063884_89BA3_logunov_m_v_moiseev_n_v_radiomater..






М. В. Логунов, Н. В. Моисеев






Радиоматериалы
и радиокомпоненты


Лабораторный практикум









Саранск
Издательство Мордовского университета
2004

УДК 621.396 (075.8)
ББК З81я73
Л6981

Рецензенты:

кафедра физики Мордовского государственного педагогического института им. М. Е. Евсевьева (зав. кафедрой - д. т. н., профессор В. К. Свешников); д. ф.-м. н, профессор кафедры высшей математики и физики СКИ МУПК Н. Г. Тактаров; зав. кафедрой теоретической и общей электротехники Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарева д. т. н., профессор С. А. Панфилов.











М. В. Логунов
Л698 Радиоматериалы и радиокомпоненты: Лаборатор. практикум/ М. В. Логунов, Н. В. Моисеев .- Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2004. - 112 с.
ISBN 5-7103-1027-1

Содержатся краткие теоретические сведения о радиоматериалах и радиокомпонентах, необходимые для выполнения приведенных здесь же работ лабораторного практикума. Особое внимание уделено рассмотрению физических процессов в материалах под действием электрических и магнитных полей, влиянию температуры на параметры материалов.
Предназначено для студентов специальности 200700 «Радиотехника» при изучении курса «Радиоматериалы и радиокомпоненты» и студентов специальности 0104000 «Физика» при изучении курса «Радиофизика и электроника».

УДК 621.396 (075.8)
ББК З81я73
ISBN 5-7103-1027-1 М. В. Логунов, Н. В. Моисеев, 2004


Содержание






Введение
4

1.
Физико-химические и потребительские свойства радиоматериалов
7

2.
Классификация материалов, применяемых для изготовления элементов радиоэлектронных систем
14

2.1.
Полупроводниковые материалы
14

2.2.
Проводниковые материалы
15

2.3.
Магнитные материалы
19

2.4.
Диэлектрические материалы
21

3.
Основные сведения о радиокомпонентах
23

4.
Лабораторный практикум
25

4.1.
Исследование диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь диэлектриков
25

4.2.
Исследование термоэлементов на базе термопар
32

4.3.
Исследование интегральных свойств магнитных материалов
40

4.4.
Исследование доменной структуры магнитных пленок
49

4.5.
Исследование параметров резисторов
54

4.6.
Исследование параметров варисторов и терморезисторов
68

4.7.
Исследование параметров конденсаторов
75

4.8.
Исследование параметров катушек индуктивности
86

4.9.
Исследование параметров электромагнитных реле
96

4.10.
Исследование параметров магнитоуправляемых герметизированных контактов (герконов)
104


Библиографический список
111




ВВЕДЕНИЕ

Разработка новых радиоматериалов и совершенствование уже известных происходит одновременно с общим развитием радиотехники и электроники и расширением требований к качеству материалов. История практического применения материалов для создания электронных приборов базируется на открытиях и исследованиях физических явлений, связанных с взаимодействием свободных электронов с электромагнитными полями и веществом. Поэтому первые работы М. В. Ломоносова, Г. В. Рихмана, Б. Франклина, Л. Гальвани и А. Вольта в ХVIII в по исследованию электричества могут быть отнесены к началу возникновения электроники и разработке новых материалов и компонентов для электроники.
Работы как отечественных, так и зарубежных ученых в течение ХIX в. создали фундамент электроники. Среди наиболее важных достижений можно отметить труды А. Ампера и М. Фарадея, установивших законы электричества и электромагнитной индукции, создание теории электромагнетизма М. Максвеллом и теории электронов Х. А. Лоренцем, экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Г. Герцем. Первый в мире электровакуумный прибор - лампа накаливания изобретена А. И. Лодыгиным и усовершенствована Т. А. Эдисоном. Важными работами по применению новых материалов для создания электронных приборов являются открытие фотоэлектронной эмиссии А. Г. Столетовым и термоэлектронной эмиссии Т. А. Эдисоном. В этих изобретениях были использованы проводники, магнитные материалы и электрическая изоляция. По мере развития электротехники все большее значение приобрел правильный выбор материалов, помогавший успешно разрешать возникавшие задачи.
Изобретение радио русским ученым А.С. Поповым в 1895 г. открыло новую эру в развитии науки и техники и форсировало разработку новых радиоматериалов и компонентов для различных отраслей радиотехники: радиофизики, радионавигации, радиоастрономии, радиометрологии, электроники и автоматики. Большое влияние на развитие электроники оказали работы К. Ф. Брауна, Д. Томсона, О. У. Ричардсона, А. Эйнштейна, выполненные вскоре после изобретения радио. В начале ХХ в. были изобретены электровакуумные диоды и триоды, газотроны. Существенное влияние на развитие полупроводниковых приборов оказали работы школы А. Ф. Иоффе: теория выпрямления тока в контакте металл-полупроводник, квантовая теория полупроводников и теория генерации пар носителей заряда электрон-дырка, разработка полупроводниковых термоэлектрических батарей.
Революционные открытия были сделаны во второй половине ХХ в. В 1948 г. американские ученые Д. Бардин, У. Бреттейн и У. Шокли предложили биполярный транзистор. В 50-60-е годы были изобретены: полевой транзистор с p-n - переходом, солнечные батареи, оптроны, туннельные диоды, тиристоры, МОП - транзисторы, полевые транзисторы с барьером Шотки. Для того чтобы обеспечить развитие радиоэлектроники, потребовалось огромное количество радиодеталей и радиокомпонентов. Собираемая из разнородных деталей электронная аппаратура во многих случаях была громоздкой, тяжелой и недостаточно надежной. В результате поиска выхода из сложившегося положения в конструировании и производстве электронного оборудования возникло и стало интенсивно развиваться новое направление - микроэлектроника. Техническая задача микроэлектроники сводилась к интеграции радиоэлементов на кристалле микросхемы, к сокращению размеров и веса электронной аппаратуры при одновременном увеличении ее функциональных возможностей, надежности и долговечности. Для решения этой задачи создавались новые радиоэлементы на основе полупроводниковых активных диэлектриков, ферритов. Используя различные свойства веществ, удается повышать функциональность элементов и схем и заменять прибор, состоящий в прошлом из нескольких резисторов, конденсаторов и других элементов, специально выращенной и легированной кристаллической системой.
В конце 70-х годов возникает идея интеграции на одном кристалле не только традиционных полупроводниковых радиоэлементов - резисторов, диодов, транзисторов,- но и постепенный переход к устройствам функциональной электроники, где носителями информационного сигнала являются динамические неоднородности различной физической природы, что увеличивает функциональные возможности приборов и устройств интегральной электроники. Это привело к формированию альтернативного пути в развитии микроэлектроники - функциональной электроники: функциональной диэлектрической электроники, функциональной полупроводниковой электроники, функциональной магнитоэлектроники.
Дальнейшее развитие микроэлектронных приборов связано с уменьшением размеров элементарных приборов до субмикронных и переход в нанометровый масштаб, что способствует интенсивному развитию нанотехнологий в производстве новых радиоматериалов и радиокомпонентов. Так, в настоящее время освоено производство микросхем с минимальным размером элементов 90 нанометров, что позволило довести число транзисторов в одном чипе до 100 миллионов и более.
Для обеспечения высоких требований, предъявляемых к современной радиоэлектронной аппаратуре, проводятся исследования большого количества различных материалов и радиокомпонентов. Новые материалы в редких случаях можно получить в результате удачного опыта, необходимо глубокое изучение электрических, физических, механических и химических характеристик веществ. Правильное и рациональное применение радиоматериалов во многом определяет технико-экономические показатели и надежность работы электрооборудования и электротехнических устройств, приборов. Поэтому в программу подготовки инженеров-радиотехников включен курс «Радиоматериалы и радиокомпоненты». Цель дисциплины: расширить и углубить знания студентов в области современных радиокомпонентов, а также основных материалов, используемых при их изготовлении.
Задачи дисциплины: изучение электрофизических свойств, характеристик и областей применения материалов, применяемых в радиоэлектронных системах (РЭС); изучение типов, эксплуатационных характеристик и маркировок отечественных и зарубежных радиокомпонентов; освоение методов выбора радиокомпонентов для различных видов РЭС.
Данное учебное пособие разработано на основе примерной программы дисциплины «Радиоматериалы и радиокомпоненты», рекомендованной в 2001 г. Министерством образования России для направлений подготовки дипломированных специалистов 654200 «Радиотехника» и бакалавров и магистров 552500 «Радиотехника». Оно содержит краткие теоретические сведения о радиоматериалах, радиокомпонентах и описания 10 работ лабораторного практикума по исследованию радиоматериалов и радиокомпонентов. Пособие также может быть использовано студентами специальности 010400 «Физика» при изучении курса «Радиофизика и электроника».

