Тема 23. ЭТМ - ЛР (2). Учебнометодическое пособие по лабораторным работам для студентов направления 11. 03. 04 Электроника и наноэлектроника
 Скачать 0.67 Mb.
|
Лабораторная работа №4. Измерение температурного коэффициента сопротивления (ТКС) резисторов.1 Цель работы: освоить приборы и методы измерения сопротивления проводников, определить величину изменения сопротивления резисторов при изменении температуры. 2. Задачи решаемые при проведении работы: - изучить способы измерения сопротивления проводниковых материалов; - научиться пользоваться приборами для измерения сопротивления; - сравнить различные материалы по величине ТКС. 3 Программа работ. 3.1 Получить у преподавателя ТЭЗ с изучаемыми сопротивлениями. 3.2 Измерить величину сопротивления резисторов при комнатной и при повышенных температурах (30, 40, 50, 60) оС. 3.3 Вычислить величины ТКС каждого из резисторов, значения занести в таблицу. 3.4. Снять ВАХ резисторов при комнатой температуре. Сравнить результаты. 4 Теоретическая часть. Резистор - это самый распространенный электронный компонент, название которого произошло от английского слова «resistor» и от латинского «resisto» - сопротивляюсь. Основным параметром резистора считается сопротивление, которое характеризуется его способностью в препятствии протекания электрического тока. Единицами сопротивления у резисторов являются – Омы (Ω), Килоомы (1000 Ом или 1КΩ) и Мегаомы (1000000 Ом или 1МΩ).  Практически ни одна схема не обходиться без резисторов. С помощью подбора соответствующих величин резисторов и их соединений, происходит нужное распределение электрического тока в цепи. Характеристики резистора Кроме предельного сопротивления, резисторы обладают рядом других физиотехнических показателей, которые имеют большое значение в его применении. Среди основных параметров выделяются такие характеристики резистора, как сопротивление по номинальному значению и его возможное отклонение, рассеиваемая мощность, предельное рабочее напряжение, максимальная температура, температурный коэффициент сопротивления, частотный отклик и шумы. Температурный коэффициент сопротивления ТКС Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) определяет относительное изменение величины сопротивления резистора при изменении температуры окружающей среды на 1 ° по Цельсию. ТКС может быть как положительным, так и отрицательным. Если резистивная пленка имеет относительно большую толщину, то она обладает свойствами объемного тела, сопротивляемость которого с увеличением температуры становится больше. Если же резистивная пленка имеет относительно небольшую толщину, то она состоит как бы из небольших «островков», расположенных отдельно друг от друга, и сопротивление такой пленочной структуры с увеличением температурных значений становится меньше, так как взаимодействие между отдельными «островками» улучшается. Для непроволочных резисторов, применяемых в радиоэлектронике и телевизионной промышленности, температурный коэффициент сопротивления не больше ±0,04 - 0,2 %, у проволочных деталей -±0,003 - 0,2 %. Температурный коэффициент сопротивления обозначают a. Он показывает относительное изменение первоначального сопротивления при нагревании его на один градус по шкале Цельсия:  .Из формулы следует, что для определения температурного коэффициента сопротивления металла необходимо знать сопротивление металла R0 при 0°Си при некоторой температуре t°C. Металлические сопротивления Вначале измеряют сопротивление металлических резисторов (металлодиэлектрические МЛТ и С2-29, проволочные МРХ) при комнатной температуре Rк, затем нагревают металл и проводят измерения его сопротивления для нескольких значений температур. Строят график зависимости сопротивления металлического сопротивления от его температуры (рис. 1).  Рисунок 1 Этот график имеет вид прямой линии, продолжение которой (экстраполяция) пересекает ось ординат в точке R0. Полупроводниковые сопротивления По величине удельной проводимости полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и изоляторами (диэлектриками). полупроводники имеют ряд общих свойств как с диэлектриками, так и с металлами. 1) Проводимость металлов имеет электронную природу. Диэлектрические кристаллы обладают ионной проводимостью. В этом отношении полупроводники схожи с металлами: как и в металлах, проводимость большинства полупроводников имеет электронное происхождение. 