非线性电阻特性研究(一)

（1） 了解並掌握基本电学仪器的使用

（2） 学习电学实验规程，掌握回路接线方法 （3） 学习测量条件的选择及系统误差的修正。

（4） 探究发光二極管和热敏电阻什么样子在常温下的伏安特性曲线

发光二极管（BT102） 热敏电阻什么样子（根据实验室情况选择） 滑动变阻器（0~100 Ω）定值电阻（400Ω）毫安表（0~50mA） 微安表(0~50μA) 电压表（0~3v 0~6v） 电源（10v） 导线等

（1）当一个元件两端加上电压，元件内有电流通过时电压与电流之比称为该元件的电阻R（R=U/I）。若一个元件两端的电压与通过它的电流成比例则伏安特性曲线为一条直线，这类元件称为线性元件若元件两端的电压與通过它的电流不成比例，则伏安特性曲线不再是直线而是一条曲线，这类元件称为非线性元件 一般金属导体的电阻是线性电阻，它與外加电压的大小和方向无关其伏安特性是一条直线（见图b）。从图上看出直线通过一、三象限。它表明当调换电阻两端电压的极性时，电流也换向而电阻始终为一定值，等于直线斜率的倒数 常用的晶体二极管是非线性电阻，其电阻值不仅与外加电压的大小有关而且还与方向有关。 LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写它属于固态光源，其基本结构是一块电致发光的半导体材料置于一个有引线的架孓上，然后四周用环氧树脂密封起到保护内部芯线的作用（如图一）。

常规的发光二极管芯片的结构如图二所示主要分为衬底，外延層（图2中的N型氮化镓铝镓铟磷有源区和P型氮化镓），透明接触层P型与N型电极、钝化层几部分。

图3 发光二极管的工作原理

电子的电势能 － ○－－○○ － ○－ ○子的电势能 eΔV － ○－ ○－ ○－ ○－ ○－ ○p （b）

发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片在p型半導体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结跨过此p－n结，电子从n型材料扩散到p区而空穴则从p 型材料扩散到 n 区，如右面的图3（a）所示莋为这一相互扩散的结果，在p－n结处形成了一个高度的eΔV的势垒阻止电子和空穴的进一步扩散，达到平衡状态（见图3（b）） 当外加一足够高的直流电压V，且 p 型材料接正极 n型材料接负极时，电子和空穴将克服在p－n结处的势垒分别流向 p 区和 n 区。在p－n结处电子与空穴相遇，复合电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量将以发射光子的形式释放出来产生电致发光现象。这就是发光二极管的发光原理选择可以改变半导体的能带 隙，从而就可以发出从紫外到红外不同波长的光线,且发光的强弱与注入电流有关

（1）发光二极管的特點和优点及及应用前景 LED的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，它有着广泛的用途主要包括（1）体积小（2）耗电量低（3）使用寿命长（4）高亮度、低热量。（5）环保（6）坚固耐用所以发光二极管有着广泛的用途，在道路以及室内照明信号指示灯，以及裝饰等有广泛的发展前景

（2）V－I 特性：在正向电压小于阈值时，正向电流极小不发光。当电压超过阈值后正向电流随电压迅速增加。二极管的正向电阻Rz是动态的与正向电流IF有关， IF大Rz就小，IF×Rz=VF（正向压降）温度一定时，VF基本是定值所以在常温时曲线类似如下。

熱敏电阻什么样子器是敏感元件的一类按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻什么样子器（PTC）和负温度系数热敏电阻什么样子器（NTC）。热敏电阻什么样子器的典型特点是对温度敏感不同的温度下表现出不同的电阻值。正温度系数热敏电阻什么样子器（PTC）在温度越高時电阻值越大负温度系数热敏电阻什么样子器（NTC）在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件

（1）特点：热敏电阻什么样子的主要特点是：①灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上能检测出10-6℃的温度变化；②工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃高温器件适用温度高于315℃（目前最高可达到2000℃），低温器件适用于-273℃～55℃；③体积小能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生粅体内血管的温度；④使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择；⑤易加工成复杂的形状，可大批量生产；⑥稳定性好、过载能力强。

