięciowa badanego termistora PTC

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

3,1

8,1

13,1

18,1

23,1

28,1

33,1

U [V]

I [mA]

Wykres nr 1. Zależność I=f (U) dla badanego termistora PTC

4

B. Badanie zależności rezystancji od temperatury

Parametry pomiaru:

•

U = 6 V

•

T

0

= 22

0

C

L.p.

Temperatura T

[

0

C]

Natężenie I

[mA]

Rezystancja R

[Ω]

1.

22

13

462

2.

25

13

462

3.

28

12

500

4.

31

11

545

5.

34

10

600

6.

37

9

667

7.

40

8

750

8.

43

7

857

9.

46

6

1000

10.

49

5

1200

11.

52

5

1200

12.

55

4

1500

13.

58

3

2000

14.

61

3

2000

15.

64

3

2000

Tabela nr 2. Zależność prądu płynącego przez badany termistor od jego temperatury pracy.

0

500

1000

1500

2000

2500

22

27

32

37

42

47

52

57

62

67

T [C]

R [Ω]

Wykres nr 2. Zależność rezystancji badanego termistora od temperatury.

5

C. Wyznaczenie TWR.

Prostoliniowość zależności R = f(T) przyjęto w zakresie temperatur 25 – 37

0

C

1

0

0

0

0

0

0

0

0

037

,

0

12

*

462

205

205

462

667

12

25

37

462

25

*

−

=

Ω

Ω

=

Ω

=

Ω

−

Ω

=

∆

=

−

=

∆

Ω

=

=

∆

∆

=

K

TWR

R

T

R

C

T

T

R

R

TWR

D. Temperatura Curie.

Wyraźny wzrost rezystancji termistora nastąpił w temperaturze ok. 52

0

C. W zakresie

temperatur 52 – 61

0

C. rezystancja wzrosła o 800 Ω. Współczynnik temperaturowej czułości

termistora wyniósł w tym zakresie 7, 40%/K. Wartość tej temperatury jest o 18

0

mniejsza od

wartości podawanej przez producenta.

E. Wyznaczenie R

MAX

/R

0

33

.

4

462

2000

2000

462

0

0

=

Ω

Ω

=

Ω

=

Ω

=

R

R

R

R

MAX

MAX

6

Termistor NTC [tlenek żelaza]

A. Badanie charakterystyki prądowo-napięciowej

L.p.

Napięcie U

[V]

Natężenie I

[mA]

1.

3,1

5

2.

5,1

9

3.

7,1

12

4.

9,1

16

5.

11,1

20

6.

13,1

25

7.

15,1

31

8.

17,1

40

9.

19,1

50

10.

21,1

69

11.

23,1

110

12.

24,8

140

Tabela 3. Charakterystyka prądowo- napięciowa badanego termistora NTC

0

20

40

60

80

100

120

140

160

3,1

8,1

13,1

18,1

23,1

U [V]

I [mA]

Wykres nr 3. Zależność I=f (U) dla badanego termistora NTC

7

B. Badanie zależności rezystancji od temperatury

Parametry pomiaru:

•

U = 6 V

•

T

0

= 22

0

C

L.p.

Temperatura T

[

0

C]

Natężenie I

[mA]

Rezystancja R

[Ω]

1.

22

12

500

2.

25

12

500

3.

28

12

500

4.

31

12

500

5.

34

13

462

6.

37

14

429

7.

40

15

400

8.

43

16

375

9.

46

18

333

10.

49

18

333

11.

52

19

316

12.

55

20

300

13.

58

21

286

14.

61

23

261

15.

64

24

250

Tabela nr 4. Zależność prądu płynącego przez badany termistor od jego temperatury pracy.

0

100

200

300

400

500

600

22

27

32

37

42

47

52

57

62

T [C]

R[Ω]

Wykres nr 4. Zależność rezystancji badanego termistora od temperatury

8

C. Wyznaczenie temperaturowej czułości termistora:

K

C

T

C

T

R

R

T

T

R

R

R

/

%

51

,

1

100

)

33

(

500

250

64

31

500

250

100

)

(

0

0

2

0

1

1

2

1

2

1

1

2

−

=

Ω

Ω

−

=

=

=

Ω

=

Ω

=

−

−

=

α

α

D. Wyznaczenie R

MAX

/R

0

:

5

,

0

250

500

0

0

=

Ω

=

Ω

=

R

R

R

R

MAX

MAX

9

Rezystor „X”

A. Badanie charakterystyki prądowo-napięciowej

L.p.

Napięcie U

[V]

Natężenie I

[mA]

1.

3,1

17

2.

5,1

33

3.

7,1

48

4.

9,1

59

5.

11,1

63

6.

13,1

63

7.

15,1

56

8.

17,1

48

9.

19,1

43

10.

21,1

40

11.

23,1

37

12.

25,1

35

13.

26,9

35

Tabela 5. Charakterystyka prądowo- napięciowa badanego rezystora.

0

10

20

30

40

50

60

70

3,1

8,1

13,1

18,1

23,1

28,1

U [V]

I [mA]

Wykres nr 5. Zależność I=f (U) dla badanego rezystora

10

B. Badanie zależności rezystancji od temperatury

Parametry pomiaru:

•

U = 6 V

•

T

0

= 22

0

C

L.p.

