Krzysztof Zimowski

                                                                                                                                            Elektrotechnika

                                                                                                                             studia zaoczne                                                                                                                                                        gr. 4

MATERIAŁOZNASTWO  ELEKTROTECHNICZNE

Praca kontrolna  :   Termistory  i warystory

TERMISTORY

Współczesne badania naukowe zmieniły nasze poglądy na własności elektryczne materii jeszcze do niedawna wszystkie ciała dzielono na dobre i złe przewodniki. Metale należą do pierwszej grupy, a np. drewno, papier, ebonit, mydło — to tzw. izolatory. Samo zjawisko przewodnictwa elektrycznego tłumaczono uporządkowanym ruchem elektronów po powierzchni przewodnika, od miejsc o wysokim potencjale do miejsc o niskim potencjale. Na skutek zderzeń wędrujących elektronów z jonami czy atomami metalu, powstaje zjawisko oporu, elektrycznego, którego wartość powinna być proporcjonalna do temperatury przewodnika, gdyż w wyższej temperaturze wzrasta ruch drgający atomów i tym samym — prawdopodobieństwo zderzeń z elektronami.

Dzisiaj w fizyce i elektronice mówi się bardzo dużo o półprzewodnikach. Jest to grupa ciał o interesujących własnościach elektrycznych, usytuowana w tabeli klasyfikacyjnej pomiędzy tamtymi dwiema (patrz: tabelka). Do półprzewodników zaliczamy kilkadziesiąt związków chemicznych germanu, krzemu, selenu, telluru, boru, ale i wiele tlenków metali wykazuje podobne własności elektryczne, np. ZnO, Cu2O, PbO. Istotną cechą tych materiałów jest olbrzymia zależność ich oporu właściwego od warunków fizycznych, tj. od temperatury, ciśnienia, wilgotności, oświetlenia.

Opór właściwy różnych ciał

W półprzewodnikach pod wpływem np. temperatury gwałtownie wzrasta liczba swobodnych, elektronów, które są nośnikami prądu elektrycznego, a tym samym wzrasta natężenie prądu, co można interpretować jako spadek oporu właściwego. W metalach o temperaturze 0°C gęstość elektronów przeciętnie wynosi 1022 w l cm3 i nie zmienia się przy wzroście temperatury, gdy tymczasem w krzemie ta gęstość wynosi 1011 w l cm3, a w temperaturze 100° około 1016, tzn. wzrasta sto tysięcy razy!

Na razie zatrzymamy się na takiej zewnętrznej charakterystyce półprzewodników, odkładając wyjaśnienie przyczyn i mechanizmu wewnętrznego tych faktów na później. Wystarczy nam to, bowiem w zupełności do zajęcia się bliżej — t e r m i s t o r e m.

            Przykład działania Termistora

Jeżeli do probówki szklanej wstawimy termistor, do którego doprowadzimy prąd z baterii 15 V, a probówkę zanurzymy do zlewki z gorącą wodą (temperaturę odczytamy na termometrze wstawionym do tej samej probówki, to miliamperomierz włączony do obwodu  pokaże wzrost natężenia prądu. Jako miliamperomierza można użyć miernika.. Wzrost natężenia prądu świadczy o spadku oporu termistora  ze) wzrostem temperatury.

Aby zbadać bliżej i dokładniej zależność oporu termistora  od temperatury. Przy wzroście temperatury termistora, co 5o odczytujemy jego opór za pomocą obwodu omomierza. Kąpiel ogrzewać należy palnikiem spirytusowym, gazowym lub grzałką elektryczną. I okaże się, że opór termistora istotnie spada ze wzrostem temperatury.

            Jeżeli przyciskiem dzwonkowym  zamkniemy obwód, to przez termistor RT i cewkę przekaźnika  popłynie prąd z baterii 45 V. Prąd elektryczny wydziela w termistorze ciepło, wobec tego spada opór termistora i przy pewnej jego wartości zadziała przekaźnik , zewrą się jego styki i zapali się np. żarówka w zewnętrznym obwodzie. Tak, więc sygnałem o małej mocy sterujemy z pewnym opóźnieniem (w automatyce często „planuje" się to opóźnienie) obwodem z przebiegami o dużej mocy.

