Laborpraktikum 7 –thermistoren

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7. September 2015 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. Laborpraktikum 7 –Thermistoren, Elektrizitätslehre I 2 2.1 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:  R(T ) = R0 exp B B − T T0   = A exp B . T  Dabei bezeichnet R0 den Widerstand bei Temperatur T0 , 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 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 ) = R0 exp (B(T − T0 )) , wobei R0 den Widerstand bei der Nenntemperatur T0 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 (Widerstand-Temperatur-Kennlinie) in linearen und doppeltlogarithmischen Massstäben. Die Temperatur des PTC wird indirekt über den NTC-Widerstandswert einer EL1 - Praktikum, Messprogramme Versuche 0 bis 6 19/20 Aufgabe 1 Kennlinien Laborpraktikum 7 –Thermistoren, Elektrizitätslehre I 4 Aufnahme der statischen I-U-Kennlinie eines PTC-Widerstands mit Messung seiner Temperatur bei allen Messpunkten. Darstellung der I-U- und der R-!-Kennlinie (Widerstand-Temperatur-Kennlinie) in linearen Temperatursonde erfasst. Das Prinzip der Messung ist in Abbildung 1 dargestellt. und doppeltlogarithmischen Massstäben. Vorgehen: Die Temperatur des PTC wird indirekt über den NTC-Widerstandswert einer Temperatursonde erfasst. + A Uq Im I V ! Temperatursonde – Figur 6.1 Messschaltung Der Sondenwiderstand wird mit dem HAMEG-Multimeter gemessen. Abbildung 1: PTC-Messschaltung mit Temperatursonde. Dafür muss die Sondenspitze 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! • Überlegen Sie zuerst, welche Messschaltung für das Problem am besten geeigNach der Messung, Wärmeleitpaste von Sonde und PTC bitte wieder abwischen! net ist. Verhinderung Temperaturschwankungen Messobjekt mit einer •ZurMessen Sie fürvon den PTC simultan Strom(wegen und Luftzügen) Spannung.sollte Für das Spannungen Schachtel zugedeckt werden. bis 10 V sollten Sie dabei in 1 V-Schritten vorgehen. Durch die absorbierte Aufgabe 2 erwärmt Thermische mitimmer NTC so lange, bis sich der Leistung sich Verzögerungsschaltung der PTC - warten Sie also gemessene Strom (bei festeru(t) Spannung) mehr verändert. 17 bei Aufnahme der Ausgangsspannung in Funktionnicht der Zeit Zuschalten der Quellenspannung (Figur 6.2). Erläuterung des Vorgangs. Wie lange braucht es zum Erreichen des stationären (eingeschwungenen) •Zustands? Messen Wie Sie für diewenn Temperatur des PTC. Das geht amauf einfachsiehtjede der Spannung Vorgang aus, die Quellenspannung sprungartig den halben Wert reduziert wird? Sind beide Einschwingzeiten gleich lang? sten, indem Sie den PTC mit Hilfe der Wärmeleitpaste mit dem Temperatursensor in Kontakt bringen, und dann dessen Widerstand NTC (zum Beispiel mit der Wheatsone-Brücke) messen. Uq = R = 20 ! u(t) und • Nehmen Sie dann in jedem Messpunkt 10 V Spannung und Strom / 5 W des PTC, den Widerstand der Temperatursonde auf. Figur 6.2 Verzögerungsschaltung Dafür muss die Sondenspitze 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. (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 dann dieist.U -P -Kennlinie und machen Sie sich klar, welche Leider VorgangSie relativ träge stung 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. – sschaltung Sondenwiderstand wird mit7 dem HAMEG-Multimeter gemessen. Laborpraktikum –Thermistoren, Elektrizitätslehre I 5 ndenspitze an (e) dasUnter Objekt ruhig und mit mässigem Druck gehalten werden. Um Verwendung der Temperatursonde, der zugehörigen Skala und der am Enmischen Kontakt zwischen Sondegegebenen und Objekt zu erhalten, muss etwas Wärmeleitpaste de dieser Anleitung Näherungsformel bestimme man die Temperatur rwenden Sie nur wenig davon und nur an der Sondenspitze! des PTC für jeden Messpunkt. (f) Stellen Sie dann die U -T -Kennlinie des PTC dar, und bestimmen Sie dann die Messung, Wärmeleitpaste T -R-Kennlinie. von Sonde und PTC bitte wieder abwischen! (g) Ermitteln Sie die P -T -Kennlinie des PTC. von Temperaturschwankungen (wegen Luftzügen) sollte das Messobjekt mit einer (h) Versuchen Sie, die Widerstandskennlinie im Bereich des steilen Anstiegs mit Hilt werden. fe der Näherungsformel darzustellen. Welche Werte erhalten Sie für R0 und B? (i) Vergleichen Sie die Näherungskurve rmische Verzögerungsschaltung mit NTC mit der gemessenen Kurve. gangsspannung 3.2 u(t)Thermische in Funktion der Zeit17 bei Zuschalten der S235 Quellenspannung (Figur Verzögerungsschaltung mit NTC Epcos es Vorgangs. Wie lange braucht es zum Erreichen des stationären (eingeschwungenen) Folgenden soll mit eines NTCs eine thermische Verzögerungsschaltung, ht der VorgangIm aus, wenn dieHilfe Quellenspannung sprungartig auf den die halben Wert sie in Abbildung 2 dargestellt d beide Einschwingzeiten gleich lang? ist, aufgebaut und analysiert werden. NTC Uq = 10 V R = 20 ! /5W u(t) ögerungsschaltung Abbildung 2: NTC-Messschaltung. (a) Nehmen Sie die Ausgangsspannung u(t) als Funktion der Zeit auf, wenn die Quellenspannung zugeschaltet wird. (b) Wann wird der stationäre (eingeschwungene) Zustand erreicht? (c) 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 bestimmte vorgegebene Genauigkeit zu ermitteln, zum Beispiel den Zusammenhang zwischen der Temperatur und dem Widerstand eines NTC. Dabei wird die unbezeitlichenkannte Verlaufs mitbekannten dem Multimeter Grösseder (hierAusgangsspannung der Widerstand des NTC)kann mit einer Referenzgrösseerfolgen, ng des ativ träge ist. gineering, Departement T da 12. Dezember 2008, © M. Schlup Laborpraktikum 7 –Thermistoren, Elektrizitätslehre I 6 (hier der Temperaturanzeige eines Präzisionsthermometers) verglichen. Dafür müssen beide Sensoren gleichzeitig demselben Medium (z. B. Wasser) ausgesetzt werden. (a) Nehmen Sie eine Eichtabelle für den NTC für verschiedene Wassertemperaturen auf. (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 . . . 11 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 400040 HGF), Pmax (25 ◦ C): 1.8 W, Rmax : 10 Ω, Imax : 3A • 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 ) = R0 exp T0 , mit R0 = 0.126 Ω und T0 = 3300 K. T