Физика часть1

Порядок выполнения работы

Измерительная схема для снятия статических характеристик транзистора типа р-n-р в схеме с общим эмиттером представлена на рис.4. Потенциометры R1 (слева) и R2(справа) служат для плавного изменения напряжения UБ и UК соответственно от нуля до некоторого максимального значения.

Упражнение 1. Снятие входной характеристики транзистора – зависимости IБ от UБ при постоянном напряжении на кол-

лекторе (UК = const).

1. Зарисовать в тетрадь таблицу 1 для записи результатов измерений.

2. Включить макет в сеть и установить потенциометром R2 напряжение между коллектором и эмиттером UК, равное нулю:

UК = 0 В.

3. Изменяя с помощью потенциометра R1 напряжение между эмиттером и базой UБ от 0 до 200 мВ через 20 мВ, измерять каждый раз соответствующую силу тока базы IБ. Значение UК при измерениях поддерживать постоянным потенциометром R2. Результаты измерений заносить в таблицу 1:

Таблица 1

Результаты измерений и вычислений

	UБ, мВ	IБ, мкА
		при UК = 0 В	при UК = 6 В
	0
	20
	и так далее че-
	рез
	20 мВ до 200 мВ
	200

4.Установить потенциометром R2 напряжение UК= 6 В и повторить все измерения, указанные в п.3.

5.Отключить макет от сети.

103

6. Построить графики зависимости IБ = f(UБ) при двух постоянных значениях напряжения UК (0 и 6 В) в одних координатных осях.

Упражнение 2. Снятие выходной характеристики транзистора - зависимости IК от UК при постоянном токе базы (IБ =const).

1. Зарисовать в тетрадь таблицу 2 для записи результатов измерений.

2. Включить макет в сеть и установить потенциометром R2 напряжение UК= 9В и потенциометром R1 силу току базы IБ = 200 мкА.

Таблица 2

Результаты измерений и вычислений

UК, В		IК, мА
	IБ = 200 мкА.		IБ = … мкА.
9
6
3
1
0

3.Уменьшая напряжение UК от 9 В до 0 (согласно таблице 2), измерять каждый раз соответствующую силу тока коллектора.

Силу тока базы IБ поддерживать при измерениях постоянной потенциометром R1. Результаты измерений заносить в таблицу 2.

4.Установить другое значение силы тока базы IБ (по указанию преподавателя) и повторить все измерения, указанные в пункте 3.

5.Отключить макет от сети.

6.Построить графики зависимости IК = f(UК) при двух постоянных значениях силы тока базы IБ (в одних координатных осях).

Упражнение 3. Расчет статических параметров транзистора

104

1.	По одной из входных характеристик вычислить входное
сопротивление RВХ транзистора по формуле:
	Rвх = UБ / IБ при Uк = .... В.
2.	По одной из выходных характеристик вычислить выходное
сопротивление Rвых транзистора по формуле:
	Rвых =UК / IК	при IБ = .... мкА.
3.	Используя две выходные характеристики для некоторого
значения Uк = .... В вычислить коэффициент усиления по току
в схеме с общим эмиттером по формуле:
	= IК / IБ	при UК = .... В.

Конторольные вопросы

1.Образование р-n-перехода и его свойства.

2.Устройство и принцип работы транзистора в схемах включения с общей базой (ОБ) и общим эмиттером (ОЭ).

3.Принцип работы и формула для коэффициентов усиления усилителя по току, напряжению и мощности на транзисторе.

4.Статические входные и выходные характеристики и параметры транзистора в схеме с ОЭ.

Лабораторная работа №8

Электрические методы измерения неэлектрических величин

Основные понятия и определения: определение датчика, схе-

ма включения датчика, датчики температуры и их использование в медицине (проволочные и полупроводниковые термисторы, термопары), основные характеристики датчиков и требования, предъявляемые к ним при использовании их в медикобиологических исследованиях.

Цель работы: научиться собирать схему моста Уитстона, рассчитывать неизвестное сопротивление, уметь пользоваться электроприборами.

