Laboratoriumsbericht

Nichtlineare Widerstände v2
579892148/4/8/2017
Meßanweisung
Grundlagen der elektrischen Temperaturmessung
Lernziel:
Im Rahmen dieser Übung sind U/I Kennlinien von Thermistoren aufzunehmen. Weiters ist eine
Anordnung zur Bestimmung der temperaturabhängigen Basis-Emitterspannung aufzubauen. Zur
rascheren Abwicklung der Übung kann auch eine fertige Messanordnung verwendet werden.
Vorbereitung:
Formeln für die Temperaturabhängigkeit von Thermistoren, Kennlinien von Thermistoren
Literatur:
Lindner TB. d. Elektrotechnik und Elektronik, p. 61-68, p.82 ff,
Beuth, Elektronik 2, p. 35 - 42, Heißleiterwiderstände und Kaltleiterwiderstände,
Spannungsabhängige Widerstände.
Übungsdurchführung:
1
Thermistoren
Beschreibung des Aufbaus:
In einer Baugruppe befindet sich ein Peltier-Element, das mit bis zu 2 Ampere beheizt oder
gekühlt (umpolen!) werden kann.
Zur Temperaturmessung befindet sich auf díesem Peltier-Element ein Temperatursensor, der über
eine elektronische Schaltung an den Buchsen (DVM) eine Spannung von 10mV / °C ausgibt. Die
Elektronik ist über ein Gleichspannungsnetzgerät (+/-12V) elektrisch zu versorgen.
Auf der anderen Seite der Baugruppe sind die Anschlüsse eines NTC- und eines PTCWiderstands sowie von einem Transistor herausgeführt. Die ohmschen Widerstände des NTC und
PTC können mittels Digital-Ohmmeter ausgemessen werden, der Heizstrom wird über ein
Netzgerät stufenweise erhöht. Zu messen ist etwa zwischen 0°C und 70°C!
Haiml&Klammler
FH - Salzburg
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Meßanweisung
NTC-Widerstand
Die Temperaturabhängigkeit des NTC-Widerstands wird beschrieben durch die Formel:
R(T) = RN * exp(B * (1/T -1/TN)) mit TN = 293K
Ermittle zehn R/T - Wertepaare und bestimme daraus die Konstanten B und RN!
Zeichne die Werte sowohl in einfach logarithmischer Darstellung: logR über 1/T als auch in der
Darstellung : RT über T. (Welche Vorzüge besitzen diese Darstellungsarten? )
Achte darauf, dass der Messstrom so klein bleibt, dass das Messergebnis nicht verfälscht wird.
Temperaturkompensation
Bei Kompensationsanwendungen stört vielfach die sehr starke Nichtlinearität der Heißleiterkennlinie. Durch Parallelschaltung
eines Widerstandes Rlin kann man für einen Temperaturbereich von etwa 100°C eine weitgehende Linearisierung der
Heißleiterkennlinie erreichen. Die Kombination: Heißleiter-Parallelwiderstand besitzt abhängig von der Temperatur eine S-förmige
Kennlinie mit einem Wendepunkt. Die beste Linearisierung erhält man, wenn dieser Wendepunkt in der Mitte des Arbeitsbereiches
liegt. Der Wert für Rlin ist dann:
Rlin = RTM * (B - TM)/(B + 2TM) , TM = mittlere Temperatur in Kelvin, B in Kelvin, RTM=mittlerer Widerstand des HL.
Berechne die Kennlinie einer solchen Parallelschaltung R(T) || Rlin für TM= 50°C, B=2000K, RN=1k, von 0°C - 100 °C
Spannungsstabilisierung
Ähnlich wie die Zenerdioden können auch Heißleiter zur Spannungsstabilisierung verwendet werden.
