Контрольные вопросы

1. Классификация резисторов по назначению.

2. Виды переменных резисторов их функциональные характеристики.

3. Классификация резисторов по материалу проводящего элемента.

4. Классификация проволочных резисторов.

5. Классификация непроволочных резисторов.

6. Виды резистивных шумов, причины их возникновения.

7. Эквивалентная схема резистора.

8. Поверхностные эффекты, влияние их на параметры резисторов. Старение резисторов.

9. Зависимость сопротивления резисторов от температуры и напряжения.

10. Условные обозначения резисторов.

11. Маркировка резисторов.

12. Принцип работы измерительной установки.

13. Статистическая вероятность события.

14. Математическое ожидание, дисперсия случайной величины.

15. Способы задания закона распределения случайной величины.

16. Особенности нормального закона распределения случайной величины.

17. Зависимость кривой распределения от дисперсии случайной величины.

4.6. Исследование варисторов и терморезисторов

Цель работы: изучение структуры и принцип работы резистивных преобразователей на примере терморезистора и варистора, исследование их температурных вольтамперных характеристик.

Приборы и принадлежности: лабораторный стенд, термостат, термометр, набор терморезисторов и варисторов.

Теоретическая часть

Преобразователи, в которых входная неэлектрическая величина преобразуется в изменение электрического активного сопротивления, называются резистивными преобразователями. Резистивные преобразователи могут выполняться из металлов, композиционных и полупроводниковых материалов. Входные параметры резистивных преобразователей - перемещение, скорость, ускорение, деформация, давление, температура, световой поток, магнитная индукция. В зависимости от того, какая из величин вызывает изменения сопротивления, различают: термо-, тензо-, фото-, магниторезисторы и т.д [5,6].

Большой класс резистивных преобразователей составляют полупроводниковые элементы[5,6], преимуществом которых является высокая чувствительность, возможность миниатюризации, малая масса. В качестве материалов для полупроводниковых преобразователей используют кремний, германий, карбид кремния, арсенид калия.

За основную характеристику полупроводникового преобразователя принимают зависимость сопротивления от некой физической величины, например: температуры, давления, напряжения, светового потока и магнитной индукции, которые являются характеристиками: терморезистора R(Т), тензорезистора R(Р), варистора R(U), фоторезистора R(Ф), магниторезистора R(В) (табл. 4.6.1).

Среди полупроводниковых резистивных преобразователей [5,6,7] можно выделить:

1. Тензорезисторы - преобразователи, используемые для измерения сил, давлений, механических напряжений. Принцип действия тензорезисторов основан на явлении тензоэффекта, состоящего в изменении активного сопротивления проводника или полупроводника при их механической деформации.

2. Магниторезисторы, принцип действия которых основан на изменении электрического сопротивления полупроводника при внесении его в магнитное поле. Регулируя напряженность магнитного поля или перемещая магниторезистор в поле постоянного магнита (электромагнита), можно изменять сопротивление или другие характеристики резистора (напряжение, ток).

3. Близкими по своим характеристикам к магниторезисторам являются преобразователи Холла (Холлотроны). Они выполняются в виде прямоугольных полупроводниковых пластин с двумя парами выводов 1-1 и 2-2 (табл. 4.6.1). Пластину перпендикулярно ее плоскости пронизывает магнитный поток с индукцией В. Если через пластинку в направлении выводов 1-1 пропустить ток I₁, то на выводах появится ЭДС eЕ₂ , а при замыкании на нагрузку потечет ток I₂. (Е₂ = к₀ ВI₁, где к₀ - коэффициент пропорциональности.)

В качестве полупроводниковых резистивных преобразователей применяются также диоды, транзисторы.

4. Терморезисторы. Статической характеристикой терморезистивного преобразователя является зависимость R(Т). Для металлов и многих сплавов эта зависимость может быть представлена в виде:

R = R₀(1 + Т + Т²), (4.6.1)

где  и  - температурные коэффициенты, Т - температура.

В ограниченном диапазоне температура зависимость R(Т) - линейна. Терморезисторы, изготовленные из меди, никеля, платины обладают линейной температурной зависимостью сопротивления.

В полупроводниковых терморезисторах характеристика R(Т) имеет нелинейный характер и достаточно точно описывается соотношением:

R(Т) = R₁(Т₀) ехр( ), (4.6.2)

где R₁(Т₀) - номинальное значение сопротивления при температуре Т₀, Т - температура, В - коэффициент, постоянный для данного терморезистора.

П

Рис. 4.6.1. Характеристики терморезистора: а- температурная, б- вольтамперная

ри прохождении электрического тока в терморезисторе выделяется теплота и он нагревается. Это приводит к изменению сопротивления (рис. 4.6.1, а). Вследствие нелинейности R(Т) вольтамперная характеристика терморезистора будет также нелинейной (рис. 4.6.1, б). В некоторых случаях сопротивление терморезистора меняется за счет его нагрева от специального подогревателя, электрически изолированного от терморезистора. Такие терморезисторы называются подогревными или терморезисторами с косвенным подогревом. Основное применение терморезисторов - параметрическая термостабилизация электронных цепей, компенсация температурных погрешностей, измерение температуры.

Таблица 4.6.1. Классификационная схема нелинейных резисторов

Полупроводниковые терморезисторы выполняются в различных конструктивных вариантах, но чаще всего в виде стержневых и каплевидных элементов. Они покрываются эмалевой краской или заключаются в стеклянные или металлические герметизированные капсулы. Терморезисторы в стеклянных или металлических капсулах могут применяться для измерения температуры в различных средах. Терморезисторы могут выполняться и в миниатюрном исполнении, что позволяет применять их для измерения температуры малых объектов, а также быстроизменяющейся температуры.