2) При нагревании проводимость металлов медленно падает, а проводимость полупроводников, наоборот, резко возрастает. Однако известны некоторые полупроводники, для которых зависимость проводимости от температуры имеет такой же характер, как и у металлов. 3) Проводимость металлов уменьшается при введении примесей. Проводимость диэлектриков, наоборот, при введении примесей возрастает. В этом отношении полупроводники похожи на диэлектрики: включение примесей приводит к резкому увеличению проводимости полупроводников. Наиболее типичными, широко применяемыми на практике полупроводниками являются бор (В), углерод (С), кремний (Si), фосфор (Р), сера (S), мышьяк (As), селен (Se), олово (Sn), сурьма (Sb), теллур (Те), йод (I). В этой работе исследуются термисторы – нелинейные полупроводниковые сопротивления с электронной проводимостью, величина которых RT резко зависит от температуры. Наибольшее распространение имеют термисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (СТ, ММТ)  Они изготовляются из твердых поликристаллических полупроводниковых материалов: смесей двуокиси титана с окисью магния, окислов марганца, меди, кобальта и никеля и т.д. Основными параметрами термисторов являются: Сопротивление образца при Т = 20 С. Величина температурного коэффициента сопротивления в процентах на один градус изменения температуры. Максимально допустимая температура, выше которой характеристики термистора становятся нестабильными. Термосопротивления широко применяются для измерения температуры, а также для компенсации температурных изменений параметров электрических цепей. Описание экспериментальной установки Для проведения работы используется установка, которая состоит из нагревателя, цифрового мультиметра для измерения сопротивления резисторов и термисторов, источника питания для измерения вольтамперных характеристик металлических резисторов и термисторов. Объектом исследования является набор из резисторов и термисторов (всего 6 элементов), соединенных с блоком с переключателем. Измеряемые резисторы и термисторы помещаются в камеру нагревателя и подключаются к мультиметру. Для получения вольтамперной характеристики металла и термистора используется стабилизированный блок питания (с индикацией напряжения) и мультиметр, с помощью которого измеряется ток. Необходимое напряжение на блоке питания высвечивается в окошке на передней панели источника. Методика и техника эксперимента 1. Замерьте сопротивления резисторов при комнатной температуре. По полученным значениям определите соответствие положений переключателя резисторов исследуемым элементам. 2. Получите вольтамперную характеристику изучаемых резисторов и термисторов при комнатной температуре. Оцените достоверность полученных результатов, сравнив их со значениями замеренных сопротивлений. 2. Измерьте зависимость сопротивления резисторов и термисторов от температуры при ее изменении от комнатной до 70 °С. 4. Для каждого из исследованных элементов определите температурный коэффициент сопротивления a. Рекомендации по выполнению работы Замерьте сопротивления резисторов при комнатной температуре. Соберите цепь для измерения вольтамперной характеристики проводника, используя блок питания HY 1502D и мультиметр. 3. Измерьте и запишите в табл. 1 значения напряжения на сопротивлении и соответствующие им токи, последовательно увеличивая напряжение от 0 до максимального значения 10 В через 2 В, а затем по данным таблицы постройте вольтамперную характеристику при комнатной температуре. Максимальное значение напряжения выбирается таким образом, чтобы металлическое сопротивление не нагревалось, и ток бы не изменялся при этом максимальном напряжении. Таблица 1. Ток элементов I, мА.
4. По данным табл. 1 постройте график зависимости тока от напряжения и убедитесь, что выполняется закон Ома, определите сопротивление металлического сопротивления при комнатной температуре и сравните со значением сопротивления, которое показал мультиметр в режиме измерения сопротивления. 5. Включите нагреватель в сеть 220 В., включите его. Аккуратно поместите резисторы внутрь нагревателя. 6. Запишите в табл. 2 показания температуры и величины сопротивления резисторов и термисторов через каждые 10 0С, нагревая их до 70 0С. Таблица 2. Сопротивление элементов R, кОм.
