Resumen: El termistor es una resistencia semiconductora cuya resistencia es muy sensible a los cambios de temperatura. Tiene muchas ventajas y usos únicos en control automático, tecnología electrónica inalámbrica, tecnología de control remoto y tecnología de medición de temperatura. gama de aplicaciones. Este experimento utiliza el método del puente para estudiar las características de temperatura de resistencia del termistor y profundiza la comprensión de las características de temperatura de resistencia del termistor.
Palabras clave: termistor, puente de CC desequilibrado, características de temperatura de resistencia
1 Introducción
El termistor se basa en la conductividad y Un dispositivo fabricado con una fuerte dependencia de temperatura, su coeficiente de temperatura de resistencia es generalmente (-0,003 ~ 0,6) ℃ -1. Por lo tanto, los termistores generalmente se pueden dividir en:
I. Elementos termistores de coeficiente de temperatura de resistencia negativa (NTC)
A menudo hechos de algunos óxidos de metales de transición (principalmente cobre, níquel, cobalto, cadmio). y otros óxidos) formados bajo ciertas condiciones de sinterización están hechos de óxidos metálicos semiconductores como materiales básicos. En los últimos años, también están hechos de semiconductores monocristalinos y otros materiales. Los nacionales se refieren principalmente a termistores semiconductores de tipo MF91 ~ MF96. Dado que los óxidos de metales de transición mencionados anteriormente que componen este tipo de termistor están básicamente completamente ionizados dentro del rango de temperatura ambiente, es decir, la concentración del portador es básicamente independiente de la temperatura, por lo que el cambio de resistividad de este tipo de termistor con la temperatura principalmente considera la movilidad y la relación entre la temperatura, a medida que aumenta la temperatura, aumenta la movilidad y disminuye la resistividad. La mayoría de ellos se utilizan en tecnología de medición y control de temperatura, y también se pueden convertir en medidores de flujo, medidores de potencia, etc.
II. Elemento termistor con coeficiente de temperatura de resistencia positiva (PTC)
Al material de titanato de bario de uso común se le añaden trazas de titanio, bario, etc. o elementos de tierras raras utilizando tecnología cerámica y cocido a alta temperatura. El cambio de resistividad con la temperatura de este tipo de termistor depende principalmente de la concentración del portador, mientras que el cambio de movilidad con la temperatura es relativamente insignificante. El número de portadores aumenta exponencialmente con el aumento de la temperatura. Cuanto mayor es el número de portadores, menor es la resistividad. Se utiliza ampliamente, además de para medir la temperatura, controlar la temperatura y compensar la temperatura en circuitos electrónicos, también se utiliza en varios tipos de calentadores, como los secadores de pelo.
2. Principio y dispositivo experimental
Dispositivo experimental
Puente de CC desequilibrado tipo FQJ-II para enseñanza, dispositivo experimental de calentamiento de puente desequilibrado FQJ (calefacción El horno tiene un termistor semiconductor MF51 incorporado (2,7 kΩ) y un sensor de temperatura para control de temperatura) y varios cables de conexión.
Principio experimental
Según la teoría de los semiconductores, la relación entre la resistividad y la temperatura absoluta de los materiales semiconductores generales es
(1-1)
En la fórmula, a y b son constantes para el mismo material semiconductor y sus valores están relacionados con las propiedades físicas del material. Por lo tanto, el valor de resistencia del termistor se puede escribir de acuerdo con la ley de resistencia como
(1-2)
donde es la distancia entre los dos electrodos, es la sección transversal del termistor, .
Para una determinada resistencia, yb son ambas constantes, que pueden medirse experimentalmente. Para facilitar el procesamiento de datos, tomamos el logaritmo de ambos lados de la fórmula anterior, luego tenemos
(1-3)
La fórmula anterior muestra que existe una relación lineal entre y. En el experimento, siempre que se mida cada temperatura y el valor de resistencia correspondiente sea la abscisa y la ordenada, la gráfica obtenida debe ser una línea recta. obtenerse mediante método gráfico, método de cálculo o método de mínimos cuadrados.
El coeficiente de temperatura de resistencia del termistor viene dado por la siguiente fórmula
(1-4)
El valor b obtenido del método anterior y la habitación Fórmula de sustitución de temperatura (1-4), puede calcular el coeficiente de resistencia a la temperatura a temperatura ambiente.
El valor de resistencia del termistor a diferentes temperaturas se puede medir mediante un puente CC desequilibrado. El diagrama esquemático del puente de CC desequilibrado se muestra a la derecha. Entre B y D hay una resistencia de carga. Siempre que se mida, se puede obtener el valor.
Cuando la resistencia de carga → , es decir, la salida del puente está en estado abierto
=0, solo hay salida de voltaje, representada por El puente está en equilibrio. Para lograr precisión en la medición, el puente debe estar preequilibrado antes de la medición para que el voltaje de salida solo esté relacionado con el cambio de resistencia de un brazo.