Физико-химические и потребительские
свойства радиоматериалов

Вещество есть совокупность взаимосвязанных атомов, ионов или молекул. Материал - один из видов вещества, идущий на изготовление изделий. Вещество характеризуется исключительно химическим составом и массой. К веществу не предъявляются специальные требования по внутренней структуре. Примеры веществ: сталь, медь, кремний. Материал - промежуточный продукт переработки вещества в изделия, отвечающий потребностям конкретного производственного процесса и имеющий сложный химический состав, наперед заданную внутреннюю структуру и внешнюю форму. Примеры материалов: стальной прокат, медная фольга, монокристалл кремния. Материалы являются вещественной основой радиоэлектронных систем (РЭС).
Для обеспечения интенсивного развития науки и техники необходимо все более глубокое изучение свойств материалов. Все свойства разделяют на физико-химические и потребительские [1,10] (рис. 1.1).
Физико-химические свойства радиоматериалов делятся на функциональные и технологические [1]. Функциональными называют свойства, определяющие пригодность материала для создания изделий высокого качества. В зависимости от принципы действия радиоэлектронной аппаратуры и ее назначения функциональные свойства делятся на электрические, механические, теплофизические, оптические, химические и магнитные.
Свойства, характеризующие поведение материала при обработке, называются технологическими. В зависимости от методов обработки (механическая, термическая, химическая, электрохимическая и т.п.) большое значение приобретают такие свойства, как твердость, пластичность, стойкость в химически агрессивных средах, пределы растворимости легирующих примесей и др.
Деление свойств и характеристик на функциональные и технологические во многом условно. Так, точка плавления (размягчения) может определять допустимую рабочую температуру прибора, то есть быть функциональной характеристикой и в то же время служить важным показателем обрабатываемости материала, особенно термическими методами.

Механические свойства материала проявляются в виде ответной реакции на нагружение и формоизменение, когда в нем возникают внутренние напряжения. Количественная мера внутренних напряжений - нагрузка, отнесенная к площади поперечного сечения, а деформаций - относительное увеличение или уменьшение размеров. Способность материала противостоять разрушению называется прочностью, а его способность сопротивляться деформациям - жесткостью.
Достаточная прочность - важнейшее требование к конструкционному материалу. Однако во многих случаях работоспособность изделия определяется не прочностью материала, а его жесткостью. Жесткостью должны обладать несущие платы и каркасы радиоэлектронной аппаратуры, которые подвергаются длительным нагрузкам.
При конструировании радиоэлектронной аппаратуры важно иметь в виду, что источником внутренних напряжений могут быть не только внешние нагрузки, но и целый ряд других причин, таких как:
физико-химические процессы, происходящие в самом материале, - сушка, полимеризация, фазовые превращения;
температурные градиенты, возникающие в процессах получения материала, например при образовании кристалла, термообработке, термическом отвердении полимеров;
изменение температуры многослойных структур, состоящих из материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР).
Именно эти скрытые источники внутренних напряжений представляют нередко большую угрозу для компонентов радиоэлектронной аппаратуры, изготовленных в виде микросборок, интегральных схем и для печатных плат. Отрицательное влияние механических напряжений состоит не только в том, что элементы конструкции могут разрушаться, но и в появлении дефектов, которые могут быть причиной деградации прибора. Особенно чувствительны к деформациям полупроводниковые диоды и транзисторы.
Наиболее распространенным для конструкционных материалов является испытание на растяжение. Это объясняется тем, что при многих видах деформаций: сжатии, кручении, изгибе - происходит также и растяжение, которое и в этих случаях играет определяющую роль.
Все материалы делятся на хрупкие и пластичные (вязкие). Совершенствуют их по-разному: у хрупких материалов - обеспечивают возможность пластического течения, чтобы уменьшить роль концентраторов напряжений и предупредить внезапное разрушение; у вязких - ограничивают движение дислокаций, чтобы поднять предел пропорциональности. Хотя возможности прогресса в этих направлениях во многом уже исчерпаны, даже небольшие сдвиги дают большие эффекты вследствие массовости применения конструкционных материалов.
Перспективным является сочетание в одном материале ценных качеств, присущих хрупким и пластичным материалам - создание композиций, то есть смесей двух специально подобранных разнородных материалов, один их которых - матрица (непрерывная фаза, играющая роль пластичного связующего), а другой - твердый наполнитель, повышающий разрывную прочность. Поиск композиций, их изучение, производство и применение стремительно расширяются, обеспечивая не только экономию дефицитных металлов, но и снижение массы конструкций.
К числу механических свойств относится твердость. Различают статическую твердость на вдавливание (сопротивление пластической деформации при статических нагрузках), динамическую твердость (твердость при динамических нагрузках).
Среди теплофизических свойств материалов наибольшее значение имеют:
Теплопроводность - способность отводить тепло, выделяющееся при работе радиокомпонента.
Известны три способа теплопередачи: излучение (без контакта источника тепла), конвекция и теплопроводность (контактные способы) (рис. 1.2).
Микрочастицы твердого тела участвуют в теплопроводности согласованно: при повышении температуры какого-либо участка возрастает амплитуда их колебаний относительно равновесных положений. За счет сил химических связей увеличивается также и амплитуда колебаний соседних микрочастиц, что эквивалентно передаче тепла в менее нагретую область. Такую теплопроводность называют фононной.
В полупроводниках, и особенно в металлах, вклад в теплопроводность вносят также свободные электроны (электронная теплопроводность), а при высокой температуре во всех веществах возможен и фотонный перенос тепла излучением. За счет вклада электронов проводимости теплопроводность металлов и полупроводников выше, чем у диэлектриков. Исключение составляют два диэлектрика - алмаз, отличающийся тем, что это чисто ковалентный кристалл, и оксид бериллия ВеО.
Тепловое расширение. Характеристикой теплового расширения является температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) (, [К-1]:

( = dl/ldT . (1.1)

Чем больше сила связи между частицами твердого тела, тем выше (. Поэтому материалы с сильной ковалентной связью (алмаз, кремний) имеют низкое значение ( = (3 - 5)(10-6 К-1, тогда как для полимеров характерны ( = (3 - 7)(10-5 К-1.
Устойчивость к воздействию повышенных температур.
Нагревостойкость материала - способность материала противостоять нагреву. Для веществ, не имеющих точки плавления (стекла, полимеры), под нагревостойкостью материала понимают его свойство сохранять без изменений химический состав и структуру молекул при повышенных температурах.
Стойкость к термоударам - способность хрупких материалов (керамики и стекол) выдерживать без нарушения резкие смены температур. Все металлы, поскольку они имеют высокую теплопроводность и прочность, обладают высокой стойкостью к термоударам. Среди керамик и стекол преимущество в этом отношении имеют плавленый кварц, ( которого необычно мал ((=0,5(10-6 К-1), и бериллиевая керамика - брокерит, имеющая высокую теплопроводность.

