대학 물리학 실험 보고서

개요 : 서미스터는 저항이 온도 변화에 매우 민감한 반도체 저항의 일종으로, 자동 제어, 무선 전자 기술, 원격 제어 기술 및 온도 측정 기술에서 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다. 본 실험에서는 서미스터의 저항 온도 특성을 브리지 법으로 연구하고 서미스터의 저항 온도 특성에 대한 이해를 심화시켰다.
키워드 : 서미스터, 불평형 DC 브리지, 저항 온도 특성

1. 소개

서미스터는 온도에 대한 반도체 재료의 전도성의 강한 의존성에 따라 제조 된 장치로 일반적으로 저항의 온도 계수는 ° C-1입니다. 따라서 서미스터는 일반적으로 다음과 같이 나눌 수 있습니다.
음의 온도계 수의 서미스터 소자는, 소결 조건에 따라 전이 금속 산화물로 이루어지는 반도체 금속 산화물을 기본 재료로하여 형성되는 것이 많고, 최근에는 단결정 반도체 등의 재료도 준비되어있다. 국내에서는 주로 MF91 ~ MF96 형 반도체 서미스터를 기준으로합니다. 이와 같은 서미스터를 구성하는 전이 금속 산화물은 상온에서 거의 완전히 이온화되어 있기 때문에, 캐리어 농도는 실질적으로 온도와는 무관하므로,이 서미스터의 저항률은 주로 온도의 함수로서의 이동도에 의존한다. 온도와 관련하여, 온도가 증가함에 따라, 이동성은 증가하고 저항률은 감소한다. 대부분 온도 측정 및 온도 제어 기술에 사용되며 유량계 및 전력 계량기로도 사용할 수 있습니다.
II. 저항의 온도 계수가 양의 서미스터 소자는 세라믹 공정, 고온 소성에 의해 티타늄, 탄탈륨 또는 희토류 원소의 미량을 증가시키기 위해 티타늄 산 바륨 물질을 일반적으로 사용한다. 이러한 서미스터의 저항은 주로 캐리어 농도에 따라 온도에 따라 변하고, 온도에 따른 이동도 변화는 상대적으로 무시할 만하다. 캐리어의 수는 온도가 증가함에 따라 기하 급수적으로 증가하고, 캐리어의 수가 많을수록 저항은 더 작아진다. 온도 측정, 온도 제어, 전자 회로의 온도 보상뿐만 아니라 헤어 드라이어와 같은 다양한 유형의 히터로 널리 사용됩니다.

2. 실험 장비 및 원리

[실험 장치]
교시 용 FQJ-II 형 불평형 DC 브리지, 온도 제어용 FQJ 언밸런스 브릿지 가열 실험 장치 및 온도 센서), 여러 개의 연결 라인.
[실험 원리]
반도체 이론에 따르면, 전형적인 반도체 물질의 저항률과 절대 온도 사이의 관계는

여기서 a와 b는 같은 반도체 재료에 대해 일정하며 그 값은 재료의 물리적 특성과 관련이있다. 따라서, 서미스터의 저항 값은 저항의 법칙에 따라 기입 될 수있다.

서미스터의 단면 인 두 전극 사이의 거리는 어디에 있습니까?
특정 레지스터의 경우, b는 일정하며 실험적으로 결정될 수 있습니다. 데이터 처리를 용이하게하기 위해, 위 공식의 양측에 대수를 취한 다음,

위의 식은 선형 관계를 보여 주며, 실험에서 온도와 해당 저항을 측정하는 한,
횡좌표를 세로 좌표로하면, 얻어진 직선은 직선이되고, 파라미터 a, b의 값은 그래픽 법, 계산 알고리즘 또는 최소 제곱 법에 의해 구할 수있다.
서미스터의 저항 온도 계수는

위의 방법으로 얻은 b 값과 실온 치환 공식으로부터 실온에서의 저항 온도 계수를 계산할 수있다.
서로 다른 온도에서 서미스터의 저항은 불평형 DC 브리지로 측정 할 수 있습니다. 오른쪽 그림은 불평형 직류 브리지의 개략도이며, 부하 저항은 B와 D 사이에 사용됩니다. 측정이 끝나면 값을 얻을 수 있습니다.

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부하 저항 → 즉, 브리지 출력이 개방 상태에있을 때 = 0, 그 때 브리지 출력 = 0을 나타 내기 위해 사용 된 전압 출력, 즉 브리지가 평형 상태에 있습니다. 측정 정확도를 위해 브리지는 측정 전에 미리 밸런싱되어야하므로 출력 전압은 한 팔의 저항 변화와 관련이 있습니다.
R1, R2 및 R3이 고정 된 경우 R4는 테스트 할 저항이고 R4 = RX 인 경우 R4 → R4 + △ R 일 때 브리지 불균형으로 인한 전압 출력은 다음과 같습니다.