Si R1, R2 y R3 son fijos, R4 es la resistencia a medir y R4 = RX, entonces cuando R4→R4 △R, la salida de voltaje debido al puente desequilibrado es:
(1-5)
Al medir el termistor MF51, el puente de CC desequilibrado utiliza un puente vertical, y, luego
(1 —6)
p>
En la fórmula, R y son valores de resistencia preajustados y equilibrados. Después de medir la salida de voltaje, △R se puede obtener calculando la fórmula (1-6), por lo tanto =R4 △R.
3. Investigación sobre las características de resistencia-temperatura del termistor
Estudie el circuito puente basándose en las características de resistencia-temperatura del termistor semiconductor MF51 (2,7 kΩ) en la Tabla 1, y diseño El valor de la resistencia R y de cada brazo es para garantizar que la salida de voltaje no se desborde (en este experimento = 1000,0 Ω, = 4323,0 Ω).
Según el tipo de puente, preajuste el equilibrio, gire el interruptor de "conversión de función" a la posición de "voltaje", presione los interruptores G y B, encienda el dispositivo de calentamiento experimental para calentar, y medir un valor cada 2°C y enumerar los datos de medición (Tabla 2).
Tabla 1 Resistencia ~ Características de temperatura del termistor semiconductor MF51 (2,7 kΩ)
Temperatura °C 25 30 35 40 45 50 55 60 65
Resistencia Ω 2700 2225 1870 1573 1341 1160 1000 868 748
Tabla 2 Datos de medición (vertical) de la forma de salida de voltaje del puente desequilibrado del termistor MF51
i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Temperatura t℃ 10,4 12,4 14,4 16,4 18,4 20,4 22,4 24,4 26,4 28,4
Termodinámica T K 283,4 285,4 287,4 289,4 291,4 293,4 29 5,4 299,4 301,4
0,0 -12,5 -27 -42,5 -58,4 -74,8-91,6 -107,8-126,4 -144,4
0,0 -259,2-529-789-1024,8 -1451,9-1815,4-1977,9
4323,0 4063,8 3793,1 .0 3295.8 3074.9 2871.1 2692,9 2507,6 2345,1
Se realiza una gráfica en base a los datos obtenidos en la Tabla 2, como se muestra a la derecha. La ecuación lineal calculada mediante el método de mínimos cuadrados es, es decir, la expresión matemática de las características de resistencia-temperatura del termistor semiconductor MF51 (2,7kΩ) es.
4. Error de resultado experimental
La expresión matemática de la característica resistencia-temperatura del termistor semiconductor MF51 obtenida a través del experimento es.
Los valores medidos de las características de resistencia-temperatura del termistor se calculan en base a la expresión obtenida y son consistentes con los valores de referencia dados en la Tabla 1, como se muestra en la siguiente tabla:
Tabla 3 Comparación de resultados experimentales
Temperatura ℃ 25 30 35 40 45 50 55 60 65
Valor de referencia RT Ω 2700 2225 1870 1573 1341 1160 1000 868 748
Valor de medición RT Ω 2720 2238 1900 1587 1408 1232 1074 939 823
El error relativo es 0,74 0,58 1,60 0,89 4,99 6,20 7,40 8,18 10,00
A partir de los resultados anteriores, es básicamente dentro del rango de error experimental. Pero podemos encontrar claramente que a medida que aumenta la temperatura, el valor de resistencia se vuelve más pequeño, pero el error relativo aumenta, lo que se debe principalmente al efecto de calentamiento interno.
5. Influencia del efecto de calentamiento interno
Durante el experimento, dado que siempre pasa una cierta corriente de trabajo a través del termistor cuando se utiliza un puente desequilibrado, el valor de resistencia del termistor es es grande, de tamaño pequeño y tiene una pequeña capacidad calorífica, por lo tanto, el calor Joule hará que el termistor genere rápidamente un aumento de temperatura de calor interno adicional estable más alto que la temperatura externa. Este es el llamado efecto de calentamiento interno. Al medir con precisión las características de temperatura de un termistor, se debe considerar la influencia de los efectos del calentamiento interno. Este experimento no será estudiado ni discutido más.
6. Resumen del experimento
A través del experimento, obviamente podemos encontrar que la resistencia del termistor es muy sensible a los cambios de temperatura y, a medida que la temperatura aumenta, su resistencia El valor disminuye exponencialmente. Por lo tanto, se pueden fabricar varios tipos de sensores utilizando las características de resistencia-temperatura, que pueden convertir pequeños cambios de temperatura en cambios de resistencia para formar grandes salidas de señal, que son especialmente adecuadas para mediciones de alta precisión. Además, debido al pequeño tamaño del componente y su amplia selección de formas y materiales de embalaje, es particularmente adecuado para su uso como sensor de temperatura y humedad en entornos como alta temperatura, alta humedad, vibración y choque térmico. Se puede utilizar en diversas operaciones de producción y tiene un gran potencial de desarrollo.