Relatório 3 PDFE - Mauricio Hoffman

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Aluno: Mauricio Hoffman
Matrícula: 160138574
Data: 15 de fevereiro de 2022
Universidade de Brasília
Prática de Física dos Dispositivos Eletrônicos
Lab 3 - Termistores
Objetivo
Este experimento tem como objetivos realizar uma introdução ao conceito de
coeficiente térmico de dispositivos, bem como a variação de resistividade de
materiais condutores e semicondutores em função da temperatura. Além disso,
também a caracterização elétrica de termistores PTC (Positive Temperature
Coefficient) e NTC(Negative Temperature Coefficient).
Materiais Utilizados
Os materiais utilizados para o experimento foram os seguintes:
- Fonte DC: Minipa MPL-1303M
- Multímetro Digital: Minipa ET-1400
- Termistor NTC 10D-9
- Resistor de 10 Ohms (1W)
Procedimentos experimentais e dados obtidos:
Inicialmente foi associado um termistor R1, com resistência que varia de
acordo com a temperatura, ao Resistor R2, além de uma fonte de tensão contínua
Vdc, formando o circuito que pode ser visto abaixo:
Foi acoplado um multímetro entre as extremidades do termistor R1 e o resistor R2,
como pode ser visto na imagem abaixo:
1) Estabeleça um método experimental simples para identificar termistores
que possuem coeficientes positivos (PTC) ou coeficientes negativos (NTC).
Descreva o seu método na forma de um esquemático. Se estiver no laboratório,
implemente e teste o seu método.
Resposta:
2) Monte o circuito da figura e realize as medidas, com o termistor NTC (R1),
das tensões VA e VB com o multímetro, sempre com a melhor escala, e sempre
diminuindo VDC. Calcule os valores da temperatura T[K] de equilíbrio do termistor, a
partir dos valores medidos da resistência (R1) e dos parâmetros do modelo
fornecido pelo fabricante, e preencha a tabela. Não faça medidas com correntes
superiores a 0,33 [A]. Cuidado: O Termistor NTC e o Resistor R1 atingem
temperaturas altas, e podem causar queimaduras
Resposta:
Dessa forma, após os experimentos, foram obtidos os seguintes dados de Va
e Vb:
[V]𝑉
𝐷𝐶 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5
[V]𝑉
𝐴 4,02 3,52 3,08 2,50 1970m 1464m 1006m 500m
[V]𝑉
𝐵 3.06 2,57 2,16 1652m 1210m 836m 541m 258m
T [K] 467.9 431.8 404.9 374.1 345.7 323.9 309.2 300.3
= 10,4 Ohms, com erro de +/-0,05𝑅
2
= 21 Graus Celsius, com erro de +/- 0,5𝑇
𝑎
Com isso, foram calculados os valores das temperaturas em Kelvin,como
pode ser visto na tabela, utilizando a seguinte fórmula:
T = )( 𝐵
𝐿𝑜𝑔 𝑅1𝑟 ∞
3) Plote o gráfico dos pontos experimentais da Corrente I [A] x Tensão VAB
[V], para o termistor NTC. Escolha e ajuste, pelo método dos mínimos quadrados,
os parâmetros de um modelo físico-matemático adequado aos pontos experimentais
obtidos. Plote a curva ajustada deste modelo no mesmo gráfico. Calcule o EQM
(Erro Quadrático Médio) obtido. Justifique o modelo adotado.
Resposta:
O gráfico plotado de acordo com os dados obtidos foi o seguinte:
4) Plote o gráfico dos pontos preenchidos na tabela da temperatura T[K],
calculados a partir dos parâmetros do modelo de Steinhart-Hart fornecido pelo
fabricante (𝑟∞, R0, B), em função dos valores calculados da resistência R1 do NTC.
Plote no mesmo gráfico a curva contínua de T [K] vs. R1 do modelo, na faixa dos
valores medidos experimentalmente.
Resposta:
O gráfico plotado de acordo com os dados obtidos foi o seguinte:
5) Responda:
a) Pesquisa: Colete todas as informações que você puder encontrar, inclusive as
disponibilizadas pelos fabricantes, sobre o termistor NTC 10D-9, citando as suas
fontes.
Resposta:
Na tabela abaixo, pode-se observar algumas das características do NTC
10D-9, de acordo com seu próprio datasheet, como por exemplo, Suas constante de
dissipação térmica, sua constante térmica de tempo, sua temperatura operacional,
dentre outros aspectos:
Além disso, este termistor pode ter as seguintes aplicações:
-Sensor de temperatura
-Protetor de sobrecorrente
-Limitador de corrente Inrush
-Elementos de aquecimento auto reguláveis
-conversor de potência
Fonte: https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/1132198/ETC2/NTC100D9.html
b) Pesquisa: Liste os tipos materiais que são usados na fabricação de termistores
NTC e PTC comerciais, citando as suas fontes, e relatando: i) Composição do
material usado; ii) Mecanismo físico de sensibilidade à temperatura; iii) Como são
construídos.
Resposta:
Os termistores NTC são semicondutores construídos em sua maioria a partir
de óxidos de metais, tais como níquel, cobalto, manganês, ferro ou cobre. Onde
cada termistor, tem uma proporção específica de cada tipo de óxido de metal, que
define as suas características, como sua curva de temperatura, e ainda sua
resistência na temperatura ambiente, de 25 graus celsius.
Os termistores PTC é um semicondutor resistor termicamente sensitivo, onde
o valor de sua resistência vai se elevando de acordo com o aumento da
temperatura, após sua temperatura de referência ter sido excedida. além de possuir
um coeficiente positivo de temperatura bem elevado.
