Homogene Halbleiter. Bauelemente und Schaltungstechnik, Institut für Mikrosystemtechnik. Prof. Dr. D. Ehrhardt

Transkript

1 Homogene Halbleiter 1

2 Heißleiter NTC (= negativer Temperaturkoeffizient) 2

3 Heißleiter auch Thermistor genannt Herstellung Sintern von verschiedenen Metalloxiden Bauformen Scheiben/Stäbe mit/ohne Anschlußdrähte Metallgehäuse, auch mit Gewinde Glasgehäuse Plastikgehäuse viele Miniaturund Spezialtypen 3

4 Heißleiter Meßheißleiter K17 4

5 Heißleiter Charakterisierung In der Praxis wird oft der Kaltwiderstand ( R ) 20 angegeben Verlustleistung P V = I 2 R T Daraus Erwärmung T = P V R th Bis etwa 10 mw keine Eigenerwärmung Für Meßzwecke brauchbar 5

6 Anwendungsbeispiele Temperaturmessung mit Wheatstone-Brücke 6

7 Anwendungsbeispiele Temperaturmessung mit Wheatstone-Brücke Leerlaufspannung U 0 = U 2 U 1 U B 4 R R ( U 0 = 0! ) R T = R R 1 = R 2 wenn bei Brückengleichgewicht gilt: und 7 Wichtig für Temperaturmessung: Aufheizung durch Meßstrom vernachlässigbar Max. zulässiger Strom durch den Heißleiter mit I zul = T zul = T zul R th R T maximal zulässige Temperaturerhöhung ( ) T = 1 C 1K (z.b. )

8 Anwendungsbeispiele Kompensation von Temperaturgängen Kennlinie bei Parallelschaltung von Heißleiter und Widerstand Kennlinie bei Reihenschaltung von Heißleiter und Widerstand 8

9 Anwendungsbeispiele Kompensation des Temperaturgangs einer Ablenkspule Guter Wärmekontakt mit Vernachlässigbare Temperaturerhöhung infolge des Stromes durch den Heißleiter 9

10 Anwendungsbeispiele Relais-Anzugs-Verzögerung Begrenzung von Einschaltströmen durch Ausnutzung der Eigenerwärmung infolge der Verlustleistung des Heißleiters 10

11 Anwendungsbeispiele Relais-Anzugs-Verzögerung Strom springt nach dem Einschalten auf Arbeitspunkt Durch den Strom erwärmt sich der Heißleiter: Strom steigt Bei Erreichen des Ansprechstromes I AN zieht das Relais an Der Endstrom im stationären Zustand ist I A A f 11

12 Anwendungsbeispiele Stabilisierung einer Wechselspannung Hohe Zeitkonstante sprunghafte Änderungen werden nachträglich ausgeregelt langsame Änderungen werden direkt ausgeregelt 12

13 Kaltleiter PTC (= positiver Temperaturkoeffizient) 13

14 Kaltleiter 14

15 Kaltleiter Herstellung ähnlich NTC, jedoch andere Zusammensetzung z.b. Bariumcarbonat, Strontiumoxid, Titanoxid Bauformen Stabform, Scheibenform Kennlinie Typische Werte: R = Ω min T = 10,20, 140,150 C N α = 5 60 % N C 15

16 Kaltleiter Beispiele Ohne Eigenerwärmung: Temperaturregelung, Motorschutz Mit Eigenerwärmung: Strombegrenzung (Entmagnetisierung einer Farbbildröhre) Flüssigkeitsstand-Anzeige 16

17 Varistor VDR (= voltage dependent resistor) 17

18 Varistor Strom-Spannungs-Kennlinien Nichtlinearer Widerstand 18

19 Varistor Bauformen Stabform, Scheibenform Material Siliziumkarbidpulver oder Zinkoxid gesintert Näherungsweise Kennlinie U V = C I A bzw. I A = U V 1 C ( ) β mit C = Konstante ( ) β = Regelfaktor ( 0,15 0, 35) 1 β = K U α 19

20 Varistor Eingeprägter Strom Abflachen der U-Kennlinie 20

21 Varistor Eingeprägte Spannung Stromspitzen 21

22 Varistor Anwendungen Funkenlöschung an Kontakten bei induktiven Lasten: Motor, Spule... Erzeugung von nichtlinearen Kennlinien Spannungsbegrenzung, Überspannungsschutz Frequenzabhängigkeit schon ab ca. 1 khz! 22

23 Feldplatten MDR (= Magnetic field Dependent Resistor) 23

24 Feldplatten Magnetisch steuerbare Widerstände Ein stromdurchflossener Leiter ändert seinen Widerstand in einem genügend starken Magnetfeld (durch die Lorentz-Kraft) Ohne Magnetfeld a) verlaufen die Strombahnen gerade und parallel Bei Einwirkung eines Magnetfeldes b) ergeben sich Zickzackverläufe Besonders eignen sich Nickelantimonid-Nadeln dazu Widerstand von der Polung der angelegten Spannung unabhängig 24

25 Feldplatten Typische Kenndaten Der Widerstand R B folgt, ausgehend von einem Grundwert R 0, einer Änderung der magnetischen Flußdichte B Die Steuerung des Widerstands durch das Magnetfeld geschieht praktisch trägheitslos Die Feldplatte vermag schnellen Feldwechseln mit Frequenzen von mehreren MHz zu folgen D, L, N Materialvarianten 25

26 Feldplatten Temperaturabhängigkeit TK ist abhängig von der Temperatur und von der Induktion 26

27 Feldplatten Temperaturabhängigkeit Besondere Schaltungsmaßnahmen sind nötig z.b. Brückenschaltung 27

28 Hallgeneratoren Halbleiterplättchen mit vier Anschlüssen 28 Wird das von einem Strom I 1 durchflossene Plättchen einem Magnetfeld mit der Induktion B ausgesetzt, kommt es zur Ablenkung der Strombahnen durch die Lorentz-Kraft U 2 B I 1 bei müßte die Hallspannung sein B = 0 U 2 = 0 Nullpunktfehler

29 Hallgeneratoren Anwendungen Sonde zur Messung magnetischer Felder 29

30 Hallgeneratoren Anwendungen Messung hoher Gleichströme durch Messung der Induktion 30

31 Hallgeneratoren Anwendungen Messung elektrischer Leistung U I 1 B 31

32 Fotowiderstände LDR (= Light Dependent Resistor) 32

33 Fotowiderstände Durch auftreffendes Licht steuerbare Widerstände Geeignete Halbleiterschicht auf einem Keramikplättchen Materialien sind vorallem Cadmiumverbindungen Ausnutzung des inneren fotoelektrischen Effekts Lichteinstrahlung löst Elektronen aus dem Gitterverband und erhöht somit die Leitfähigkeit 33

34 Fotowiderstände Anwendungen Einschalten eines Relais in Abhängigkeit von der Beleuchtung Relaiswiderstand ergibt sich aus der max. Verlustleistung und Beleuchtungstärke Einschalten der Beleuchtung von Solarlampen bei Dämmerung 34

35 Fotowiderstände Typische Kenndaten Leistungshyperbel beachten Verlustleistung des LDR darf nicht überschritten werden Darstellung linear oder logarithmisch Widerstandsgerade vs. gekrümmter Widerstandslinie Leistungshyperbel vs. Leistungsgerade 35

36 Homogene Halbleiter Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 36