В настоящее время разработаны полупроводниковые терморезисторы для измерения температуры в диапазонах: от -60 до +125 ⁰С, от -60 до +300 ⁰С, от -110 до -220 ⁰С, от 600 до 1000 ⁰С. Погрешность измерения температуры достигает 0,01 ⁰С. Промышленностью выпускаются терморезисторы типов СТ1-21, СТ3-21, СТ1-27, СТ3-27, СТ3-31.

5. Нелинейный резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения, называется варистором. Варисторы изготавливаются из высоко линейных материалов на основе порошкообразного карбида кремния, а иногда из окислов цинка. Кремниевые варисторы прессуют из зерен карбида кремния и связующих веществ (глины, жидкого стекла) от 10 до 40% от общей массы. Затем подвергают термической обработке, снабжаются электродами и герметизируются. Нелинейность появляется из-за явлений, наблюдаемых на поверхностях зерен кристалла, из которого спрессован варистор.

В

1

2

аристоры выпускаются в виде дисков диаметром несколько миллиметров или сантиметров, или в виде шайб, набираемых в столбики, и в виде стерженьков. Соединение шайб может быть как последовательным, так и параллельным.

В

Рис. 4.6.2. Вольтамперная характеристика варисторов: 1- варистор без участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением, 2- негистор.

аристоры безинерционны (на частотах до 100 кГц) и имеют симметричные ветви вольтамперной характеристики (рис. 4.6.2), устойчивы к вибрациям, могут работать при температуре -50 - +80 ⁰С, в зависимости от исполнения защитной оболочки способны выдерживать повышенное значение влажности воздуха.

Вольтамперная характеристика варистора описывается с помощью уравнения:

 = U/R ехр( ), (4.6.3)

где  - постоянная нелинейности, R₀ - начальное статическое сопротивление, измеренное при малой напряженности поля, значение которого зависит от температуры.

Варисторы можно характеризовать следующими параметрами:

• Величиной сопротивления R или проводимости  при данном значении приложенного напряжения и дифференциальным сопротивлением r_ДИФ или проводимостью  при том же напряжении.

• Номинальным напряжение U_НОМ - напряжением, при превышении которого на 20 % не наблюдается заметного разогрева (U_НОМ = 3 - 2000 В).

• Номинальным током I_НОМ., протекающим при U_НОМ (I_НОМ = 0,1 - 1000 мА).

• Коэффициентом нелинейности :

 = R/r_ДИФ , (4.6.4)

где R - статическое сопротивление, R = U_НОМ./I_НОМ, r_ДИФ - дифференциальное сопротивление, r_ДИФ = dU/dI.

Для резисторов с любой линейной характеристикой  = 1. Для нелинейных резисторов  = 2 - 7.

• Мощностью рассеяния Р = 0,1 - 100 Вт.

Существуют варисторы, вольтамперная характеристика которых содержит участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис.4.6.2). Варисторы с такими характеристиками называют негисторами.

Варисторы применяются в качестве управляемых сопротивлений в автоматике, для стабилизации напряжения, искрогашения, а также в качестве чувствительных элементов в реле, системах сигнализации.

6. Разновидностей варисторов и терморезисторов является позистор - терморезистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления ТКR = 0,6 ⁰С^-1 (табл. 4.6.1). Из характеристики позистора R(Т) видно, что при Т < Т_А позистор подобен терморезистору. В областях температур Т_А<Т<Т_В позистор имеет ТКR > 0 и сопротивление его возрастает в несколько тысяч раз. Ширина области положительного ТКR составляет, в зависимости от типа позистора Т_В - Т_А = 50 - 100 ⁰С.

Вид вольт - амперной характеристики U(I) позистора зависит от температуры. Нелинейность характеристики U(I) обуславливает зависимость сопротивления от напряжения (табл. 4.6.1), т.е. позистор в определенных условиях может выполнять функции варистора.

Позисторы изготавливаются из титанобариевой керамики (ВаТiО₅) с примесями редкоземельных элементов. Позистор применяется в качестве чувствительных элементов в реле, системах сигнализации.

В лабораторной работе для исследования параметров нелинейных резисторов используется лабораторный стенд, схема которого представлена на рис. 4.6.3. Лабораторный стенд работает в двух режимах: режим измерения сопротивления - режим «1», режим снятия вольтамперной характеристики резисторов - режим «2». Выбор режимов работы осуществляется с помощью переключателя «S₁». Для измерения сопротивления используется мостовая с хема, собранная на четырех резисторах R₃, R₄, R₅, R_Х, сопротивления трех из них известно, сопротивление R_X подлежит измерению (рис. 4.6.3). В диагональ моста включен омметр. Переменным резистором R₂ при к

Рис. 4.6.3. Упрощенная схема лабораторного стенда для измерения сопротивления терморезисторов и регистрации вольтамперных характеристик варисторов

оротком замыкании выводов «XL₁» и «XL₂» осуществляется балансировка измерительного моста (выравнивание напряжений между точками А и В и стрелка омметра устанавливается но ноль прибора). В режиме «2» лабораторный стенд позволяет исследовать вольтамперные характеристики резисторов стандартным методом: изменяя напряжение питания, фиксируется ток в цепи резистора (рис.4.6.3).