Laborpraktikum 7 Thermistoren

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1 21. März 2014 Elektrizitätslehre I Martin Loeser Laborpraktikum 7 Thermistoren 1 Lernziele Sie kennen das Verhalten von Thermistoren (NTC, PTC) und können Anwendungsbeispiele nennen. Sie können den Begriff statische Kennlinie eines Thermistors erläutern. Sie können Widerstands-Temperatur-Kennlinien von Thermistoren messtechnisch ermitteln und diese mit Exponentialfunktionen näherungsweise mathematisch beschreiben (empirische Modelle). Sie sind in der Lage, die Parameter dieser Beschreibungen aus der graphischen Darstellung der Kennlinien zu ermitteln. 2 Einleitung Thermistoren (thermal resistors) werden als Heissleiter oder Kaltleiter bezeichnet, je nachdem ob die Leitfähigkeit des verwendeten Materials mit der Temperatur zuoder abnimmt. Thermistoren bestehen aus Halbleitermaterial (Metalloxide). Ihr Einsatzgebiet beschränkt sich daher auf Temperaturen unterhalb 150 C. Sie besitzen eine grosse Empfindlichkeit und bei kleinen Abmessungen eine kurze Reaktionszeit. Thermistoren sind sehr preisgünstig, müssen aber für Messzwecke im Allgemeinen kalibriert werden. Als Temperaturfühler können grundsätzlich beide Typen eingesetzt werden. Die Temperatur wird indirekt über eine Widerstandsmessung ermittelt. Für Temperaturmessungen werden meistens NTCs verwendet, da deren Widerstand-Temperatur-Kennlinie einen relativ glatten Verlauf aufweist und damit eine höhere Messgenauigkeit als mit PTCs ermöglicht wird.

2 Laborpraktikum 7 Thermistoren, Elektrizitätslehre I Heissleiter (NTC negative temperature coefficient) Zur Herstellung von Heissleitern werden verschiedene Metalloxide gemischt, mit Bindemittel versetzt und in der gewünschten Form bei 1000 C bis 1400 C gesintert. Halbleiterwiderstände aus den Elementarhalbleitern Silizium oder Germanium sind auch ausgeprägte Heissleiter. Der statische Widerstand eines Heissleiters nimmt mit steigender Temperatur stark (exponentiell) ab: im Einsatzbereich zwischen 0 C und 150 C, mehr als um den Faktor 100. Der Temperaturkoeffizient (Temperaturbeiwert) ist negativ und ausserdem temperaturabhängig. Bei 20 C ist sein Betrag in etwa 20 mal grösser als der von Metallen. Fremderwärmte Halbleiter Fremderwärmte Heissleiter, meist in Perlen- oder Chipform, werden vom Messstrom nur unmerklich erwärmt: Sie arbeiten mit kleinen Stromstärken. Sie sollen auf Schwankungen der Umgebungstemperatur schnell ansprechen und haben deshalb kleine Abmessungen (kleine Wärmekapazität). Man verwendet sie als Temperaturfühler, zur Temperaturkompensation für Bauelemente mit positivem Temperaturbeiwert, sowie zur Füllstands- oder Strömungsmessung. Eigenerwärmte Halbleiter Eigenerwärmte Heissleiter, meist in Scheiben- oder Stabform, werden von der Umgebungstemperatur kaum beeinflusst: Der durchfliessende Strom bestimmt die Temperatur. Man verwendet sie mit einem festen Vorwiderstand zur Spannungsstabilisierung (z.b. für niedrige Spannungen bei hohen Frequenzen oder zur Amplitudenstabilisierung und Austeuerungsbegrenzung von Verstärkern). Als Anlassheissleiter dienen sie zum Dämpfen von Einschaltstromspitzen oder wegen des festlegbaren zeitlichen Stromanstiegs für die Anzugs- oder Abfallverzögerung von Relais. Temperaturabhängigkeit Der Widerstandsverlauf eines Heissleiters als Funktion der absoluten Temperatur T kann im Einsatzbereich durch folgende Funktion angenähert werden: ( B R(T ) = R 0 exp T B ) ( ) B = A exp. T0 T Dabei bezeichnet R 0 den Widerstand bei Temperatur T 0, und B ist eine Materialkonstante (Einheit: Kelvin), die typischerweise einen Wert 2000 K < B < 5000 K annimmt. 