Знакомство с материалами начинается с внешнего осмотра, оценки простейших оптических свойств. Эти свойства специфичны, а глаз - совершенный инструмент, благодаря чему объем информации оказывается весьма существенным. С другой стороны, электромагнитная природа света тесно связывает между собой оптические и электрические свойства. Если использовать оптические приборы, то можно получить обширную количественную информацию как об оптических, так и об электрических свойствах. Взаимодействие света с веществом характеризуется пропусканием, отражением, преломлением (рис. 1.3).
Прозрачность материалов, характеризуемая светопропусканием и зависит прежде всего от природы материала, то есть пространственного распределения электронов. Диэлектрики прозрачны в видимом свете потому, что проходящий сквозь них свет может вызывать лишь колебания связанных в атомах электронов, не сопровождающиеся потерями световой энергии. Напротив, металлы практически непрозрачны. Световая энергия в них расходуется на повышение скорости хаотического движения свободных электронов, то есть превращается в тепло.
Количественной мерой поглощения света служит коэффициент поглощения К, равный обратному значению расстояния, на котором интенсивность света J падает в е раз. Совершенно прозрачной средой является вакуум, для него К = 0. Абсолютно непрозрачных тел не существует, поэтому значение К ограничено с верхней стороны: даже для металлов К ( 105. Это означает, что в очень тонком слое прозрачным может быть любой материал (серебро и золото прозрачны в пленке толщиной 5 - 10 нм).
Изучение и использование совместно оптических и электрических свойств материалов лежит в основе оптоэлектроники. Кроме того, снятие спектров поглощения служит удобным и точным методом исследования строения диэлектриков и полупроводников.
Любой материал имеет определенный цвет. Цвет непрозрачных материалов (металлов и большинства полупроводников) обусловлен зависимостью поглощения от длины волны. Цвет прозрачных материалов (диэлектриков и некоторых полупроводников) определяется либо шириной запрещенной зоны, либо видом и концентрацией примесей, образующих центры окрашивания. Непрозрачные материалы, в первую очередь металлы, характеризуются отражательной способностью. Электромагнитная теория твердого тела трактует, что чем лучше материал проводит ток, тем полнее он отражает свет. Количественно отражательная способность описывается коэффициентом отражения R:

R = (ОТР/(0 , (1.2)

где (ОТР - интенсивность отраженного излучения, (0 - интенсивность падающего света. Так, для алюминия R = 0.8 - 0.9, для хрома - 0.6, для серебра - 0.9, для золота - 0.6. Коэффициент отражения зависит от длины волны света.
Свойство прозрачных и непрозрачных материалов специфически отражать падающий свет называется блеском. Блеск прозрачных и полупрозрачных тел зависит от показателя преломления, а непрозрачных - от коэффициента поглощения. Для блеска не существует численных параметров, и его оценивают по условной шкале, в основу которой положены эталоны.
Природа материалов зависит от пространственного распределения электронов (электрических свойств). Энергетический спектр электрона в вакууме является непрерывным. Электроны в изолированном атоме уже не могут обладать любыми значениями энергии. Энергия их вращательного движения квантована, то есть может изменяться лишь порциями и приобретать некоторые строго определенные значения. Низшие разрешенные энергетические уровни электроны занимают лишь при Т = 0 К, а при повышенных температурах возможен их переход на более высокие уровни. О таком атоме говорят, что он возбужден. Обратный переход атома в невозбужденное состояние сопровождается выделением энергии в виде тепла или света.
Взаимодействие атомов при образовании кристалла приводит к тому, что вместо отдельных уровней на шкале энергий образуются зоны - уровни расщепляются (группируются) в зоны (рис. 1.4, а). Количество уровней в каждой зоне настолько велико, что энергетический спектр в ней можно считать непрерывным. Как и в атоме, в кристалле идеальный порядок возможен только при Т= 0 К, когда все низшие энергетические уровни и валентная зона заняты (полупроводник, диэлектрик), а у металлов, валентная зона занята лишь частично. Большинство свойств материалов, включая электрические, зависят лишь от тех электронов, которые находятся в валентной зоне. У металлов эта зона не заполнена и электроны могут повышать энергию под действием электрического поля. Таким образом, металл - проводник и при 0 К.
В полупроводниках и диэлектриках зона проводимости отделена от валентной зоны энергетическим промежутком, называемым запрещенной зоной - интервалом энергий, которыми не могут обладать электроны. Ширина запрещенной зоны Еg - минимальная энергия, отделяющая валентную зону от ближайшей энергетической зоны, где имеются пустые уровни, от зоны проводимости. Следовательно, в полупроводниках и диэлектриках электрон становится носителем тока, только преодолев запрещенную зону, то есть получив дополнительную энергию. Самым универсальным источником ее является тепло. Полупроводники становятся диэлектриками при Т= 0 К, и в этом их принципиальное отличие от металлов. Количество тепла, необходимого для преодоления запрещенной зоны, равно ее ширине.
По ширине запрещенной зоны материалы делятся на три класса [10]:
проводники (Еg = 0),
полупроводники (0,1 ( Еg ( 3,0 эВ),
диэлектрики (Еg ( 3,0 эВ).
Носителями зарядов в металлах и полупроводниках являются свободные электроны, в диэлектриках - слабосвязанные ионы. Концентрация носителей в металлах очень высока и достигает n = 1021 - 1022 см-3. Подвижность носителей, в отличие от концентрации является качественной характеристикой, которая характеризует способность электронов и ионов транспортировать ток. Даже одни и те же носители зарядов в разных материалах по-разному реагируют на электрическое поле. Кроме того, в одном и том же материале поведение носителей зависит от концентрации примесей, структурных дефектов, температуры [6,10]. Величиной, характеризующей упорядоченное движение носителей заряда в веществе, является подвижность (, которая представляет собой скорость v, приобретаемую свободным электроном или ионом в электрическом поле единичной напряженности E:

( = v/Е. (1.3)

Подвижность носителей в одном том же материале может изменяться в тысячи раз, но наиболее характерные ее значения для металлов - десятки, для полупроводников - тысячи см2/(В(с). Подвижность ионов в диэлектриках гораздо ниже: ( = 10-2 - 10-7 см2/(В(с).
Подвижность носителей зарядов ( и концентрация n взаимосвязаны следующим соотношением:

( = n ( е , (1.4)

где e - заряд электрона, ( - объемная удельная электрическая проводимость. Объемную удельную электропроводимость определяют как величину, обратную сопротивлению R куба материала со сторонами 1 см, к противоположным граням которого приложено напряжение:

R = (1/() (l/S), (1.5)

где l - длина стороны куба, S - площадь поперечного сечения граней.
Для характеристики электропроводности материалов часто используется величина, обратная удельной проводимости - удельное электрическое сопротивление ( = 1/(. В обычных условиях (при Т ( 300 К) удельные сопротивления материалов разных классов находятся в пределах 1,6(10-6 Ом(см (серебро) - 1020 Ом(см (фторопласт).

Потребительские свойства радиоматериалов вытекают из физико-химических и являются их следствием [1]. Так, малотехнологичный радиоматериал непременно будет дорогим.