105

Краткая теория

Электронная техника расширила исследовательские возможности в области не только электрических явлений, происходящих в живом организме, но и неэлектрических процессах, связанных с жизнедеятельностью организма.

Для преобразования неэлектрических (механических) величин, возникающих в живом организме, в электрический сигнал используются датчики, которые или преобразуют неэлектрическую величину (давление, пульс, тоны и шумы, возникающие в сердце при его сокращении и т.д.) в электрический сигнал или под влиянием неэлектрических величин меняют свои параметры.

1		2		3			4		5

6

Рисунок 1. Принципиальная схема измерения неэлектрических величин

1 – датчик

2 – усилитель

3 – передатчик

4 – приемник

5 – регистратор

6 – канал связи Датчики делятся на параметрические и генераторные.

Параметрические датчики – устройства, у которых под действием механической величины меняется параметр датчика (сопротивление, емкость, индуктивность и т.д.).

Генераторные датчики – датчики, у которых под действием механической величины генерируется разность потенциалов.

Параметрические датчики

1. Проволочные тензометры – устройства, предназначенные для измерения механических деформаций и напряжений, возникающих в биологических объектах во время их жизнедеятельно-

106

сти. Это может быть изменение параметров грудной клетки при вдохе и выдохе, частоты дыхания, изменения давления и т.д. В

этих датчиках изменяется сопротивление проводника R Sl

под влиянием механической величины.

2. Емкостные преобразователи – датчики, в действии кото-

рых используется зависимость емкости конденсатора от расстояния между обкладками, площади обкладок и диэлектрической

проницаемости среды между ними C 0 dS .

В медицине емкостной датчик можно использовать для измерения кровенаполнения сосудов пальца – емкостной плетизмограф.

3. Индуктивные преобразователи – датчики, у которых под влиянием исследуемой величины изменяется индуктивное сопротивление XL катушки преобразователя в зависимости от положе-

ния сердечника в катушке.

X L L ,

где L – индуктивность катушки, ω – круговая частота.

Индуктивность катушки определяется уравнением:

L 0 nl2 S , n – число витков катушки,

l – длина соленоида,

S – площадь поперечного сечения соленоида, μ – магнитная проницаемость, μ0 – магнитная постоянная.

При изменении положения сердечника в катушке меняется XL и, соответственно, изменяется сила тока в цепи.

I	U		U				.
	X L		0	n	2
						S
				l
			107

Генераторные датчики

1. Пьезодатчик – работает на принципе пьезоэффекта, заключающегося в том, что при растяжении или сжатии пластинок, изготовленных из определенных материалов (пьезокристаллов), на их гранях появляется разность потенциалов, величина которой пропорциональна действующей силе.

U q d F ,

C C

d – коэффициент пропорциональности между величиной заряда q и приложенной силы F.

C – емкость конденсатора.

2. Термодатчики – устройства, преобразующие изменение тепловой энергии в электрический сигнал. К ним относятся термопары, для которых разность потенциалов, возникающая на концах спаев пропорциональна разности температур:

k(T2 T1 ), где k – постоянная термопары.

3.Индукционные датчики – преобразователи, в которых механические перемещения постоянного магнита, расположенного между двумя неподвижными катушками (или, наоборот, перемещение катушек по отношению к магниту) вызывает в них индукционный ток, колебания которого отражают характер колебания магнита под действием механической величины.

I i k dФ ,

R R dt

dФ - скорость изменения магнитного потока, dt

k – коэффициент пропорциональности.

Характеристики датчиков

1)функциональная зависимость выходной величины «у» от входной «х», т.е. у=f(х);

108

2) чувствительность датчика S y (отношение изменения сиг-

x

нала y на выходе преобразователя к вызываемому его изменению измеряемой величины x );

3)диапазон (х1 и х2) входных величин, измерение которых производится без заметных искажений.

4)время реакции – минимальное время, в течение которого происходит установка выходной величины на уровень, соответствующий уровню входной величины.

