Fizičko tehnička merenja
– Laboratorijski vežba – PTC i NTC termistori, tranzistor kao senzor temperature
strana 1 od 7
VIII VEŽBA
8.
SNIMANJE KARAKTERISTIKA TERMISTORA SA POZITIVNIM
TEMPERATURSKIM KOEFICIJENTOM
(PTC) I NEGATIVNIM
TEMPERATURSKIM KOEFICIJENTOM
(NTC) ; TERMOMETAR SA
TRANZISTOROM ( PN SPOJEM) KAO SENZOROM TEMPERATURE
PTC termistor –
otpornik čija otpornost eksponencijalno raste sa porastom temperature u
određenom ospegu iznad Kirijeve temperature. Osnovni materijal za proizvodnju PTC termistora je
barijum titanat (BaTi0
3
). Kirijeva temperatura se podešava dopiranjem, u zavisnosti od primene
termistora. PTC termistori se koriste kao prekidački elementi za zaštitu motora od samozagrevanja,
indikatore nivoa, itd. Kao termometri se koriste samo za uske temperatune opsege, kada ih odlikuje
odlična osetlj
ivost, i kotiste se u digitalnim toplomerima, za merenje telesne temperature.
NTC Termistor –
Poluprovodnički otporni pretvarač čija otpornost ekponencijalno opada sa
porastom temperature. Karakteriše ih velika osetljivost. Mogu biti minijaturnih dimenzija što
omogućava merenje veoma brzih temperaturnih promena.
Napon direktno polarisanog PN spoja linearno opada sa porastom temperature. Temperaturni opseg
termometara na bazi PN spoja je uzak i kreće se od oko
-50 °C pa do oko 150 °C. Ipak zbog niske
cene
često se koriste. Da bi se obezbedila lineranost neophono je korišćenje stujnog ogledala kojim
se poništava uticaj nereproduktivnosti karakteristika traznistora u procesu njihove proizvodnje.
8.1.
ZADATAK VEŽBE
a)
Snimiti karakteristiku otpornost - temperatura,
( )
PTC
R
T
i
( )
NTC
R
T ,
PTC i NTC termistora i
odrediti konstantu
B
[1/K] za oba termistora.
b)
Podesiti izlaznu karakteristiku (nulu i osetljivost) tranzistorskog termometra tako da se temperatura
u opsegu 0 C
80 C
očitava na skali digitalnog milivoltmetra. Osetljivost merenja treba da iznosi
10 mV/ C
.
c)
Na više ustaljenih temperatura izmedu 0 C
i 80 C
izmeriti greške tranzistorskog termometra
poredeći
ga sa preciznim živinim termometrom.
d)
Za vreme izvođenja eksperimenta meriti napon baza
-emitor senzorskog tranzistora i odrediti srednju
osetljivost napona
be
U
u [mV/ C]
.
8.2.
TEORIJSKI OSNOVI
Termistori sa pozitivnim temperaturskim koefieijentom ( PTC ) predstavljaju poluprovodni
čk
e senzore
temperature koji se izra
đuju od
fer
oelektrič
nih materijala. U ograni
č
enom temperaturskom opsegu
počev od jedne određ
ene temperature, PTC termistori naglo pove
ć
avaju otpornost. Tipi
č
an oblik
( )
PTC
R
T
karakteristike prikazan je na sl. 8.1. Pri nižim temperaturama PTC termistori imaju
otpornost od samo stotinak oma. U ovoj oblasti temperaturski koeficijent otpornosti ima malu
negativnu vrednost. Po
č
ev od tzv. Kirijeve temperature zapo
č
inje brzi porast otpornosti od oko 50
%/ºC. To predstavlja vi
še od 100 puta veću oset
jivost od metalnih otpornih termometara i oko 10 puta
ve
ć
u od NTC termistora. Pri visokim temperaturarna otpornost dosti
že oko tri reda velič
ine ve
ć
u
vrednost nego ispod Kirijeve temperature.
Radi upoređ
enja na sl. 8.1 je isprekidanom linijom prikazana
i tipi
č
na karakteristika NTC termistora. Porast otpornosti PTC termis
tora iznad Kirijeve tač
ke je
toliko brz da se oni uglavnom koriste za diskretnu (on/off) signalizaciju premašenja neke temperature.
