Politechnika Białostocka
Wydział Elektryczny
Katedra Automatyki i Elektroniki
Instrukcja
do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu:
ELEMENTY ELEKTRONICZNE
Bezzłączowe elementy półprzewodnikowe
BIAA
YSTOK 2008
Katedra Automatyki i Elektroniki Bezzłączowe elementy półprzewodnikowe
__________________________________________________________________________________________
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 zale\
ności od potrzeb.
a)
2
Katedra Automatyki i Elektroniki Bezzłączowe elementy półprzewodnikowe
__________________________________________________________________________________________
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.
R
Wyró\
nia się trzy typy termistorów:
PTC
CTR
NTC (Negative Temperature Coefficent)
- termistory o ujemnym współczynniku
temperaturowym rezystancji;
PTC (Positive Temperature Coefficent)
- termistory o dodatnim współczynniku
NTC
temperaturowym rezystancji;
T
CTR (Critical Temperature Resistor)
- termistory o rezystancji zmieniającej się
Rys.2 Poglądowe charakterystyki
skokowo.
rezystancyjno-temperaturowe termistorów
3
Katedra Automatyki i Elektroniki Bezzłączowe elementy półprzewodnikowe
__________________________________________________________________________________________
U U
NTC PTC
I I
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
przybli\
oną zale\
nością:
B
RT = A�" eT (1)
gdzie: RT  rezystancja termistora w temperaturze T, A i B  stałe materiałowe, T temperatura
bezwzględna wyra\
ona w stopniach Kelvina.
W praktyce najczęściej znana jest rezystancja znamionowa termistora RT0 podana dla
temperatury T0 równej 25�C czyli 298K. Podstawiając wartości T0 i RT0 do wzoru (1)
mo\
emy obliczyć wartość stałej A, zaś podstawiając obliczoną wartość A do (1) otrzymamy
zale\
ność temperaturową termistora w postaci:
B B
( - )
T T0
RT = RT �" e (2)
0
Temperaturowy współczynnik rezystancji termistora definiowany jest jako:
1 dRT
ąT = (3)
RT dT
i dla termistorów NTC jest ujemny. Warto zauwa\
yć, \
e w temperaturze 25�C moduł tego
współczynnika (równego około -4%/K) jest ponad 10 razy większy od współczynnika
temperaturowego metali.
Charakterystyka prądowo-napięciowa termistora NTC równie\
jest nieliniowa (rys.3).
W zakresie małych prądów przebiega praktycznie liniowo, ale powy\
ej pewnej wartości
4
Katedra Automatyki i Elektroniki Bezzłączowe elementy półprzewodnikowe
__________________________________________________________________________________________
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, \
e w dość szerokim zakresie temperatur
(typowo od kilkunastu do ponad stu �C) ich rezystancja rośnie wraz ze wzrostem temperatury
(rys.2). W tym zakresie charakterystyka rezystancyjno - temperaturowa jest opisywana
przybli\
oną zale\
nością:
RT = A + C �" eB�"T (4)
gdzie: A, B i C stałe materiałowe, zaś temperaturowy współczynnik rezystancji:
1 dRT B �"C �" eB�"T
ąT = = (5)
RT dT
A + C �" eB�"T
Wartości współczynników ąT wahają się od kilku do kilkudziesięciu %/K.
Charakterystyka prądowo-napięciowa termistora PTC jest nieliniowa (rys.3).
Termistory PTC stosowane są w ró\
nego rodzaju układach zabezpieczających (przede
wszystkim przed przegrzaniem oraz przed zbyt du\
ym 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 mo\
e osiągać nawet pięć rzędów wielkości. Wartość temperatury
krytycznej zale\
y przede wszystkim od materiału, którego wykonano termistor. Produkowane
są termistory CTR o temperaturach od 35 do 80 �C.