5)частотная характеристика у=f(ν) при постоянном уровне входной величины x=const.

Вданной работе рассматривается термоэлектрический датчик (полупроводник), у которого сопротивление зависит от температуры, т.е. R=f(t).

Измерение сопротивления полупроводника производят методом моста Уинстона, принципиальная схема которого приведена на рис.1

			Условие равновесия моста Уитстона
Мост находится в равновесии, если IВД = 0 (рис. 2), тогда по
закону Ома:
		U ВД	В Д				В
I	ВД			0				R1
		RВД	RВД			R
						x	Г
т.е. В = Д.
Следовательно:							Д	С
– = (т.к. = ) А
	А	В	А – Д	В	Д		l2	l3
и В – С = Д – С
							К
						ε
Или можно записать, что							Рисунок 2.
UАВ=UАД и UВС=UДС					Схема включения измерительного
						моста Уитстона

109

Т.к. IВД = 0, то IАВ = IВС = I1 (обозначим как I1) и IАД = IДС = I2 (обозначим как I2).

Из закона Ома условие равенства напряжений (UАВ=UАД и UВС=UДС) можно записать в следующем виде:

I1 RАВ = I2 RАД

I1 RВС = I2 RДС

После почленного деления получаем:

l2

RA В

RAД

или

RX

RAД

S

l2

.

R

R

R

R

l3

l

ВC

ДC

1

ДC

S

3

Т.е.

формула R

R

l2

- используется в данной работе для

X

1

l3

нахождения RX .

Порядок выполнения работы

Упражнение 1. Градуировка полупроводникового терморезистора (термистора).

Измерение сопротивления RX термистора производится с помощью мостовой схемы (рис. 2), в которой нижние плечи моста сопротивлением R2 и R3 изготовлены в виде реохорда – однородной проволоки АС постоянного сечения со скользящим по ней контактом Д. Поэтому отношение сопротивлений RАД/RДС в данном случае равно просто отношению длин участков АД и ДС про-

волоки:

RАД

l

2

.

RДС

l3

При измерении RX передвижением контакта Д добиваются от-

сутствия тока в гальванометре Г, тогда:

R

R

R2

R

l2

.

X

1

R

1 l

3

3

110

где R1 – известное сопротивление. Полностью установка для градуировки термистора изображена на рис. 3.

от макета

К - ключ питания

Б

L2	L1	подогреваемый
Г
		терморезистор

нульгальванометр

ручка реохорда	шкала реохорда

Рисунок 3. Установка для градуировки термистора

1.Собрать установку согласно рис. 3.

2.Налить в сосуд воды на ¾ объема, поставить его на электроплитку и поместить в него термистор, находящийся внутри защитного футляра, и термометр, закрепленный на штативе.

3.После проверки установки преподавателем включить макет

всеть.

4.При выполнении работы необходимо устанавливать ручкой движка Д гальванометр на нуль при указанных температурах и отсчитывать значения l2 и l3 по шкале реохорда, где l2 – число делений шкалы от 0 до движка Д, а l3 – от движка до конца шкалы.

5. По формуле RX = R1 (l2/l3) рассчитать сопротивление термистора RX для указанных температур.

6 . Включить электроплитку в сеть, и, нагревая воду, определить значение l2, l3 и сопротивление RX термистора через каждые 10С согласно пунктам 4 и 5.

7. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1:

111

					Таблица 1
	Результаты измерений и вычислений
№ n/n	T С	l2 / l3	R1, кОм		RX, кОм
1	20
2	30
3	40		10
4	50
5	60
6	70

8.Выключить из сети электроплитку и макет.

9.По полученным в ходе эксперимента данным построить

график зависимости RX = (t С)

R x	Ом
R x1
R x2
0		t 0 C
	t 1	t 2

Рисунок 4. График зависимости сопротивления термистора от температуры

10. По формуле: ZT = RX / t (кОм/град) найти 2 значения чувствительности ZT термистора в начале и конце графика (см. график). Сравнить полученные значения и объяснить физическую природу их различия.

112