Wird in Serie zum Heißleiter ein Widerstand mit einem Wert von etwa 1% des Heißleiter-Kaltwiderstandes geschaltet, so lässt sich
in einem Strombereich von 1:10 an Heißleiter und Vorwiderstand eine bis etwa 10% konstante Spannung abnehmen.
3
PTC-Widerstand
Analog zum NTC-Widerstand ist auch hier der
Widerstandsverlauf über der Temperatur
aufzunehmen.
Wir unterscheiden PTC-Widerstände aus
dotiertem Silizium (z.B. KTY von Siemens) und
solche aus gesinterter Titankeramik. Beim SiSensor kann der Widerstandsverlauf
näherungsweise als Polynom zweiter Ordnung
über der Temperatur angesehen werden.
Beim keramischen Bauelement gibt es in einem
schmalen Temperaturbereich einen sehr steilen
Widerstandsanstieg. In den anderen Bereichen verhält er sich wie ein NTC-Widerstand. (Bild)
Aus dem Diagramm Log(RT) über T sind nach Möglichkeit die Kennwerte zu ermitteln.
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Temperaturmessung mittels Transistor
Ein Transistor wird als Diode geschaltet ( B und
C verbunden) und mit konstantem Strom
betrieben. Die Basis-Emitterspannung UBE hat
bei Zimmertemperatur etwa den Wert 0.6 Volt .
Bei Temperaturerhöhung sinkt diese Spannung
um ca. 2 mV/°C.
Verifizieren Sie die Kurve.
Haiml&Klammler
FH - Salzburg
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Meßanweisung
Temperaturmessung mit Thermoelementen
Thermoelemente - Theorie
An den Berührungsstellen zweier Metalle entstehen temperaturabhängige elektrische
Spannungen im mV - Bereich. ( --> Seebeck - Effekt)
Pt
Die thermoelektrische Spannungsreihe gibt die
Thermokonstanten der verschiedenen Leiter
gegen Platin an.
Uth
Als “kalte” Kontaktstelle wird meist Eiswasser
Pt
(0°C) angegeben, es ist aber auch jede andere
Metall
definierte Bezugstemperatur möglich.
Für einige besonders effektive Metallkombinationen sind Spannungsreihen genormt
Tw
Tk
worden.
Der Anstieg der Thermospannung mit der
Uth = KPt/Met (Tw - Tk)
Temperatur erfolgt nicht linear. Wenn von einer
Thermokonstanten Kth gesprochen wird, so
muss auch zugleich der Bereich angegeben werden, innerhalb dessen diese Konstante mit der angegebenen Genauigkeit gilt.
Ein Thermoelement besteht immer aus zwei Drähten (Thermopaar) aus unterschiedlichem Material, die an einem Ende
verschweißt sind. Die Schweißperle schafft eine mechanisch stabile und elektrisch sichere Verbindung, muss aber nicht
unbedingt sein. Auch Klemmverbindungen oder eine einfache Verdrillung sind im Prinzip möglich. Bei Stechpyrometern wird
der elektrische Kontakt erst durch das Messobjekt selbst hergestellt.
Aus zwei verschiedenen Drahtmaterialien ist ein Paar von Thermoelementen
anzufertigen, deren eine
Verbindungsstelle auf die Temperatur von Eiswasser ( 0°C) gebracht wird, die andere Stelle wird im
Wasserbad auf eine bekannte d.h. mittels Thermometer zu messende Temperatur gebracht.
Durch Absenkung dieser Temperatur von ca. 90°C auf Zimmertemperatur ist eine Kennlinie für dieses
Thermoelement aufzunehmen.
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Skizzieren Sie den Messaufbau
Bei der Durchführung der Messung wird jeweils die Temperatur im Wasserbad und die zugehörigen
Thermospannungen von einem "Eigenbau"-Thermoelemente-Paar sowie von einem handelsüblichen
Thermoelement notiert.
Stellen Sie die Messergebnisse als Diagramm Uth=U() dar.
Haiml&Klammler
FH - Salzburg
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