Termistores PTC são feitos de cerâmica policristalina dopada sobre uma base
titanato de bário. Geralmente, a cerâmica é conhecida como um bom material
isolante com uma alta resistência. A sua Semi condução assim como sua baixa
resistência, são alcançadas pela dopagem da cerâmica com materiais de alta
valência como da estrutura do cristal. Uma parte dos íons do bário e do titanato em
uma estrutura cristalina é substituída por íons de alta valência para obter um
número específico de elétrons livres os quais determinam a condutividade cerâmica.
Fontes: http://www.eletrica.ufpr.br/edu/Sensores/2000/borges/index.html
http://www.eletrica.ufpr.br/edu/Sensores/1999/marcelo/
https://www.addtherm.com.br/faq-items/de-que-materiais-sao-termistores-ntc-feito/
c) Pesquisa: Liste pelo menos 5 aplicações tecnológicas de termistores NTC e
PTC, citando as suas fontes
Os termistores NTC e PTC podem ser utilizados para diversas aplicações,
tais como na indústria, ciência e saúde, comércios, aplicações residenciais. Podem
ser citadas algumas delas abaixo:
- Sensores para construção de sondas
- Controle para proteção térmica de motores
- Sensores de acionamento térmico para dispositivos de
telecomunicações
- Proteção contra sobrecorrentes
- Sensor térmico
- Sistemas anti incêndio
Fontes:http://www.analogica.com.br/arquivos/nt-011-termistores.pdf
http://www.eletrica.ufpr.br/edu/Sensores/1999/marcelo/
https://www.addtherm.com.br/sensores-de-temperatura-ntc-e-ptc/
http://www.eletrica.ufpr.br/edu/Sensores/2000/borges/index.html
http://www.eletrica.ufpr.br/edu/Sensores/1999/marcelo/
https://www.addtherm.com.br/faq-items/de-que-materiais-sao-termistores-ntc-feito/
http://www.analogica.com.br/arquivos/nt-011-termistores.pdf
http://www.eletrica.ufpr.br/edu/Sensores/1999/marcelo/
https://www.addtherm.com.br/sensores-de-temperatura-ntc-e-ptc/
EC3 - Laboratório 3
Considere um dos termistores NTC (5D-9 e 10D-9) usados no experimento,
com resistências de 5 W e 10 W, respectivamente, medidas na temperatura
ambiente, e lembrando que existem valores máximos de corrente que não devem
ser excedidos, sob risco dos termistores “queimarem”, responda:
(i) Pesquise e identifique os parâmetros de um Modelo Dinâmico para estes
termistores NTC, considerando a massa e o calor específico do material usado na
sua construção (Geralmente feito de um semicondutor intrínseco) e os mecanismos
de troca de calor relevantes, que determinam o tempo decorrido até que o equilíbrio
térmico, em uma determinada temperatura, seja alcançado, aplicada uma tensão
DC de 4V ao circuito, com o NTC (R1 ) em série com a resistência R2 = 10W.
Resposta:
O modelo dinâmico utilizado para termistores NTC, é dado da seguinte forma:
𝑃 = 𝑣 * 𝐼 = 𝑑𝐻𝑑𝑡
𝑃 = 𝐾[𝑇(𝑅) − 𝑇𝑜] + 𝐶𝑡 𝑑𝑇(𝑅)𝑑𝑡
Onde :
Representa a dissipação Térmica(convecção)𝐾[𝑇(𝑅) − 𝑇𝑜]
Representa a inércia Térmica𝐶𝑡 𝑑𝑇(𝑅)𝑑𝑡
Dessa forma, o modelo dinâmico do NTC em que existe uma evolução em
relação ao tempo da corrente e tensão, e dessa forma consequentemente da
temperatura também. Em função dainércia térmica, além do processo de
dissipação por convecção, e também do processo joule.
Consequentemente a isso, com o passar do tempo, existirá também uma
evolução na temperatura do termistor.
(ii) Estabeleça um Arranjo Experimental para determinar quanto tempo leva
para um termistor NTC atingir o equilíbrio térmico, partindo da temperatura ambiente
(Situação: Fonte DC Desligada, 0V), sendo aplicada instantaneamente uma
determinada tensão (Situação: Fonte DC Ligada, 4V).
Resposta:
Como já foi dito durante o relatório, os termistores NTC, funcionam da
seguinte forma: Quando existe uma elevação de temperatura, acima dos padrões
determinados, ele tem uma sensível redução em sua resistência.
Para determinar o tempo que o termistor NTC leva para atingir o equilíbrio
térmico, precisamos definir a constante de tempo térmica do mesmo, como pode ser
visto abaixo:
𝑇 = (𝑇2 − 𝑇1)(1 − 𝑒𝑥𝑝(− 𝑡/𝒕)) + 𝑇1
𝑇 = 0, 632
Ou
𝑇 = 63, 2%
Usando como base o NTC 5D9, isso representa cerca de 34 segundos. Isso
significa que o tempo necessário para que ele chegue a 63,2% da temperatura
suportada por ele, é de 34 segundos, onde esta mesma temperatura representa o
seu equilíbrio térmico.
Dessa forma, em um experimento para determinar o tempo necessário para o
equilíbrio térmico, seria necessário observar em quanto tempo a tensão aplicada no
circuito elevaria a temperatura do termistor o suficiente para ele atingir 63,3% da
temperatura suportada pelo mesmo, indicando assim seu ponto de equilíbrio
térmico.