2.2 Kaltleiter (PTC positive temperature coefficient) Alle Metalle sind Kaltleiter. Besondere Kaltleiter werden jedoch aus Bariumtitanat mit Zusätzen von Metalloxiden und -salzen hergestellt. Bei ansteigender Temperatur verhält sich der Kaltleiter zunächst wie jeder Halbleiter: Der statische Widerstand nimmt vorerst ab, weil die erhöhte Temperatur zu einer steigenden Anzahl an freien Ladungsträger führt. Ab einer bestimmten Temperatur (Bezugstemperatur) nimmt

3 Laborpraktikum 7 Thermistoren, Elektrizitätslehre I 3 der Widerstand fast sprungartig um über das Tausendfache zu. Im Bereich des steilen Temperaturanstiegs ist der Temperaturkoeffizient nahezu konstant. Fremderwärmte Kaltleiter Fremderwärmte Kaltleiter werden vom Messtrom nur unmerklich erwärmt. Ihr statischer Widerstand hängt fast ausschliesslich von der Umgebungstemperatur ab. Kaltleiter werden im Bereich des Steilanstiegs des Widerstands betrieben (von 60 C bis 180 C). Eine wichtige Anwendung ist der thermische überlastungsschutz elektrischer Maschinen (in die Wicklung eingebauter Kaltleiter). Kaltleiter zur Temperaturmessung sind meist aus Silizium hergestellt und haben eine nahezu lineare Widerstand-Temperatur-Kennlinie. Eigenerwärmte Kaltleiter Eigenerwärmte Heissleiter werden nur vom durchfliessenden Strom erwärmt. Es stellt sich eine Gleichgewichtstemperatur ein, bei der die zugeführte elektrische Leistung gleich der abgegebenen Wärmeleistung ist. Diese abgegebene Leistung ist proportional zur Temperaturdifferenz des Kaltleiters zur Umgebung. Diese Eigenschaft kann zur Leistungsstabilisierung benutzt werden: Erhöht sich z. B. die Spannung, nimmt der Kaltleiter mehr Leistung auf, was seine Temperatur und damit seinen Widerstand erhöht. Somit verringert sich die Stromstärke. In einem weiten Bereich ist somit die aufgenommene Leistung kaum spannungsabhängig. Ein Kaltleiter kann so als selbstregelndes Heizelement verwendet werden (z. B. für Lockenwickler). Kaltleiter als Flüssigkeitsniveau-Fühler werden an konstanter Spannung betrieben. Bei erhöhter Wärmeableitung steigt der Strom an. Für Verbraucher kleiner Leistung (Lautsprecher, Relaisspulen) wirkt ein Kaltleiter als Überstromsicherung (überlastschutz). Temperaturabhängigkeit Der Widerstandsverlauf eines Kaltleiters als Funktion der Temperatur kann im Gebiet des steilen Widerstandsanstiegs mit folgender Näherung dargestellt werden: R(T ) = R 0 exp (B(T T 0 )), wobei R 0 den Widerstand bei der Nenntemperatur T 0 bezeichnet unter Nenntemperatur versteht man dabei die Temperatur, bei der der Widerstand steil ansteigt. B ist eine Materialkonstante (Einheit: 1 /K). 3 Versuchsdurchführung 3.1 U-I-Kennlinien Aufnahme der statischen I-U-Kennlinie eines PTC-Widerstands mit Messung seiner Temperatur bei allen Messpunkten. Darstellung der I-U- und der R-T -Kennlinie