MF51 타입 서미스터를 측정 할 때, 불평형 DC 브리지는 수직 브리지를 사용하며,

식 중, R 및 양쪽 모두 밸런스를 미리 조정 한 후의 저항 값이며, 전압 출력을 측정 한 후, 공식에 의해 ΔR을 구할 수 있으므로, R4 = ΔR이된다.

3. 서미스터의 저항 온도 특성 연구

표 1의 MF51 형 반도체 서미스터의 저항 - 온도 특성에 따라 브리지 회로가 연구되었으며, 아암 저항 R 및 R의 값은 전압 출력이 오버 플로우하지 않도록 설계되었다.
교량 유형에 따라 균형을 미리 균형을 맞추고 "기능 전환"스위치를 "전압"위치로 돌린 다음 G 및 B 스위치를 누르고 실험용 가열 장치를 켜고 2 ° C마다 1 개 값을 측정 한 다음 측정 데이터를 나열하십시오.

표 1 MF51 형 반도체 서미스터 저항 ~ 온도 특성 온도 ° C 25 30 35 40 45 50 55 60 65
저항 Ω 2700 2225 1870 1573 1341 1160 1000 868 748

표 2 : 언밸런스 브리지 전압 출력 형태로 MF51 타입 서미스터 측정
i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
온도 t ° C 10.4 12.4 14.4 16.4 18.4 20.4 22.4 24.4 26.4 28.4
열역학 TK 283.4 285.4 287.4 289.4 291.4 293.4 295.4 297.4 299.4 301.4
0.0 -12.5-27.0 -42.5-58.4 -74.8 -91.6-107.8 -126.4-144.4
0.0259.2-529.9 -789-1027.2 -124.8-1451.9-1630.1-1815.4-1977.9
4323.0 4063.8 3793.1 3534.0 3295.8 3074.9 2871.1 2692.9 2507.6 2345.1

표 2에서 얻은 정보에 따르면 오른쪽과 같이지도가 표시됩니다. 최소 제곱 법에 의해 산출 된 1 차 방정식은 MF51 형 반도체 서미스터의 저항 - 온도 특성의 수학적 표현이다.

4, 실험 결과의 오차

실험을 통해 얻어진 MF51 형 반도체 서미스터의 저항 - 온도 특성의 수학적 표현식은 다음과 같다. 얻어진 식에 따라, 서미스터의 저항 - 온도 특성의 측정 값이 계산되며, 이는 표 1에 주어진 기준값과 잘 일치한다.
표 3 실험 결과 비교 온도 ° C 25 30 35 40 45 50 55 60 65
기준치 RT Ω 2700 2225 1870 1573 1341 1160 1000 868 748
측정 값 RT Ω 2720 2238 1900 1587 1408 1232 1074 939 823
상대 오차 % 0.74 0.58 1.60 0.89 4.99 6.20 7.40 8.18 10.00

위의 결과로부터, 그것은 기본적으로 실험 오차 범위 내에 있습니다. 그러나 우리는 온도가 증가함에 따라 저항 값이 더 작아 지지만 상대적으로 오차가 더 크다는 것을 분명히 알 수 있습니다. 이는 주로 내부 열 효과에 기인합니다.

5. 내부 열 효과의 효과

실험 중에는 불평형 브리지로 서미스터를 측정 할 때 항상 일정한 동작 전류가 흐르고 서미스터는 큰 저항 값, 작은 부피 및 작은 열 용량을 가지므로 줄 열이 서미스터를 빠르게 안정화시킵니다. 주위 온도보다 높은 추가 내부 열 상승은 소위 내부 열 효과입니다. 서미스터의 온도 특성을 정확하게 측정 할 때 내부 열 효과의 영향을 고려해야합니다. 이 실험은 더 이상의 연구와 토론을 수행하지 않습니다.
6, 실험 요약

실험을 통해 서미스터의 저항 값은 온도 변화에 매우 민감하고 온도가 상승함에 따라 저항 값이 지수 함수 적으로 감소 함을 알 수 있습니다. 따라서, 저항 온도 특성을 이용하여 여러 가지 센서를 만들 수 있으며, 작은 온도 변화를 저항 변화로 변환하여 큰 신호 출력을 형성 할 수있어 특히 고정밀 측정에 적합합니다. 또한 부품의 소형화 및 다양한 형상 및 포장재 선택으로 고온, 고습, 진동 및 열충격 환경에서의 온도 및 습도 센서에 특히 적합하며 뛰어난 개발 잠재력을 지닌 다양한 생산 작업에 적용 할 수 있습니다.

참고 문헌 :

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