Temperatura T

[

0

C]

Natężenie I

[mA]

Rezystancja R

[Ω]

1.

22

39

154

2.

25

39

154

3.

28

39

154

4.

31

38

158

5.

34

38

158

6.

37

38

158

7.

40

37

162

8.

43

37

162

9.

46

36

167

10.

49

35

171

11.

52

35

171

12.

55

34

176

13.

58

33

182

14.

61

33

182

15.

64

31

194

Tabela nr 6. Zależność prądu płynącego przez badany rezystor od jego temperatury pracy.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

22

27

32

37

42

47

52

57

62

67

T [C]

R[Ω]

Wykres nr 6. Zależność rezystancji badanego rezystora od temperatury.

11

Wnioski:

Termistor PTC:

Charakterystyka prądowo – napięciowa badanego termistora potwierdziła jego

nieliniowość. W temperaturze otoczenia zmianie napięcia nie towarzyszyła zmiana

mierzonego prądu co jest charakterystyczne dla rezystorów liniowych. Zaobserwowano

utrzymywanie się wartości mierzonego prądu na – w dużym uproszeniu – stałym poziomie

pomimo zwiększania napięcia, co oczywiście oznacza, że rezystancja zmieniała się w

szerokim zakresie. I tak dla napięcia 3.1 V wynosiła 310 Ω, dla wartości 15,1 V - już 943 Ω,

a dla najwyższego uzyskanego napięcia już 1806 Ω.

Uzyskane wyniki, podczas badania w warunkach wzrostu temperatury potwierdziły

występowanie zjawiska dodatniego temperaturowego współczynnika rezystancji. W miarę

podgrzewania obserwowano spadek wartości mierzonego prądu, co przy stałym napięciu

musiało oznaczać wzrost rezystancji termistora.

Sporządzona zależność wyraźnie pokazuje przedział temperatur, w którym nastąpił

gwałtowny przyrost rezystancji. Termistor w początkowym zakresie temperatur spełniał

niemal w całości prawo Ohma. Pod wpływem temperatury rezystancja zaczęła rosnąć,

nadwieszą dynamikę przyrostu zanotowano w przedziale 52 - 58

0

C. Wykres wyraźnie

pokazuje także zjawiska związane z początkiem przemiany fazowej tego ferroelektryka, czyli

ustabilizowanie rezystancji w niewielkim zakresie temperatur tuz przed przemianą a w

temperaturach powyżej tego zakresu dalsze podgrzewanie nie powodowało zmian rezystancji.

Przemiana fazowa została zakończona, tytanian baru uległ częściowej przebudowie układu

krystalograficznego czemu towarzyszy spadek przenikalności dielektrycznej.

Termistor NTC:

Charakterystyka prądowo – napięciowa badanego termistora pokazała systematyczny

spadek rezystancji w stałej temperaturze otoczenia i przy zwiększaniu wartości napięcia. Od

620 Ω dla 3,1 V do 177 Ω dla maksymalnego napięcia wynoszącego 24, 8 V. Potwiedza to

jego nieliniowy charakter. Przy czym wyraźne załamanie krzywej - czyli wzrost mierzonego

prądu – następuje od około 20 V. Tłumaczyć to można faktem, że zwiększane napięcie

powodowało nagrzewanie się termistora, zjawisko to wyraźnie nasiliło się powyżej 20 V. W

wyniku samonagrzewania się stężenie nośników ładunku gwałtownie wzrosło, wartość

mierzonego prądu wzrosła czyli w efekcie uzyskano efekt NTC,

Analogiczny efekt NTC uzyskano zwiększając wartość temperatury przy stałym

napięciu. Napięcie 6 V stosowane podczas badania termistora nie powodowało silnego

samonagrzewania, efekt NTC był wynikiem przede wszystkim zwiększania temperatury.

Zmiana rezystancji odbywała się niemal liniowo już od temperatury 31

0

C.

12

Nieznany rezystor.

Badany rezystor nie wykazał cech PTC i NTC. W badanym przedziale temperaturowym

rezystancja wzrosła w niewielkim zakresie, zaledwie o 40 Ω. Zaobserwowano jej wzrost więc

wyklucza to występowanie zjawiska NTC i nie zaobserwowano gwałtownych zmian co z

kolei wyklucza PTC, przynajmniej w badanym zakresie temperatur.

Charakterystyka prądowo napięciowa ujawniła dwojaką naturę badanego rezystora. Do

wartości napięcia 11 V charakterystyka jest - z niewielkimi odstępstwami - liniowa, stosunek

prądu do napięcia pozostaje stały zgodnie z prawem Ohma. Natomiast powyżej tej wartości

rezystancja gwałtownie rośnie, wzrostowi napięcia towarzyszy spadek wartości mierzonego

prądu. Nie ma danych dotyczących temperatury badanego rezystora podczas zwiększania

napięcia i tym samym nie można stwierdzić obecność zjawiska samonagrzewania się i

ewentualnego efektu PTC powyżej maksymalnej temperatury czyli 64

0

C, do której nagrzano

rezystor przy stałym napięciu 6 V.