4 EL1 - Praktikum, Messprogramme Versuche 0 bis 6 Laborpraktikum 7 Thermistoren, Elektrizitätslehre I 4 19/20 Aufgabe 1 Kennlinien (Widerstand-Temperatur-Kennlinie) Aufnahme statischen I-U-Kennlinie in eines linearen PTC-Widerstands und doppeltlogarithmischen mit Messung seiner Temperatur Massstäben. Messpunkten. Die Temperatur Darstellung des PTC der I-U- wird und indirekt der R-!-Kennlinie über den(widerstand-temperatur-kennlinie) NTC-Widerstandswert einer in linearen bei allen und doppeltlogarithmischen Massstäben. Temperatursonde erfasst. Die Temperatur des PTC wird indirekt über den NTC-Widerstandswert einer Temperatursonde erfasst. + U q A I m V I Temperatursonde! Figur 6.1 Messschaltung Der Sondenwiderstand wird mit dem HAMEG-Multimeter gemessen. Vorgehen: Dafür muss die Sondenspitze an das Objekt ruhig und mit mässigem Druck gehalten werden. Um einen Überlegen besseren Sie thermischen zuerst, Kontakt welche zwischen Messschaltung Sonde und fürobjekt das Problem zu erhalten, ammuss besten etwas geeignet Wärmeleitpaste benutzt werden. Verwenden Sie nur wenig davon und nur an der Sondenspitze! ist. Nach der Messung, Wärmeleitpaste von Sonde und PTC bitte wieder abwischen! Messen Sie für den PTC simultan Strom und Spannung. Für Spannungen Zur bis Verhinderung 10 V sollten von Sie Temperaturschwankungen dabei in 1 V-Schritten (wegen vorgehen. Luftzügen) Durch sollte diedas absorbierte Messobjekt mit einer Schachtel zugedeckt werden. Leistung erwärmt sich der PTC - warten Sie also immer so lange, bis sich der Aufgabe gemessene 2 Thermische Strom (bei Verzögerungsschaltung fester Spannung) nicht mehr mit NTC verändert. Aufnahme Messender SieAusgangsspannung für jede Spannung u(t) die in Funktion Temperatur der Zeit des 17 bei PTC. Zuschalten Das geht der am Quellenspannung einfachsten, indem Wie sieht Sie den der PTC Vorgang mitaus, Hilfe wenn derdie Wärmeleitpaste Quellenspannung mit sprungartig dem Temperatur- auf den halben Wert (Figur 6.2). Erläuterung des Vorgangs. Wie lange braucht es zum Erreichen des stationären (eingeschwungenen) Zustands? reduziert sensorwird? in Kontakt Sind beide bringen, Einschwingzeiten und danngleich dessen lang? Widerstand (zum Beispiel mit der Wheatsone-Brücke) messen. NTC Nehmen Sie dann in jedem Messpunkt Spannung und Strom des PTC, und U q = R = 20! den Widerstand der Temperatursonde 10 V auf. / 5 W u(t) Dafür muss Figur die 6.2 Sondenspitze Verzögerungsschaltung an das Objekt ruhig und mit mässigem Druck gehalten werden. Um einen besseren thermischen Kontakt zwischen Sonde und Objekt zu erhalten, muss etwas Wärmeleitpaste benutzt werden. Verwenden Sie nur wenig davon und nur an der Sondenspitze! Nach der Messung, Wärmeleitpaste von Sonde und PTC bitte wieder abwischen! Zur Verhinderung von Temperaturschwankungen (wegen Luftzügen) sollte das Messobjekt mit einer Schachtel zugedeckt werden. Auswertung der Messung: (a) Man verifiziere die Widerstandsformel, die für die Temperatursonde gegeben ist (vgl. Seite 7). (b) Bestimmen Sie zunächst die U-I-Kennlinie des PTC. 17 Die Beobachtung des zeitlichen Verlaufs der Ausgangsspannung kann mit dem Multimeter erfolgen, da (c) Bestimmen der Vorgang Sie relativ dann träge die ist. U-P -Kennlinie und machen Sie sich klar, welche Leistung er in welchem Arbeitspunkt aufnimmt. ZHAW, School of Engineering, Departement T 12. Dezember 2008, M. Schlup (d) Bestimmen Sie dann die U-R-Kennlinie des PTC und stellen Sie diese sowohl im linearen als auch im halblogarithmischen Massstab dar.