Классификация материалов, применяемых для
изготовления элементов радиоэлектронных систем

Материалы электронной техники бывают [1,2,10,16]:
Радио- и электротехнические:
а) слабомагнитные (диэлектрические, полупроводниковые, проводниковые);
б) сильномагнитные (проводящие, полупроводящие, непроводящие).
Конструкционные и специальные.
Все радиоматериалы по электропроводности (способности материалов проводить электрический ток) делятся на полупроводниковые, проводниковые, диэлектрические.
2.1. Полупроводниковые материалы [6,8,10,16]. Важнейшая роль полупроводников в радиоэлектронике обусловлена прежде всего тем, что они служат основой активных полупроводниковых приборов, способных усиливать мощность или преобразовывать один вид энергии в другой. Эта группа материалов по своей способности проводить электрический ток занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Отличительным свойством полупроводников является очень сильная зависимость удельной проводимости от концентрации и вида примесей или различных дефектов, а также от внешних энергетических воздействий (температуры, освещенности). Используемые в практике полупроводниковые материалы могут быть подразделены на группы (рис. 2.1).
Простых полупроводников существует около десяти: бор (B), кремний (Si), германий (Ge), фосфор (P), мышьяк (As), сера (S), селен (Se), теллур (Te), йод (I). Для современной техники особое значение имеют германий, кремний и селен. Полупроводниковыми химическими соединениями являются соединения, соответствующие общим формулам AIVBIV (SiC), AIIIBV (InSb, GaAs), AIIBVI (CdS, ZnSe), а также некоторые окислы (Cu2O) и вещества сложного состава.
К многофазным полупроводниковым материалам можно отнести материалы с полупроводящей или проводящей фазой из карбида кремния, графита, сцепленных специальной керамической связкой.
2.2. Проводниковые материалы [1,8,10,16] - материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная электропроводность. Их применение обусловлено в основном этим свойством. Проводниками электрического тока могут быть твердые тела, жидкости, а при соответствующих условиях и газы.
Твердыми проводниками являются металлы, металлические сплавы и некоторые модификации углерода. Среди металлических проводников различают:
Материалы, обладающие высокой проводимостью, которые используют для изготовления проводов, кабелей, проводящих соединений в микросхемах, обмоток, трансформаторов, волноводов.
Металлы и сплавы, обладающие высоким сопротивлением, которые применяют в электронагревательных приборах, лампах накаливания, резисторах.
К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Механизм протекания тока по металлам в твердом и жидком состоянии обусловлен движением свободных электронов, вследствие чего их называют проводниками с электронной электропроводимостью, проводниками первого рода.
Электролитами, или проводниками второго рода, являются растворы (в основном водные) кислот, щелочей и солей, а также расплавы ионных соединений. Прохождение тока через такие проводники связано с переносом вместе с электрическими зарядами частей молекул (ионов) в результате чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукт электролиза.
Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако если напряженность поля выше некоторого критического значения, обеспечивающего начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником, обладающим электронной и ионной электропроводностями. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов и положительно заряженных ионов в единице объема представляет собой равновесную проводящую среду, называемую плазмой.
Технические проводниковые материала подразделяются на [10,16]:
1. Проводниковые материалы высокой проводимости. К наиболее распространенным материалам этой группы относятся медь и алюминий. Малое удельное сопротивление меди (Сu), достаточно высокая механическая прочность, удовлетворительная стойкость к коррозии, хорошая обрабатываемость обеспечивает ей широкое применение в качестве проводникового материала. В некоторых случаях помимо чистой меди в качестве проводникового материала применяют ее сплавы, содержащие небольшое количество олова, кремния, фосфора и т.д. Такие сплавы, называемые в практике бронзами, при правильном подобранном составе обладают более высокими механическими свойствами, чем медь. Бронзы широко применяют для изготовления токоведущих пружин. Латуни - сплавы меди с цинком и другими добавками - обладают достаточно высоким относительным удлинением по сравнению с чистой медью, что обеспечивает латуни технологическое преимущество по сравнению с медью при обработке штамповкой, глубокой вытяжкой. Поэтому латунь применяют в радиоэлектронике для изготовления всевозможных токопроводящих деталей.
Вторым по значению (после меди) проводниковым материалом является алюминий (Аl). Алюминий в 3,5 раза легче меди. Температурный коэффициент линейного расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем у меди. Алюминий весьма активно окисляется и покрывается тонкой пленкой окиси с большим электрическим сопротивлением. Такая пленка предохраняет алюминий от коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов, что делает невозможным пайку алюминия обычными методами. Оксидная изоляция весьма прочна механически и нагревостойка. Из оксидированного алюминия изготавливают различные катушки без дополнительной межвитковой и междуслойной изоляции. Недостатком оксидной изоляции проводов является ее ограниченная гибкость и заметная гигроскопичность. Наибольшее применение оксидная изоляция получила в электролитических конденсаторах.
2. Металлы и сплавы различного назначения. Учитывая температуру плавления, общность некоторых характеристик, а также области применения данный тип материалов можно подразделить следующим образом:
тугоплавкие металлы,
благородные металлы,
металлы со средним значением температуры плавления,
металлы с невысокой и низкой температурой плавления,
припои.
К тугоплавким относятся металлы с температурой плавления ТПЛ ( 1700 0С. Такие материалы химически не активны при низких температурах, но становятся активными при повышенных. Эксплуатация их при высоких температурах может быть обеспечена в атмосфере инертных газов или в вакууме. В плотном виде эти металлы чаще всего получают методом порошковой металлургии - прессовкой и спеканием порошков. Основными тугоплавкими металлами являются вольфрам, молибден, тантал, ниобий, хром, ванадий, титан, цирконий и рений.
Одним из важнейших материалов электронно-вакуумной техники является вольфрам. Из него изготавливаются нити ламп накаливания, а также электроды, пружины в электронных лампах, в рентгеновских трубках.
Благодаря высокому удельному сопротивлению вольфрам используется иногда для изготовления бареттеров, то есть приборов, в которых используется зависимость электрического сопротивления от тока, нагревающего помещенную в них проволочку, для поддержания постоянства тока при колебаниях напряжения. Вольфрамовые бареттеры обладают повышенной способностью выносить значительные токовые перегрузки. Вольфрам применяют и для изготовления контактов. В электровакуумной технике применяется также молибден, рений, титан.
Помимо чистых тугоплавких металлов, в электровакуумной технике для арматуры приборов применяют сплавы вольфрама с молибденом, молибдена с рением и т.д. Меняя содержание компонентов, удается получить необходимые механические свойства и пластичность при требуемых электрических и термических свойствах изделия.
К благородным относятся наиболее химически стойкие металлы: золото, серебро, платина, палладий. В электронной технике золото используют как контактный материал, материал для коррозийно-устойчивых покрытий резонаторов СВЧ, внутренних поверхностей волноводов, электродов фотоэлементов. Для изготовления контактов, рассчитанных на небольшие токи, используют также серебро. Серебро применяют для непосредственного нанесения на диэлектрик, в качестве электродов, в производстве керамических и слюдяных конденсаторов. Недостатком серебра является его склонность к миграции внутрь диэлектрика, на котором нанесено серебро, в условиях высокой влажности и/или при высоких температурах окружающей среды. По сравнению с другими благородными металлами серебро обладает пониженной химической стойкостью.
Для изготовления термопар, рассчитанных на рабочие температуры до 1600 0С, применяют платину. Вследствие малой твердости платина редко используется для контактов в чистом виде, но служит основой для некоторых контактных сплавов. Наиболее распространенными являются сплавы платины с иридием. Они не окисляются, имеют высокую твердость, малый механический износ, однако дороги и применяются в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокую надежность контактов. По ряду свойств близок к платине и часто служит ее заменителем палладий.
Металлы со средним значением температуры плавления, имеющие наибольшее значение в электронной технике - железо, никель, кобальт. При любом применении их в электроаппаратуре и приборах следует иметь в виду, что они ферромагнетики. Кроме того, они обладают повышенным значением температурного коэффициента удельного сопротивления.
Наиболее распространенными в радиоэлектронике металлами с невысокой и низкой температурой плавления (менее 500 0С) являются свинец, олово, кадмий, индий, галлий, ртуть, цинк.
3. Сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления образцовых резисторов, реостатов. При этом от проводника требуется возможно большее удельное сопротивление, малая величина температурного коэффициента удельного сопротивления (( и малая величина термо-ЭДС относительно меди. Среди большого числа сплавов для указанных целей наиболее распространенными в практике являются сплавы на медной основе: манганин, константан, хромоникелевые и железо-хромо-алюминиевые сплавы.
Манганин - основной сплав на медной основе для электроизмерительных приборов и образцовых резисторов. Для получения малого (( и высокой стабильности сопротивления во времени манганин подвергают специальной термической обработке - отжигу при 350 - 550 0С в вакууме с последующим медленным охлаждением и дополнительной длительной выдержкой при комнатной температуре.
Константан - сплав меди и никеля, хорошо поддается обработке. Константан применяют для изготовления реостатов и электронагревательных элементов в тех случаях, когда рабочая температура не превышает 400-450 0С. При нагреве до достаточно высокой температуры на поверхности константана образуется пленка окисла, которая обладает электроизоляционными свойствами. Покрытую такой изоляцией константановую проволоку можно мотать плотно, виток к витку, без особой изоляции между витками, если напряжение между соседними витками не превосходит 1 В. Таким образом изготавливают реостаты. Константан в паре с медью или железом дает большую термо-ЭДС. Это является недостатком при использовании константановых резисторов в измерительных схемах: за счет разности температур в местах контакта константановых проводников с медными возникают термо-ЭДС, которые могут явиться источником ошибок при измерениях.
Хром-никелевые сплавы (нихромы) используются для изготовления нагревательных элементов, электрических печей, плиток, паяльников. Высокая жаростойкость этого сплава объясняется значительной стойкостью этого сплава к прогрессирующему окислению на воздухе при высоких температурах. Пленки нихрома, нанесенные термическим вакуумным испарением и конденсацией на подложках, нашли применение в микроэлектронике в качестве резисторов в микросхемах.
Железо-хромо-алюминиевые сплавы являются более дешевыми сплавами, применяющимися для электронагревательных устройств и промышленных печей. По сравнению с хромоникелевыми сплавами эти сплавы более тверды и хрупки.
4. Проводящие модификации углерода и материалы на их основе. Среди этих материалов можно выделить резистивные сплавы, содержащие кремний (РС-37-10 и РС-30-01). Они применяются для изготовления тонкопленочных резисторов в микросхемах и для получения тонкопленочных прецизионных резисторов. Многокомпонентные резистивные сплавы, содержащие кремний, железо, хром, никель, вольфрам (МЛТ) также используются для изготовления тонкопленочных, образцовых резисторов. Эти сплавы обладают высокой стойкостью к окислению и воздействию химически активных сред. Пленки сплавов МЛТ различных номеров при толщине в пределах 0,1 - 1 мкм позволяют получить сопротивления R = 100 Ом-200 кОм. В качестве проводящих материалов на основе углерода, которые применяются для изготовления непроволочных линейных резисторов, можно выделить природный графит, сажу, пиролитический углерод, бороуглеродистые пленки.