7. По данным табл. 2 постройте графики температурной зависимости сопротивления резисторов и термисторов. По графикам сделайте вывод, какой из исследуемых элементов является резистором, а какой – термистором (результаты занесите в таблицы 1 и 2). Объясните различия в ходе кривой для проводников и полупроводников. 8. Определите температурный коэффициент сопротивления сопротивлений, сравните со справочными значениями. При выборе методики расчета температурных коэффициентов сопротивлений обратите внимание на условия, для которых приводятся справочные значения. 9. Проанализируйте причину различия температурной зависимости проводимости металлов и полупроводников. Вопросы и задания для самостоятельной работы 1. В чем состоит различие температурного коэффициента сопротивления металлов и полупроводников? 2. В чем состоит отличие электрических свойств полупроводников и металлов? 3. Запишите выражение, показывающее зависимость сопротивления металлов от температуры. 4. Запишите выражение для температурного коэффициента сопротивления металла и укажите его размерность в системе единиц СИ. 5. Используя литературные источники, запишите, какие металлы и сплавы имеют наименьшие температурные коэффициенты. Какова их величина? 6. Для каких целей используют материалы, имеющие малые температурные коэффициенты сопротивления? 7. Какова точность определения рассматриваемых коэффициентов? 8. Какие металлы можно использовать для измерения температуры? С меньшим или большим температурным коэффициентом сопротивления? 9. Объясните, почему с увеличением температуры увеличивается сопротивление металла? 10. В данной работе для измерения сопротивления применяется метод вольтметра и амперметра. Приведите альтернативные методы измерения сопротивления. 11. Как изменяется сопротивление проводников при низких температурах? 12. Чем объясняется явление сверхпроводимости? 13. Совпали ли значения R и α со справочными? Рекомендуемая литература Богородицкий, Н.П. Электротехнические материалы / Н.П. Богородицкий, В.В. Пасынков, Б.М. Тареев. – Ленинград : Энергия, 1977. – 352 с. Пасынков, В.В. Материалы электронной техники / В.В. Пасынков, В.С. Сорокин. – М. : Высш. шк., 1986. – 367 с. Список рекомендуемой литературыАлексеев В. С. Материаловедение [Электронный ресурс] : учеб. пособие / В. С. Алексеев. - Саратов : Научная книга, 2012. - 159 с. Богородицкий, Н.П. Электротехнические материалы / Н.П. Богородицкий, В.В. Пасынков, Б.М. Тареев. – Ленинград : Энергия, 1977. – 352 с. Капустин В. И. Материаловедение и технологии электроники [Электронный ресурс] : учеб. пособие / В. И. Капустин, А. С. Сигов. - Москва : ИНФРА-М, 2014. - 427 с. : ил. - (Высшее образование. Бакалавриат). - ISBN 978-5-16-008966-9. Пасынков, В.В. Материалы электронной техники / В.В. Пасынков, В.С. Сорокин. – М. : Высш. шк., 1986. – 367 с. Солнцев Ю. П. Материаловедение [Электронный ресурс] : учебник / Ю. П. Солнцев, Е. И. Пряхин ; под ред. Ю. П. Солнцева . - Санкт-Петербург : ХИМИЗДАТ, 2014. - 782 с. - (Учебник для вузов). - ISBN 978-5-93808-236-9. Тимофеев И. А. Электротехнические материалы и изделия [Электронный ресурс] : учеб. пособие / И. А. Тимофеев. - Санкт-Петербург : Лань, 2012. - 272 с. : ил. - (Учебники для вузов. Специальная литература). - ISBN 978-5-8114-1304-1. Черепахин А. А. Материаловедение [Электронный ресурс] : учебник / А. А. Черепахин, А. А. Смолькин. - Москва : КУРС : ИНФРА-М, 2016. - 288 с. : ил. - (Бакалавриат). - ISBN 978-5-906818-56-0. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||