PTC termistori se ne primenjuju u merenjima temperature, osim u uskom temperaturnom opsegu (npr.
merenju temperature ljudskog tela).
Osnovni materiji za proizvodnju PTC termistora je barijum titanat
3
(BaTiO ) . On se koristi
takođe i za izradu piezoelektrič
nih pretvara
č
a.
U č
istom stanju barijum titanat je izolator koji kao
Fizičko tehnička merenja
– Laboratorijski vežba – PTC i NTC termistori, tranzistor kao senzor temperature
strana 2 od 7
feroelektrik ima veoma veliku relativnu dielektri
č
nu konstantu (
>100)
r
. PTC termistori se
proizvode postupkom sinterovanja, što zna
č
i da oni imaju strukturu keramike. Pre sinterovanja
sprašenom barijum titanatu se dodaju odre
đ
ene primese koje materijalu daju osobine poluprovodnika.
Sinterovanje se obavlja pri temperaturi od oko 1400 C
. Sinterovani materijal sastoji se od mnoštva
monokristalnih zrna dimenzija oko
4
5 10 cm
, koja su me
đ
usobno razdvojena grani
č
nim slojevima
debljine
5
10 cm
. Barijum titanat, iznad Kirijeve temperature
C
T
, menja tip kristalne rešetke i gubi
feroelektri
č
ne i piezoelekt
rič
ne osobine. Opadanje dielektri
č
ne konstante iznad
Kirijeve tač
ke prikazuje
Kiri - Vajsov zakon:
C
T
T
Const
T
)
(
(8.1)
Kirijeva temperatura
C
T
, na
( )
PTC
R
T
karakteristici sl. 8.1, odgovara otpornosti koja je dva puta
ve
ć
a od minimalne otpornosti, tj.
min
( )
2
PTC
R
T
R
. Iznad Kirijeve temperature porast otpornosti
prikazuje se izrazom:
(
)
( )
, (
)
PTC
C
B
T T
PTC
C
R T
A
e
T
T
, (
T
>
T
C
)
(8.2)
gde konstante
PTC
A
i
PTC
B
karakterišu dati termistor.
U literatmi se takođ
e koristi i izraz:
( )
, (
)
PTC
B
T
PTC
PTC
C
R T
A
C
e
T
T
(8.3)
Slika 8.1: Otporno temperaturske karakteristike PTC i NTC termistora.
Počev od tačke
M na sl. 8.1
, porast otpornosti je sporiji, a u tački P otpornost dostiže svoju
maksimalnu vrednost, koja je preko tri reda veličine veća od
min
R
. Pri daljem povišenju tempetature
otpornost počinje da se smanjuje što je tipična pojava kod poluprovodnika.
Kirijeva temperatura čistog barijum titanata iznosi
118 C
. Dopiranjem se može ostvariti i
sniženje i povišenje Kirijeve temperature. Na taj način se proizvode
PTC
termistori sa različitim
temperaturama reagovanja koje odgovaraju pojedinim namenama. Kirijeva temperatura komercijalnih
PTC
termistora kreće se od
30 C
do 170 C
. Smatra se da je otpornost PTC termistora prvenstveno
određena otpornošću slojeva koji okružuju monokristalna zrna, a ne otpornošću zrna. Iznad Kirijeve
temperature smanjuje se dielek
trična konstanta i raste potencijalna barijera na granici zrna, što r
ezultuje
naglim porastom otpornosti termistora.
Otpornost termistora se smanje sa porastom napona što se naziv varistorski efekt. Zato pri
merenjima treba navesti koliki je bio radni napon termistora. Pri naizmeni
č
noj struji PTC termistor se
prikazuje ekvivalentnom šemom paralelne veze otpornika i kondenzatora. Impedansa termistora i
temperaturska osetljivost se smanjuju sa porastom frekvencije.
NTC termistori predstavljaju otporne pretvarače za merenje temperature, koji se u električnom
pogledu svrstavaju u poluprovodnike. Oni se dobijaju sinterovanjem smeše oksida metala sa dodatkom
dopirajućih primesa. Ime su dobili skraćenjem engleskog ter
mina "Negative Temperature Coefficient