2.3. Магнитные материалы [1,6,10,16]. Разделение радио- и электротехнических материалов на проводники, полупроводники, диэлектрики было произведено по их способности проводить электрический ток. Однако это свойство материалов не является единственным. В соответствии с магнитными характеристиками различают диамагнитные, парамагнитные и сильномагнитные вещества (в технике их чаще называют магнитными материалами или просто магнетиками).
Диамагнетиками называют вещества с магнитной проницаемостью ( < 1 (чаще всего 0.9 - 1) , величина которой не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. К ним относятся водород, инертные газы, каменная соль и ряд металлов: медь, серебро, цинк, золото, ртуть, галлий и т.д.
Парамагнетики - вещества с ( > 1 (чаще всего 1 - 1.1), не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. Из их числа можно выделить кислород, окись азота, соли редких земель, соли железа и т. д.
Магнетиками называют вещества, для которых магнитная проницаемость ( >> 1 (достигая порядка 105) и зависит от напряженности внешнего магнитного поля. К ним относятся железо, никель, кобальт, ферриты.
Причиной магнитных свойств вещества являются внутренние скрытые формы движения электрических зарядов, представляющие собой элементарные круговые токи, обладающие магнитными моментами. Такими токами являются электронные спины и орбитальное вращение электронов в атомах. Макроскопическое проявление магнитных свойств материала оказывается заметным при согласованной ориентации элементарных магнитных моментов, которая наблюдается у магнетиков.
Магнитные свойства материала могут выражаться в виде ферромагнетизма, магнитной анизотропии и магнитострикции [10,17].
Магнитные материалы применяются для создания среды с малым магнитным сопротивлением (магнитопроводы, сердечники). По отношению к электрическому току большинство магнитных материалов являются проводниками (чистое железо и сплавы на основе железа), но некоторые из магнитных материалов (ферриты) относятся к полупроводникам и диэлектрикам. Ферриты обладают большим электрическим сопротивлением, что обеспечивает им малые потери при работе в переменном поле и способствует использованию на высоких частотах.
Среди магнитных материалов различают магнитомягкие, то есть легко намагничивающиеся материалы, и магнитотвердые, которые намагничиваются с трудом, но способные длительное время сохранять сообщенную им магнитную энергию (рис. 2.2).



Рис. 2.2. Классификационная схема магнитных материалов

Магнитомягкие материалы, обладающие высокой магнитной проницаемостью, небольшой коэрцитивной силой и малыми потерями на гистерезис, используют при изготовлении магнитопроводов (сердечников) в электрических машинах, аппаратах и приборах и в других случаях, когда необходимо при наименьшей затрате энергии получить наибольшую индукцию. Среди магнитомягких материалов могут быть выделены низкочастотные и высокочастотные материалы с повышенным или высоким значением удельного сопротивления. Для уменьшения потерь на вихревые токи в трансформаторах выбирают магнитомягкие материалы с высоким значением удельного сопротивления, собирая магнитопроводы из отдельных пластин. К магнитомягким материалам относят железо, магнитодиэлектрики, ферриты и т.д. (рис. 2.2).
Магнитотвердые материалы отличаются от магнитомягких высокой коэрцитивной силой, большими потерями на гистерезис.. Магнитотвердые материалы по применению делят на материалы для постоянных магнитов и материалы для записи информации и ее хранения (рис. 2.2).

2.4. Диэлектрические материалы [1,10,16] - материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации. В радиотехнике применяют множество различных диэлектриков. По функциям, выполняемым в аппаратуре и приборах, их можно подразделить на электроизоляционные и конденсаторные материалы (пассивные диэлектрики) и управляемые материалы (активные диэлектрики) (рис. 2.3).
Под электроизоляционным материалом понимают диэлектрик, применяемый в технике с целью создания условий, препятствующих нейтрализации электрических зарядов, то есть не допускающих утечки тока. В этом случае его роль чисто пассивна. Среди материалов, используемых для изготовления электрической изоляции, значительное место занимают некоторые типы высокомолекулярных веществ, в том числе органические соединения, содержащие атомы углерода. К ним относятся газы (этилен), жидкости (конденсаторное масло), разнообразные твердые вещества – канифоль, волокнистые материалы (бумага, хлопчатобумажное волокно), каучуки, пластические массы, стекла, керамика (рис. 2.3).
Один и тот же диэлектрический материал можно употреблять и для электрической изоляции, и как диэлектрик в электрическом конденсаторе (слюда, керамика, стекла, полистирольные пленки), но предъявляемые к ним требования имеют существенные различия. Если для электроизоляционного материала желательна меньшая величина относительной диэлектрической проницаемости материала (, то для диэлектрика конденсатора ( должна иметь большое значение.
В классификационной схеме (рис. 2.3) управляемые диэлектрики подразделены по принципу управления. Особое место занимают электреты - вещества с большой и длительно сохраняющейся остаточной поляризацией; сегнетоэлектрики - вещества, обладающие спонтанной поляризацией, пьезоэлектрики. К диэлектрикам, управляемым светом, и излучающим материалам относятся вещества, обладающие фотоэффектом, люминофоры и активные элементы лазеров. Конденсаторы с управляемыми (активными) диэлектриками могут быть использованы для усиления сигналов по мощности, создания различных преобразователей, элементов памяти, датчиков ряда физических процессов и генерации колебаний.
Деление всех диэлектрических материалов осуществлено на основе особенностей их строения и особенностей их свойств. К таким особенностям относятся:
инертная высокополимерная структура материалов - пластмассы,
высокоэластичное состояние полимерных материалов - эластомеры (каучуки),
волокнистое строение,
монокристалличность,
поликристалличность, стеклообразное состояние (многофазность).
Из-за большого разнообразия применяемых на практике диэлектриков такую классификацию материалов не всегда удается строго выдерживать. В последнее время широкое распространение получили кремнийорганические материалы самого различного строения (жидкости, пластмассы, эластомеры), появились пластмассы с органической связкой и содержащие кварцевые и другие минеральные наполнители, слюдяные материалы, склеиваемые органическими лаками, и т.д. Поэтому классификация электроизоляционных материалов с каждым годом становится все более сложной.