5 + U q A V Temperatursonde! Laborpraktikum 7 Thermistoren, Elektrizitätslehre I 5 ur 6.1 Messschaltung Der Sondenwiderstand wird mit dem HAMEG-Multimeter gemessen. (e) Bestimmen Sie mit Hilfe der Skala und der am Ende dieser Anleitung gegebenen muss die Sondenspitze Formel an das dieobjekt Temperatur ruhig desund PTCmit für jeden mässigem Messpunkt. Druck gehalten werden. Um besseren thermischen Kontakt zwischen Sonde und Objekt zu erhalten, muss etwas Wärmeleitpaste t werden. Verwenden (f) Sie Stellen nur wenig Sie dann davon die U-T und -Kennlinie nur an der des Sondenspitze! PTC dar, und bestimmen Sie dann die T -R-Kennlinie. Nach der Messung, Wärmeleitpaste von Sonde und PTC bitte wieder abwischen! (g) Ermitteln Sie die P -T -Kennlinie des PTC. erhinderung von Temperaturschwankungen (h) Versuchen Sie, die Widerstandskennlinie (wegen Luftzügen) im Bereich sollte das desmessobjekt steilen Anstiegs mit mit einer tel zugedeckt werden. Hilfe der Näherungsformel darzustellen. Welche Werte erhalten Sie für R 0 und B? be 2 Thermische Verzögerungsschaltung mit NTC (i) Vergleichen Sie die Näherungskurve mit der gemessenen Kurve. hme der Ausgangsspannung u(t) in Funktion der Zeit 17 bei Zuschalten der Quellenspannung (Figur rläuterung des Vorgangs. Wie lange braucht es zum Erreichen des stationären (eingeschwungenen) ds? Wie sieht der 3.2 Vorgang Thermische aus, wenn Verzögerungsschaltung die Quellenspannung mit sprungartig NTC Epcos auf S235 den halben Wert ert wird? Sind beide Einschwingzeiten gleich lang? NTC U q = 10 V R = 20! / 5 W u(t) ur 6.2 Verzögerungsschaltung (a) Nehmen Sie die Ausgangsspannung u(t) als Funktion der Zeit auf, wenn die Quellenspannung (Figur 6.2) zugeschaltet wird. (b) Erläutern Sie den Vorgang (c) Wann wird der stationäre (eingeschwungene) Zustand erreicht? (d) Wie sieht der Vorgang aus, wenn die Quellenspannung sprungartig auf den halben Wert reduziert wird? Sind beide Einschwingzeiten gleich lang? 3.3 Kalibrieren einer NTC-Temperatursonde (optional) Als Kalibrierung bezeichnet man ein Verfahren, das es ermöglicht,den Zusammenhang zweier voneinander abhängigen Grössen durch Vergleich quantitativ für eine r Vorgang relativ träge bestimmte ist. vorgegebene Genauigkeit zu ermitteln, zum Beispiel den Zusammenhang zwischen der Temperatur und dem Widerstand eines NTC. Dabei wird die unbekannte Grösse (hier der Widerstand des NTC) mit einer bekannten Referenzgrösse, School of Engineering, Departement T 12. Dezember 2008, M. Schlup (hier der Temperaturanzeige eines Präzisionsthermometers) verglichen. Dafür müssen beide Sensoren gleichzeitig demselben Medium (z. B. Wasser) ausgesetzt werden. e Beobachtung des zeitlichen Verlaufs der Ausgangsspannung kann mit dem Multimeter erfolgen, da (a) Nehmen Sie eine Eichtabelle für den NTC für verschiedene Wassertemperaturen auf.

6 Laborpraktikum 7 Thermistoren, Elektrizitätslehre I 6 (b) Machen Sie die erste Messung bei kaltem Wasser. Gehen Sie anschliessend von kochendem Wasser aus und lassen Sie es allmählich abkühlen. (c) Wählen Sie Kalibrierungspunkte in regelmässigen Temperaturabständen. Vergleichen Sie die erhaltenen Werte mit der im Inventar angegeben Formel oder mit dem graduierten Massstab. 3.4 Inventar Netzgerät mit einstellbarer Spannung und wählbarer Strombegrenzung (HM8142) Multimeter (HM8011) Widerstandsdekaden (1 Ω MΩ), Genauigkeit 1%, Belastbarkeit 1 W Präzisionsthermometer (±0.25 C) Glasbecher (wärmefest) Tauchsieder Wärmeleitpaste und Putzlappen 3.5 Messobjekte PTC-Widerstand als Leistungsregler, Nennleistung: 600 mw, Kaltwiderstand: ca. 50 Ω, belastbar bis 30 V NTC-Widerstand als Einschaltstrombegrenzer (EPCOS, Serie 235, Anwendungsklasse nach DIN HGF), P max (25 C): 1.8 W, R max : 10 Ω, I max : 3 A Temperatursonde mit NTC-Widerstand (Therp), graduierter Massstab als Umrechnungstabelle. Der Zusammenhang zwischen der Temperatur T (absolute Temperatur in Kelvin) und dem Widerstandswert R der Sonde, lässt sich im Bereich zwischen 20 und 160 C durch folgende Formel näherungsweise beschreiben: R(T ) = R 0 exp T 0 T, mit R 0 = Ω und T 0 = 3300 K.