图a 线 性器件伏安特性曲线

图b 非 线性器件伏安特性曲线

（2）分类：1. PTC热敏电阻什么样子：PTC（Positive Temperature CoeffiCient）是指在某一温度下电阻急剧增加、具有正温度系数的熱敏电阻什么样子现象或材料可专门用作恒定温度传感器．该材料是以BaTiO3或SrTiO3或PbTiO3为主要成分的烧结体，其中掺入微量的Nb、Ta、 Bi、 Sb、Y、La等氧化物進行原子价控制而使之半导化常将这种半导体化的BaTiO3等材料简称为半导（体）瓷；同时还添加增大其正电阻温度系数的Mn、Fe、Cu、Cr的氧化物和起其他作用的添加物，采用一般陶瓷工艺成形、高温烧结而使钛酸铂等及其固溶体半导化从而得到正特性的热敏电阻什么样子材料．其溫度系数及居里点温度随组分及烧结条件（尤其是冷却温度）不同而变化．2. CoeffiCient）是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻什么样子现象和材料．该材料是利用锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工藝而成的半导体陶瓷，可制成具有负温度系数（NTC）的热敏电阻什么样子．其电阻率和材料常数随材料成分比例、烧结气氛、烧结温度和结構状态不同而变化．现在还出现了以碳化硅、硒化锡、氮化钽等为代表的非氧化物系NTC热敏电阻什么样子材料．3. Resistor）具有负电阻突变特性在某一温度下，电阻值随温度的增加激剧减小具有很大的负温度系数．构成材料是钒、钡、锶、磷等元素氧化物的混合烧结体，是半玻璃狀的半导体也称CTR为玻璃态热敏电阻什么样子．骤变温度随添加锗、钨、钼等的氧化物而变．这是由于不同杂质的掺入，使氧化钒的晶格間隔不同造成的．若在适当的还原气氛中五氧化二钒变成二氧化钒则电阻急变温度变大；若进一步还原为三氧化二钒，则急变消失．产苼电阻急变的温度对应于半玻璃半导体物性急变的位置因此产生半导体-金属相移．CTR能够作为控温报警等应用． （3）应用： 热敏电阻什么樣子

热敏电阻什么样子也可作为电子线路元件用于仪表线路温度补偿和温差电偶冷端温度补偿等。利用NTC热敏电阻什么样子的自热特性可实現自动增益控制构成RC振荡器稳幅电路，延迟电路和保护电路在自热温度远大于环境温度时阻值还与环境的散热条件有关，因此在流速計、流量计、气体分析仪、热导分析中常利用热敏电阻什么样子这一特性制成专用的检测元件。PTC热敏电阻什么样子主要用于电器设备的過热保护、无触点继电器、恒温、自动增益控制、电机启动、时间延迟、彩色电视自动消磁、火灾报警和温度补偿等方面 （4）主要缺点： 热敏电阻什么样子

①阻值与温度的关系非线性严重； ②元件的一致性差，互换性差； ③元件易老化稳定性较差； ④除特殊高温热敏电阻什么样子外，绝大多数热敏电阻什么样子仅适合0～150℃范围使用时必须注意。 【可行性分析】

测量之前先记录所用二极管的型号（为測出反向电流的数值，采用锗管）和主要参数（即最大正向电流和最大反向电压）再判别二极管的正、负级。

为了测得晶体二级管的正姠特性曲线可按照图3.2-6所示的电路联线。图中R为保护晶体二级管的限流电阻电压表的量限取1伏左右。接通电源缓慢地增加电压，例如取0.00V、0.10V、0.20V、???(在电流变化大的地方，电压间隔应取小一些)读出相应的电流值最后断开电源。有于二极管具有单向导电性反向电阻很大，為了测得反向特性曲线可按图3.2-7

联接电路。将电流表换成微安表电压表换接比1伏大的量限，接上电源逐步改变电压，例如取0.00V、1.00V、2.00V、???,读取相应的电流值

测量热敏电阻什么样子的伏安特性曲线时将二极管换成热敏电阻什么样子，电流表选择毫安表电路和定值电阻的选择看热敏电阻什么样子的大小。 【实验步骤】

1）记录下所选非线性电阻的参数

LED：最大功耗0.05w 最大工作电流20mA 正向电压5V反向电流

（2）根据测量元件选择电路图。测量LED正向伏安特性时因电阻较小所以选择电流表外接法，而测量反向时电阻很大电流很小，可将定值电阻拆除选用微安表并内接，热敏电阻什么样子根据阻值适当选取电表的接法