Рис. 2.3. Квалификационная схема диэлектрических материалов
3. Основные сведения о радиокомпонентах

Компоненты радиоэлектронной аппаратуры делятся на активные (электровакуумные (ЭВП) и полупроводниковые приборы), пассивные (конденсаторы, резисторы, магнитные устройства) и монтажно-коммутационные основания (рис. 3.1) [1,4,5,7,8,9].
В электровакуумных (электронных) приборах используется принцип термоэлектронной эмиссии в вакууме. К приборам этой группы относятся:
двух- и многоэлектродные лампы, электроннолучевые трубки;
газоразрядные, люминесцентные индикаторы;
электровакуумные приборы СВЧ (клистроны, магнетроны, лампы бегущей волны (ЛБВ), лампы обратной волной (ЛОВ)), предназначенные для генерирования, усиления и преобразования частот колебаний в диапазоне сверхвысоких частот.
Недостатками приборов этой группы являются расход относительно большой мощности на нагрев катода и большие напряжения для создания полей, ускоряющих электроны.
Разновидностью электронных приборов являются ионные, в которых в процессе создания тока участвуют не только электроны, но и ионы, возникающие при столкновении электронов с атомами газа. К приборам этой группы относятся двухэлектродные ионные лампы (газотроны), трехэлектродные лампы (тиратроны) и приборы с катодом из жидкой ртути (ртутные вентили). Одной из особенностей ионных приборов является большая инерционность, что делает их применимыми только на небольших частотах. Кроме того, ионные приборы очень чувствительны к изменению температуры. Мощные ртутные вентили представляют собой сложные устройства, которые требуют при работе постоянного контроля, имеют очень большие габариты, чувствительны к вибрациям и ударам. Поэтому в настоящее время ионные приборы и отчасти электронные вытесняются полупроводниковыми приборами.
Полупроводниковые приборы основаны на иных принципах по сравнению с электронными и ионными. В них используются носители зарядов двух знаков: отрицательные (электроны) и положительные (дырки), распространяющиеся, как правило, диффузионным путем за счет хаотического теплового движения зарядов в кристалле, поэтому полупроводниковые приборы работают без дополнительного подогрева в широком диапазоне температур (вплоть до 100 °С) и требуют для управления очень малые напряжения. Сочетание двух и более полупроводниковых слоев, один из которых обладает преимущественно дырочной, а другой - электронной электропроводностью приводит к возникновению свойств односторонней проводимости (вентильных свойств), на которых основана работа полупроводниковых диодов и транзисторов [6].
Полупроводниковые приборы подразделяются на дискретные и интегральные. К дискретным полупроводниковым приборам относятся:
диоды,
транзисторы,
генераторы,
оптоэлектронные приборы (светодиоды, солнечные батареи, фоторезисторы, лазеры, оптопары).
Особое место среди полупроводниковых приборов занимают изделия микроэлектроники, то есть интегральные схемы и микросборки, где предполагается интеграция элементарных электронных приборов на кристалле микросхемы с использованием групповой технологии изготовления.

Рис. 3.1. Состав радиоэлектронной аппаратуры

Дальнейшее развитие микроэлектронных приборов связано с уменьшением размеров элементарных приборов и переход в нанометровый масштаб и постепенный переход к устройствам функциональной электроники, где носителями информационного сигнала являются динамические неоднородности различной физической природы.
Примечание: Пассивные компоненты радиоэлектронной аппаратуры (см. рис. 3.1) подробно будут рассмотрены в теоретической части соответствующих лабораторных работ.

4. Лабораторный практикум


4.1. Исследование диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь диэлектриков

Цель работы: измерение диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости материалов.
Приборы и принадлежности: лабораторный стенд по исследованию параметров диэлектрических радиоматериалов, плоский разборный конденсатор, микровольтметр, милливольтметр, частотомер, образцы диэлектриков, набор конденсаторов.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность, затрачиваемую на нагрев диэлектрика, находящего в электрическом поле [10]. Диэлектрические потери по их физической природе и особенностям [3,10] подразделяют на четыре основных вида:
потери на электропроводность,
релаксационные потери,
ионизационные потери,
резонансные потери.
Потери на электропроводность обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную электропроводность, объемную или поверхностную.
Релаксационные потери обусловлены активными составляющими поляризационных токов. Они характерны для диэлектриков, обладающих замедленными видами поляризации, и проявляются в области достаточно высоких частот, когда сказывается отставание поляризации от изменения поля.
Ионизационные потери свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии.
Резонансные потери в некоторых газах при строго определенной частоте выражаются в интенсивном поглощении энергии электромагнитного поля. Резонансные потери возможны и в твердых телах, если частота вынужденных колебаний, вызываемая электрическим полем, совпадает с частотой колебаний частиц твердого вещества.
В инженерной практике чаще всего для характеристики способности диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле используют угол диэлектрических потерь, а также тангенс этого угла. Углом диэлектрических потерь ( называют угол, дополняющий до 900 угол сдвига фаз ( между током и напряжением в емкостной цепи. В случае идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи опережает вектор напряжения на угол 900, при этом угол ( = 0. Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, тем меньше угол сдвига фаз ( и тем больше угол диэлектрических потерь ( и его функция tg(.
Схема, эквивалентная конденсатору с реальным диэлектриком, обладающим потерями, представлена на рис. 4.1.1. Эта схема выбирается с таким расчетом, чтобы активная мощность, расходуемая в данной схеме, была равна мощности, рассеиваемой в диэлектрике конденсатора, а ток был бы сдвинут относительно напряжения на тот же угол, что и в рассматриваемом конденсаторе. Различают параллельную схему замещения, когда конденсатор с потерями заменяют идеальным конденсатором с параллельно включенным активным сопротивлением (рис. 4.1.1, а), и последовательную схему замещения, когда конденсатор с потерями заменяют идеальным конденсатором с последовательно включенным сопротивлением (рис. 4.1.1, б).
Для параллельной схемы из векторной диаграммы:

tg( = Ia/Ic = 1/((CpR), (4.1.1)

Pа = UIа = U2(Cptg( , (4.1.2)

для последовательной схемы:
tg( = Ua/Uc = (Csr, (4.1.3)

Ра = 13 EMBED Equation.3 1415, (4.1.4)

Сp = 13 EMBED Equation.3 1415, R = r(1+13 EMBED Equation.3 1415). (4.1.5)

Диэлектрическая проницаемость
Одной из основных характеристик диэлектрика является диэлектрическая проницаемость
· [3,10], так как она количественно определяет свойство диэлектриков поляризоваться и образовывать электрическую емкость. Для определения диэлектрической проницаемости веществ в данной лабораторной работе используется плоский разборный конденсатор (рис. 4.1.2). Конденсатор содержит верхнюю съемную пластину 2, нижнюю пластину 5 и диэлектрик 4. Окантовка 1 нижней пластины обеспечивает калиброванный зазор d0 между пластинами. Конденсатор смонтирован на основании 3. Если на нижнюю пластину положен диэлектрик толщиной d>d0, то расстояние между пластинами конденсатора равно толщине слоя диэлектрика.
Емкость конденсатора определяют с помощью схемы, представленной на рис. 4.1.3. Вольтметр V1 служит для измерения напряжения на выходе генератора синусоидального сигнала. Вольтметр V2 измеряет падение напряжения на эталонном сопротивление R0.
Емкость конденсатора вычисляется по формуле

13 EMBED Equation.3 1415, (4.1.6)

где f - частота синусоидального сигнала на выходе генератора, UR0 - напряжение на эталонном сопротивлении, UC - напряжение на конденсаторе:

13 EMBED Equation.3 1415, (4.1.7)

где U1 - выходное напряжение генератора.
Емкость конденсатора можно вычислить, зная его геометрические размеры:

13 EMBED Equation.3 1415, (4.1.8)

где
·0 - диэлектрическая постоянная, S - площадь обкладок конденсатора. Если в качестве диэлектрика используется воздушное пространство, то
· = 1.
Диэлектрическую проницаемость исследуемого материала
· можно определить, сравнивая емкость плоского конденсатора с исследуемым диэлектриком и емкость того же конденсатора, но уже с воздушным диэлектриком:

13 EMBED Equation.3 1415 , (4.1.9)

где С - емкость конденсатора с исследуемым диэлектриком, СВ - емкость конденсатора с воздушным диэлектриком. Для случая, когда толщина диэлектрика меньше расстояния между пластинами, принимают d = d0.
В данной лабораторной работе для измерения тангенса угла диэлектрических потерь диэлектрика tg
· используется измеритель добротности Е4-11 (рис. 4.1.4).
Емкость и добротность реальных конденсаторов с помощью прибора Е4-11 определяют по формулам:

13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415, (4.1.10)

при условии, что СХ < 425 пФ. При достаточно больших емкостях исследуемых конденсаторов (СХ > 425 пФ) используются формулы

13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415 (4.1.11)

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание № 1. Ознакомление с устройством и принципом работы измерителя добротности Е4-11, подготовка прибора к работе.

Порядок выполнения задания
Подготовка прибора к работе
Для подготовки прибора к работе ручки управления поставьте в исходное положение: переключатель рода измерения «(Q–Q» - в положение «Q»; переключатель пределов добротности «ПРЕДЕЛЫ Q» - в положение «НУЛЬ Q»; ручку «НУЛЬ Q» - в среднее положение.
Включите прибор в сеть. Для этого тумблер «СЕТЬ» переведите в положение «ВКЛ.», должна загореться сигнальная лампочка.
Проведите контроль прибора на функционирование. Для этого: ручкой «НУЛЬ Q» установите нуль прибора; переключатель «ПРЕДЕЛЫ Q» переведите в положение «КАЛИБР. Q(»; ручкой «КАЛИБР. Q(» проверьте запас калибровки (после знака () по шкале измерительного прибора на всех поддиапазонах генератора.
Установите: переключатель поддиапазонов генератора на первый поддиапазон 30–50; переключателем «ЧАСТ.MHz» частоту 30 MHz по шкале генератора; переключатель «ПРЕДЕЛЫ Q» в положение 1000.
Подключите катушку индуктивности № 1, взятую из ЗИП, к клеммам «Lx».
Настройте ручкой «ЕМКОСТЬ pF» контур в резонанс по максимальному отклонению стрелки измерительного прибора; установите переключатель «(Q – Q» в положение «(Q»; проверьте ручкой «НУЛЬ (Q» возможность установки нуля (Q на середину шкалы; нажмите кнопку «(» и проверьте перемещение шкалы измерительного конденсатора.
Отключите катушку индуктивности № 1 от клемм «Lx». После 30-минутного прогрева прибор готов к работе.

Подготовка прибора к проведению измерений
Проведите установку нуля прибора. Для этого установите: переключатель «(Q – Q» в положение «Q»; переключатель «ПРЕДЕЛЫ Q» в положение «НУЛЬ Q»; ручкой установки нуля «НУЛЬ Q» - стрелку измерительного прибора на риску 0 шкалы Q.
Проведите калибровку прибора, дня чего установите: переключатель «ПРЕДЕЛЫ Q» в положение «КАЛИБР. (Q»; переключатель поддиапазонов генератора на требуемый поддиапазон; ручкой «ЧАСТ. МHz» выберите требуемую частоту по шкале генератора; ручкой «КАЛИБР. (Q» стрелку измерительного прибора переведите точно на риску под знаком (.
Установите переключатель «ПРЕДЕЛЫ Q» в положение 30. Прибор готов к проведению измерений.

Задание № 2. Измерение тангенса диэлектрических потерь диэлектрика tg
· с помощью измерителя добротности Е4-11.

Порядок выполнения задания
Зная емкость исследуемого конденсатора С и величину индуктивности L предлагаемой катушки, оцените резонансную частоту fрез = 13 EMBED Equation.3 1415.
Переключателем поддиапазонов генератора и переключателем «ЧАСТ.MHz» прибора установите частоту, соответствующую fрез, на которой требуется измерить емкость и добротность конденсатора
Катушку индуктивности L подключите к клеммам «LХ».
Настройте измерительный контур в резонанс и зафиксируйте полученные величины Q1, С1.
К клеммам «СХ» подключите исследуемый конденсатор и снова настройте измерительный контур в резонанс. Определите новые значения Q2, С2.
Емкость и добротность исследуемого конденсатора определите по формуле (4.1.10).

Если контур в резонанс настроить не удается, это означает, что емкость подключенного конденсатора больше С1. В таком случае необходимо использовать катушки с меньшей индуктивностью. При достаточно больших емкостях исследуемых конденсаторов (СХ > 425 пФ) используется следующая методика:
Из комплектующих катушек индуктивности подберите нужную (см. задание 2.1) и подключите ее к клеммам «LХ».
Установите частоту, на которой требуется измерить емкость и добротность конденсатора (см. задание 2.2).
Настройте измерительный контур в резонанс и зафиксируйте полученные величины Q1, С1.
С помощью перемычки из комплекта прибора присоедините исследуемый конденсатор последовательно с катушкой индуктивности к клеммам «LХ».
Настройте измерительный контур в резонанс и определите новые значения Q2, С2.
Определите емкость и добротность исследуемого конденсатора по формуле (4.1.11).

Задание № 3. Определение диэлектрической проницаемости исследуемых образцов с помощью лабораторного стенда по исследованию свойств диэлектрических радиоматериалов.

Порядок выполнения задания
Соберите электрическую схему, как показано на рис. 4.1.3.
Включите лабораторную установку и прогрейте ее в течение 5 мин.
Фиксируя показания вольтметров и частотомера, определите емкость конденсатора С с воздушным диэлектриком, используя формулы (4.1.6, 4.1.7). Результаты измерений занесите в табл. 4.1.1.
Выберите исследуемый диэлектрик и поместите его между обкладками плоского разборного конденсатора. Фиксируя показания вольтметров и частотомера, определите емкость конденсатора С с исследуемым диэлектриком аналогично п. 3. Результаты измерений занесите в табл. 4.1.1. Подобные измерения проделайте и с другими типами диэлектриков.
Используя формулу (4.1.9), вычислите диэлектрическую проницаемость
· для каждого из исследуемых диэлектриков. Полученные результаты занесите в табл. 4.1.1.
Используя полученные величины диэлектрической проницаемости диэлектриков (табл. 4.1.1), вычислите емкость конденсатора C* по его геометрическим размерам (формула (4.1.8)). Сравните полученные результаты емкостей C* и C.

Таблица 4.1.1. Экспериментальные данные
№ п/п
Диэлектрик
U1, В
UR0, В
UC,, В
v, Гц
d, мм
C, пФ
C*, пФ

·, mV














Контрольные вопросы
Диэлектрические потери. Угол диэлектрических потерь.
Виды диэлектрических потерь.
Потери на электропроводность.
Релаксационные потери.
Ионизационные потери.
Резонансные потери.
Эквивалентные схемы конденсаторов.
Диэлектрическая проницаемость.
Методы определения диэлектрической проницаемости.