Możemy również termistor wykorzystać  do automatycznej sygnalizacji poziomu cieczy w naczyniu. Montaż takiego modelu pokazuje. Z chwilą podniesienia się ciepłej cieczy do styku z termistorem, jego opór spadnie i wzrośnie prąd przepływający przez cewkę P.  Styki przekaźnika zamkną obwód z zewnętrznym zasilaniem i zadziała urządzenie sygnalizujące (np. dzwonek elektryczny, żarówka). Znając pojęcie sprzężenia zwrotnego można montaż tak zmodyfikować, by obwód zewnętrzny sterował urządzeniem wlewającym ciecz do naczy­nia.

Termistor NTC jest nieliniowym rezystorem, którego rezys tancja zależna jest silnie od temperatury materiału oporowego. Jak wskazuje angielska nazwa - Negative Temperature Coefficient - termistor posiada ujemny współczynnik temperaturowy, czyli rezystancja maleje ze wzrostem temperatury. Są one zbudowane z polikrystalicznych półprzewodników, które stanowią mieszaniny związków chromu, manganu, żelaza, kobaltu i niklu. Są zmieszane z plastycznym środkiem wiążącym.
Rezystancja termistora zmienia się wg wzoru:

R = A x eB/T

gdzie A i B są stałymi zależnymi od materiału, a T jest temperaturą. Jednakże jest to uproszczony wzór. W szerokich zakresach temperatur wartość B zmienia się nieco wraz z temperaturą. W celu obliczenia przybliżonej wartości rezystancji (R1) przy pewnej temperaturze (T1) można wykorzystać powyższy wzór, o ile znana jest rezystancja ( R2) w temperaturze ( T2) i wartość B.

R1 = A x eB/T1
R2 = A x eB/T2

Jeżeli podzielimy te dwa wyrażenia przez siebie to otrzymamy:

R1/R2 = A x eB/T1 / A x eB/T2

Upraszczamy przez A, przenosimy R2 i w ten sposób otrzymamy wzór Beta:

R1 = R2 x e(B/T1 - B/T2)

Wzór Beta określa relacje w zakresie temperatur, dla którego podawana jest wartość B. B 25/85 oznacza, że wartość B jest właściwa dla zakresu temperatur od 25 do 85° C.

Stała mocy (D) jest wielkością mocy w W (lub mW) , potrzebną do podniesienia temperatury rezystora o 1 K powyżej temperatury otoczenia.

Stała czasowa t jest to czas, który termistor NTC potrzebuje do osiągnięcia 63,2% (1 - e-1) tej nowej wartości rezystancji przy zmianie temperatury, ale wzrost temperatury nie może wynikać z przepływającego prądu. Jest to miara szybkości reakcji i zależy to od np, masy oporowej.

Termistory NTC stosuje się do np, pomiarów i regulacji temperatury, kompensacji temperaturowej, opóżnienia czasowego i ograniczenia prądów rozruchu.

Termistor PTC ma dodatni współczynnik temperaturowy, tzn, rezystancja wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Produkowane są one w podobny sposób jak termistory NTC, ale ich podstawą jest BiTiO3, który domieszkuje się z różnymi związkami chemicznymi. Poprzez obfite dodanie tlenu w czasie procesu chłodzenia, otrzymuje się silnie dodatni współczynnik temperaturowy. Rezystancja nieco maleje przy niskich temperaturach, ale po przekroczeniu punktu Curie materiału (Tc) - silnie wzrasta.

Temperatura przemiany (T sw) jest to temperatura, przy której wartość rezystancji równa jest dwukrotnej wartości rezystancji minimalnej. Termistory PTC produkowane są z temperaturą Tsw pomiędzy 25 i 160o C (aż do 270o C o ile są one produkowane jako elementy grzewcze).

