POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY INSTYTUT ELEKTROENERGETYKI I STEROWANIA UKŁADÓW
LABORATORIUM INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ
Sprawozdanie z ćwiczenia nr 7: Wyznaczanie podstawowych parametrów półprzewodnikowych elementów zmiennooporowych.
Wykonano: 30.04.2014r.
Oddano: 21.05.2014r.

1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z własnościami półprzewodnikowych elementów o zmiennej rezystancji (warystorów), budową i zasadą ich działania. Pomiary polegały na stopniowym zwiększaniu napięcia, odczytaniu jego wartości i pomiarze prądu płynącego przez warystor.

Warystor – półprzewodnikowy podzespół elektroniczny (rezystor), o nieliniowej charakterystyce rezystancji, zależnej od napięcia elektrycznego. Dla małych napięć wykazuje on dużą rezystancję, jednak, gdy napięcie przekroczy pewną wartość, charakterystyczną dla danego typu warystora, jego rezystancja szybko maleje kilkudziesięciokrotnie. Warystory produkuje się obecnie najczęściej z granulowanego tlenku cynku, domieszkowanego różnymi pierwiastkami uformowanego w pastylkę. Warystory można stosować zarówno do prądu stałego, jak i zmiennego.

Powierzchnie wielu styków ziaren działają, jako pewnego rodzaju złącza półprzewodnikowe o spadku napięcia ok. 3 V przy 1 mA i tworzą długie łańcuchy. Całkowity spadek napięcia zależy od wielkości ziarna i grubości warystora. Aż do napięcia charakterystycznego (napięcia warystora), kiedy prąd jest mniejszy lub równy 1 mA, warystor będzie miał wysoką rezystancję. Po przekroczeniu napięcia progowego warystora, przepływający prąd wzrasta w sposób logarytmiczny, tzn. wartość rezystancji zmniejsza się. Warystor może przejść ze swojego stanu wysoko-omowego do nisko-omowego w czasie krótszym niż 20 ns. Średnica warystora decyduje o mocy i czasie życia.

Zastosowanie warystorów:

• Warystory są ochronnikami przepięciowymi i wysokonapięciowymi (w telewizorach),

• Stosuje się je w liniach telefonicznych do zabezpieczania telefonów, modemów i innych urządzeń podłączonych do linii telefonicznej.

• Służą jako odgromniki,

• Głównie zabezpieczanie urządzeń przed przepięciami,

• Stosowane są również do ochrony linii wysokiego napięcia,

2. Schemat układu probierczego.

Na rys. 1 przedstawiono schemat układu do wyznaczania prądu i napięcia płynącego przez warystor.

Rysunek 1. Schemat pomiarowy

Pomiar charakterystyk statycznych warystorów wykonuje się w układzie pomiarowym poprawnie mierzonego prądu, zasilanym ze stabilizowanego źródła napięcia stałego.

3. Wyniki pomiarów i obliczeń.

Otrzymane wyniki zostały przedstawione w tabeli 1, 2 i 3. W czasie przeprowadzania

Tabela 1. Wyniki pomiarów prądu i napięcia dla warystorów C5

C5	zwiększanie	zwiększanie
L.p.	u [v]	J[µA]
1	222.5	1
2	243	40
3	248	175
4	250	250
5	253	600
6	254	800
7	255,9	1200
8	256,3	1200
9	257,5	1600
10	258	1720

Tabela 2. Wyniki pomiarów prądu i napięcia dla warystorów A3

A3	zwiększanie	zwiększanie
L.p.	u [v]	J[µA]
1	46,7	1
2	70,9	23
3	78,1	62
4	82	115
5	86,8	250
6	90,7	520
7	94,2	1140
8	95,3	1460
9	96,5	2000
10	97,6	2600

Tabela 3. Wyniki pomiarów prądu i napięcia dla warystorów B4

B4	zwiększanie	zwiększanie
L.p.	u [v]	J[µA]
1	169	1
2	198,5	18
3	203,5	42
4	208	60
5	210	150
6	212,7	250
7	216,7	600
8	219	900
9	221,7	1500
10	224,1	2200

Podczas badania wykonywania ćwiczenia zauważyliśmy, że warystor D2 nie działa

4. Wykresy oraz obliczenia.

Z danych znajdujących się w tabeli 1,2 i 3 zostały sporządzone wykresy:

Rys 2. Charakterystyka U = f(I) dla warystoraC5

Rys. 3. Charakterystyka U = f(I) dla warystora A3

Rys. 4. Charakterystyka U = f(I) dla warystora B4

Następnie otrzymane wyniki prądu i napięcia z tabeli 1, 2 i 3 zostały zlogarytmowane i przedstawione na wykresach

C5	zwiększanie	zwiększanie
L.p.	u [v]	J[µA]
1	5,4	0
2	5,49	3,68
3	5,51	5,16
4	5,52	5,52
5	5,52	6,38
6	5,53	6,68
7	5,54	7,07
8	5,56	7,07
9	5,55	7,37
10	5,55	7,45

A3	zwiększanie	zwiększanie
L.p.	u [v]	J[µA]
1	3,84	0
2	4,26	3,15
3	4,35	4,12
4	4,4	4,79
5	4,46	5,21
6	4,5	6,25
7	4,54	7,03
8	4,55	9,58
9	4,55	9,9
10	4,58	10,16

B4	zwiększanie	zwiększanie
L.p.	u [v]	J[µA]
1	5,12	0
2	5,29	2,89
3	5,31	3,73
4	5,33	4,09
5	5,34	5,01
6	5,35	5,52
7	5,37	6,39
8	5,38	6,8
9	5,40	7,31
10	5,41	7,69

Rys. 5. Charakterystyka log(U) = f(log(I)) dla warystora C5

Rys. 6. Charakterystyka log(U) = f(log(I)) dla warystora A3

Rys. 5. Charakterystyka log(U) = f(log(I)) dla warystora B4

Następnie, wykorzystując funkcję REGLINP w programie MS EXCEL, wyznaczono współczynniki prostej (y=ax+b) regresji liniowej wykresów (log U = β*log I + log C), przedstawionych na rysunkach 5, 6 i 7. Obliczone współczynniki a i b wykorzystano do obliczenia współczynnika β oraz stałej C, za pomocą wzorów:

C = 10^b

β = a

Wyniki obliczeń zamieszczono w tabeli 2.

Tabela 2. Obliczone wartości współczynnika β oraz stałej C dla warystorów.

	C	β
	[V]	[-]
Warystor C5
Warystor A3
Warystor B4

Następnie podstawiliśmy wartości z tabeli 1 do wzoru na rezystancje statyczną:

Otrzymane wyniki zostały przedstawione na wykresach 8, 9, 10.

Rys. 8. Charakterystyka Rs = f(U) dla warystora C5

Rys. 9. Charakterystyka Rs = f(U) dla warystora A3

Rys. 10. Charakterystyka Rs = f(U) dla warystora B4

5. Wnioski

Celem naszego ćwiczenia było zbadanie materiałów zmiennooporowych, poznanie budowy oraz zasady działania elementów jakimi są warystory. Otrzymane wyniki potwierdziły nasze założenia związane z nieliniowością rezystancji elementów. Po przekroczeniu pewnej wartości napięcia następował nagły spadek rezystancji. Po różnych szybkościach spadku rezystancji i różnym napięciu wywołującym ten spadek, możemy wywnioskować, że mieliśmy do czynienia z różnymi materiałami o różniącej się charakterystyce. W czasie przeprowadzania pomiarów zauważyliśmy, że warystory D2 jest uszkodzony, ponieważ już od minimalnych napięć płynęły przez niego duży prąd.