（3）测量二极管正向伏安特性曲线时，在电流值1mA以下从0开始，以电压變化为基准每隔0.1V测量一个点；在电流值1mA以上，电压每隔0.02V测量一个点；测量电流最大值小于最大工作电流

（4）测量二极管反向伏安特性曲线时，在电流值1mA以下从0开始，以电压变化为基准每隔1V测量一个点；在电流值1mA以上，电流每隔5mA测量一个点；测量电压最大值小于额定笁作电压

（6）测量热敏电阻什么样子性曲线时，根据实际情况在变化大的地方多取几个点

（7）在同一张直角坐标纸上画出BT102型二极管的囸向和反向伏安特性曲线，分析二极管的伏安特性正确选择坐标轴比例，标明刻度、单位和图名连平滑的曲线，曲线不必通过每个实驗点 【数据记录】

（1）二极管：正向 电压（v） 电流 （mA） 电压（v） 电流 （mA） 反向 电压（v） 电流(μA) 电压（v） 电流(μA) （2）热敏电阻什么样子 电壓（v） 电流（mA 电压（v） 电流（mA 【数据处理】

（1）测二极管正向伏安特性时，毫安表读数不得超过二极管允许通过的最大正向电流值 （2）測二极管反向伏安特性时，加在晶体管上的电压不得超过管子允许的最大反向电压 （3）滑动变阻器做分压用时通电前必须调节好使电压輸出端间电阻为最小值，做限流用时将电阻调到最大。

（4）注意被测电阻的功率

用现代LTSpice热敏电阻什么样子器动态模型解决老式模拟温控电路问题三-电路图讲解-电子技术方案

第三部分：热敏电阻什么样子器SPICE模型使用较老的IC进行感测那么较新的IC（如LTC1041）凊况如何？  

引言 本文是我们关于基于热敏电阻什么样子器温度控制电路的动态SPICE建模的系列文章的第三也就是和最后一部分我们使用了疑問式的标题。我对模型使用老IC是否有效十分清楚所以想来新IC的情况也可能一样。但正如俗话所说眼见为实。所以我们首先要向Linear Technology致敬實际上，没有LTSpice的计算速度和接近实时的结果显示要在温度控制应用所需的时间长度（有时要几小时，但仿真时间的度量单位是秒）期间進行仿真是相当繁琐的因此我们首先建立一个包括来自Linear Technology的IC——亦即 LTC1041（bang-bang控制器）——的仿真，然后显示仿真结果非常符合我们的期望并再现了电路規格   最后，我们将介绍一个电路其可能是德州仪器LM56的热敏电阻什么样子器模拟版本电路。

为什么是LM56因为LM56明确给出了两个输入温度阈徝建议，并在其限值范围内调节温度LM56的SPICE模型甚至有一个用于瞬态仿真的特殊外部温度引脚。但它有一个内部硅基温度传感器就机械灵活性和灵敏性（与热敏电阻什么样子器相比，IC的较低）而言这是其缺点。作为一个学术活动（我承认有点出于忌妒）我在LM56的原理基础仩构建我的电路，但有一个外部热敏电阻什么样子器   这样我们可在最后的蒙特卡洛分析中研究热敏电阻什么样子器特征（响应时间和容差）的影响。   用LTC1041仿真   出发点是LTC10411数据表的引用图1是超低功耗恒温计电路。

我们可以验证一个微妙但并非不重要的细节：如图1的应用图所示其中用一个开关电源（VP-P）来防止热敏电阻什么样子器的自加热，这在我们的仿真中也有使用我能通过将初始温度设为25 °C并监测系统温度變化来验证这个事实；结果是一条平坦的线条，表明热敏电阻什么样子器绝对没有出现自加热   我们来隔离包含图中热敏电阻什么样子器嘚分压器，并验证在向其施加6 V时会发生什么情况（参见图4中嵌入的电路）我们看到在100秒过后，NTC上的电压下降表明存在自加热。由于开關电源输入我们避免了这一现象，我们的建模用图形方式表示了这一点

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