Czas przemiany (tsw) to jest czas, jakiego potrzebuje termistor PTC, aby osiągnąć temperaturę Tsw w wyniku przepływu prądu przy stałym napięciu. W tym momencie prąd zmniejsza się do połowy. Czas przemiany można obliczyć z następującego wzoru:

tsw = h x v x (T sw - T amb) / ( It2 x R25 - D x (Tsw - Tamb))

gdzie h = charakterystyczna stała ceramiki 2,5-10-3,
v = objętość ceramiki w mm3,
Tsw = temperatura przemiany
T amb = temperatura otoczenia
lt = prąd w A
D = stała mocy w W/K

Współczynnik temperaturowy oznacza maksymalny współczynnik temperaturowy termistora PTC w tej części charakterystyki, w której jest ona najbardziej stroma.

Bardzo ważne jest, aby nie przekraczać maksymalnego napięcia. Może wówczas nastąpić przebicie i termistor zostanie zniszczony. Nie można także szeregowo łączyć wielu termistorów PTC, aby osiągnąć wyższą wytrzymatość napięciową. Znaczny spadek napięcia powstanie i tak na jednym termistorze i on właśnie zostanie wtedy uszkodzony.

Termistory PTC stosuje się jako zabezpieczenia przeciwko nadmiernemu prądowi np. w silnikach elektrycznych, samoregulujących elementach grzewczych, do obwodu rozmagnesowania w telewizorach kolorowych, obwodach opóĄniających i do wskazywania temperatury.

Termistory dzielimy na 3 grupy.

a) termistory NTC - Negativ Temperature Coefficent, ujemny współszynnik temperaturowy;

b) termistory PTC - Positiv Temperature Coefficent, dodatni współczynnik temperaturowy;

c) termistory CTR - Critical Temperature Resistor, rezystor o temperaturze krytycznej.

Charakterystyki rezystancyjno-temperaturowe termistorów

WARYSTORY

Warystor lub VDR (Voltage Dependent Resistor) jest rezystorem, którego wartość rezystancji zmniejsza się silnie wraz ze wzrostem napięcia. Warystory produkuje się obecnie najczęściej z granulowanego tlenku cynku, domieszkowanego różnymi pierwiastkami jak Bi, Mn, Sb, itd., uformowanego w pastylkę. 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 <;lub= 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 wysokoomowego do niskoomowego w czasie krótszym niż 20 ns. ¦rednica warystora decyduje o mocy i czasie życia. Budowa ziarnista powoduje, że warystor posiada pojemność własną rzędu 50-20 000 pF w zależności do napięcia i wielkości.

Nieliniowość można wykorzystać dla zabezpieczenia przed krótkimi przepięciami, które powstają np. podczas burz, lub przełączania obciążeń o charakterze indukcyjnym. Warystory można stosować zarówno do prądu stałego, jak i zmiennego. Bardzo wysokie przepięcie zmniejsza rezystancję warystora do 0,1 - 50 W w zależności od wartości szczytowej piku napięciowego, napięcia i średnicy warystora.

Warystory montowane są w instalacjach zasilających 230 V~Sl między fazą i zerem lub ziemią, w celu tłumienia przychodzących pików napięciowych, przy pomiarach w układach zasilających miedzy + i -, między przewodem i ziemią w układach sygnalizacyjnych, na styku przerywającym obwód cewki aby zapobiec iskrzeniu, na triaku aby zmniejszyć zakłócenia radiowe, itd.

Warystory  przy pewnej wartości napięcia rezystancja zmienia się szybko z bardziej wysokiej na bardziej niska. Warystor absorbuje energię z przebiegów stanów nieustalonych  i utrzymuje napięcie na dopuszczalnym poziomie. Występowanie warystora w obwodzie ma jednak ma niekorzystny wpływ na czas wyłączenia. Przy napięciach pracy rzędu 24-28V warystor powinno się montować na obciążeniu , a przy napięciach 100-240V równolegle do styków przekaźnika. Warystory można stosować zarówno stosować zarówno w obwodach prądu zmiennego jak i stałego.

Charakterystyki prądowo-napięciowa i rezystancyjno-napięciowa warystora