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 zale\
nością:
5
Katedra Automatyki i Elektroniki Bezzłączowe elementy półprzewodnikowe
__________________________________________________________________________________________
ą
I = k �"U (6)
gdzie: U  napięcie na warystorze; I  prąd, płynący przez warystor; ą  współczynnik
nieliniowości; k  stała, zale\
na od wymiarów warystora i własności materiałowych.
Wartość współczynnika ą mo\
na wyznaczyć na podstawie współrzędnych dwóch
punktów le\
ących na roboczym odcinku charakterystyki prądowo-napięciowej warystora
zgodnie z zale\
nością:
log I2 - log I1
ą = (7)
logU2 - logU1
Przykładowa charakterystyka prądowo-napięciowa warystora ZnO przedstawiona jest
na rysunku 4. W zakresie niskich napięć (prądów) rezystancja warystora osiąga dziesiątki
M&!, zaś w zakresie działania (du\
e wartości prądu) spada nawet do ułamków &!.
Napięcie znamionowe warystora (UV) jest równe spadkowi napięcia na warystorze
podczas przepływu przez niego prądu o określonej wartości (np. 1mA lub 10mA), w
temperaturze otoczenia 25oC.
I
U
-UV
UV
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 obcią\
eń
o charakterze indukcyjnym).
6
Katedra Automatyki i Elektroniki Bezzłączowe elementy półprzewodnikowe
__________________________________________________________________________________________
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 podło\
u
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
natę\
eniu I. Poniewa\
na ładunek elektryczny, poruszający się z prędkością v w polu
magnetycznym B działa, siła Lorentza:
r r
r
F = e(v � B) (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 ró\
nicy potencjałów (napięcia VH)
proporcjonalnego do natę\
enia prądu I oraz indukcji B:
7
Katedra Automatyki i Elektroniki Bezzłączowe elementy półprzewodnikowe
__________________________________________________________________________________________
RH
VH = �" B �" I (9)
h
gdzie: RH  stała Halla, zaś h  grubość płytki półprzewodnika.
Warto zauwa\
yć, \
e napięcie VH jest odwrotnie proporcjonalne do grubości płytki.
Właściwości elektryczne hallotronu opisują rodziny charakterystyk statycznych:
przejściowych i wyjściowych. Charakterystyki statyczne przejściowe to funkcje zmian
napięcia Halla VH od parametru sterującego: pola magnetycznego B lub prądu I, płynącego
przez hallotron. Charakterystyki statyczne wyjściowe to zale\
ność napięcia Halla VH od
prądu wyjściowego (IX).
Hallotrony znajdują zastosowanie m.in.:
do pomiaru wielkości elektromagnetycznych (np. indukcji magnetycznej, natę\
enie
prądu);
do pomiaru wielkości nieelektrycznych (np. prędkości obrotowej, przesunięcia);
jako wyłączniki bezkontaktowe.
4. UKA
ADY POMIAROWE
4.1. Układy do wyznaczanie charakterystyk statycznych metodą "punkt po punkcie".
+ A
R
Zasilacz
Badany
regulowany
V
element
_
a)
+ A
R
Zasilacz
Badany
regulowany
V
element
_
b)
Rys.6 Schematy układów pomiarowych do wyznaczania charakterystyk statycznych metodą
 punkt po punkcie : a) pomiar  małych rezystancji (z dokładnym pomiarem napięcia),
b) pomiar  du\
ych rezystancji (z dokładnym pomiarem prądu).
8
Katedra Automatyki i Elektroniki Bezzłączowe elementy półprzewodnikowe
__________________________________________________________________________________________
4.2. Układ do wyznaczania charakterystyk statycznych metodą oscyloskopową.
do kanału X
Transformator
oscyloskopu
R
Badany
element
do kanału Y
oscyloskopu
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 najwa\
niejsze 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;
9
Katedra Automatyki i Elektroniki Bezzłączowe elementy półprzewodnikowe
__________________________________________________________________________________________
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 nale\
y 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,
WKiA
, 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\
. Andrzej Karpiuk
10