4.2. ИССЛЕДОВАНИЕ термоэлементов на базе ТЕРМОПАР

Цель работы: исследование термоэлементов на базе термопар и термостолбиков.
Приборы и принадлежности: лабораторный стенд по исследованию термоэлектрических явлений, термопары и термостолбики.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Температура - статическая величина, характеризующая тепловое состояние тела и пропорциональная средней кинетической энергии движения молекул тела. За единицу температуры принимается градус, равный 1/100 диапазона температур от точки таяния льда до точки кипения воды. Эта единица по шкале Цельсия обозначается 1 0С, а по шкале Кельвина 1 К. [2,4,5,10]
Наибольшее распространение нашли следующие методы измерения температуры [4,5]:
Методы, основанные на тепловом расширении жидких, газообразных и твердых тел.
Манометрические методы, основанные на изменении давления внутри замкнутого объема при изменении температуры.
Методы, в которых используется изменение электрического сопротивления тел при изменении температуры.
Термоэлектрические методы.
Методы, основанные на использовании электромагнитного излучения нагретых тел.
Приборы для измерения температуры в соответствии с указанными методами можно разделить на: термопары расширения, манометрические термопары, термоэлектрические термопары, терморезисторные термопары, пирометры.

Термоэлектрический метод измерения температуры
Явление термоэлектричества получило широкое применение для измерения температуры и ряда других неэлектрических величин [4,5,10]. В замкнутом контуре, состоящем из двух разнородных проводников, непрерывно течет электрический ток, если места спаев этих проводников имеют различные температуры (эффект Зеебека) [10]. Термоэлектрический эффект положен в основу работы термоэлектрических термометров.
При соприкосновении двух одинаково нагретых проводников из разнородных материалов количество свободных электронов в единице объема первого проводника больше, чем во втором, и электроны будут диффундировать из первого проводника во второй в большем количестве, чем обратно. Таким образом, первый проводник будет заряжаться положительно, а второй - отрицательно. Образующееся при этом в месте спая проводников электрическое поле будет противодействовать этой диффузии, вследствие чего наступает состояние подвижного равновесия, при котором между свободными концами указанных проводников появится некоторая разность потенциалов (термо-ЭДС) [10].
Согласно электронной теории металлов термо-ЭДС между металлами А и В равна
UАВ = (В - (А + 13 EMBED Equation.3 1415, (4.2.1)

где (А, (В - потенциалы соприкасающихся металлов, (А и (В - концентрация электронов в металлах А и В, к - постоянная Больцмана, e - заряд электрона.
Величина термо-ЭДС для различных пар металлов колеблется в пределах от десятых долей вольт до нескольких вольт. Кроме того, термо-ЭДС возникает и между концами однородного проводника, имеющими разные температуры. В этом случае до наступления состояния подвижного равновесия положительно заряжается более нагретый конец проводника, как обладающий большей концентрацией свободных электронов по сравнению с менее нагретым. Возрастание разности температур между концами проводника приводит к увеличению появляющейся в нем термо-ЭДС.
В замкнутой электрической цепи, состоящей из двух разнородных проводников (термоэлектродов) А и В (рис. 4.2.1.), одновременно действуют оба указанных выше фактора. Они вызывают появление в спаях 1 и 2 и между концами каждого однородного термоэлектрода А и В термо-ЭДС. Такая замкнутая цепь проводников называется термопарой. Спай 1, погружаемый в измеряемую среду, называется рабочим концом термопары (горячий спай), а спай 2 - свободным концом (холодный спай). Термоэлектроды (провода) термопары обозначаются знаками «+» и «-» . Положительным термоэлектродом считается тот, по которому ток течет от рабочего конца термопары к свободному.
Термо-ЭДС термопары равна разности двух действующих навстречу суммарных термо-ЭДС, появляющихся на ее концах в спаях 1 и 2 (E = UAB + UBA). При равенстве температур обоих спаев результирующая термо-ЭДС равна нулю. Но когда один из спаев имеет температуру t, а другой t0, возникает термо-ЭДС, отличная от нуля:
E = (АВ + (ВА = (В - (А +13 EMBED Equation.3 1415 + (А- (В + 13 EMBED Equation.3 1415, (4.2.2)
откуда
13 EMBED Equation.3 1415, (4.2.3)

где А - постоянная величина для данной пары металлов. Полученное выражение показывает, что термо-ЭДС является функцией разности температур. Измерение температуры при помощи термопары возможно лишь при постоянной и точной температуре ее свободного конца t0. В этом случае уравнение (4.2.3) примет вид E= f(t). Для различных типов термопар эта функция имеет сложный вид и определяется опытным путем. Зная зависимость, представленную уравнением (4.2.3), находят искомую температуру, располагая рабочий конец термопары в месте измерения и отсчитывая величину термо-ЭДС E. Экспериментальное определение термо-ЭДС термопары в зависимости от температуры рабочего конца t при постоянном значении температуры свободного конца t0 (обычно равном 0 0С), называется градуировкой термопары, а соответствующая термопара называется дифференциальной параметрической термопарой.
При измерениях температуру свободного конца термопары с целью увеличения термо-ЭДС поддерживают на возможно более низком постоянном уровне. Термо-ЭДС термопары может быть усилена путем применения ряда термопар, соединенных последовательно, причем четные спаи нагреваются, а нечетные - охлаждаются. Такая система термопар называется термостолбиком, имеющим термо-ЭДС

EN = E(N, (4.2.4)
где N - число термопар.
Для регистрации термо-ЭДС используют милливольтметры. Различают два способа включения милливольтметра в контур термопары: в свободный конец (рис. 4.2.2, а) или в один из ее термоэлектродов (рис. 4.2.2, б). Включение в контур термопары третьего разнородного проводника не влияет на величину развиваемой ею термо-ЭДС, если места присоединения проводника к термопаре имеют одинаковую температуру.


Термоэлектродные материалы
Величина термо-ЭДС, развиваемая термопарой, зависит от материалов термоэлектродов [4,5,10]. В качестве термоэлектродов преимущественно применяют те металлы и сплавы, которые развивают сравнительно большие термо-ЭДС. Наряду с требованиями создания большой термо-ЭДС термоэлектроды должны обладать следующими свойствами:
постоянством термоэлектрических свойств независимо от возможных изменений со временем внутренней структуры (рекристаллизации) и загрязнения поверхности;
устойчивостью против действия высоких температур, окисления и других вредных факторов;
хорошей электропроводностью и небольшим температурным коэффициентом электрического сопротивления;
однозначной и по возможности линейной зависимостью термо-ЭДС от температуры;
однородностью и постоянством состава для обеспечения взаимозаменяемости термопар.
Состав термоэлектродов сильно влияет на величину развиваемой ими термо-ЭДС, поэтому стремятся обеспечивать хорошую воспроизводимость химического состава для каждого типа термопар при различных плавках металла, что значительно упрощает и облегчает условия промышленной эксплуатации. При замене однотипных термопар не требуется повторной градуировки.
Наибольшее распространение для изготовления промышленных типов термопар получили следующие материалы: платина, платинородий (90 % (( и 10 % ((), хромель (90 % (( и 10 % С(), алюмель (95 % ((, остальное - А(, S(, М() и копель (56 % С( и ((). Для измерений в лабораторных установках также находят применение медь, железо, константан (60 % С( и 40 % (().

Типы и конструкции термопар
Термопары, получившие практическое применение, разделяются на две группы: термопары из благородных и неблагородных металлов и сплавов [4,5,10]. Промышленностью выпускаются в основном четыре стандартных типа термопар: термопара платинородий-платиновая (ТПП), термопара хромель-алюмелевая (ТХА), термопара хромель - копелевая (ТХК), термопара никелькобальт - алюмелевая (ТНК). Промышленные типы термопар ввиду достаточно надежного обеспечения однородности состава термоэлектродов имеют стандартные градуировки (рис. 4.2.3).
Знак термо-ЭДС у приведенных на рис. 4.2.3 термопар таков, что в холодном спае ток идет от первого названного в паре материала ко второму (то есть от хромеля к копелю, от меди к константану), а в горячем спае - в обратном направлении. Для получения сравнительно высоких значений термо-ЭДС выбор термоэлектродов при конструировании термопар производят таким образом, чтобы в паре с платиной один из них имел положительную, а другой отрицательную термо-ЭДС.
Термопары из благородных металлов применяются для измерения высоких температур и при особо точных измерениях, так как они обладают большой температурной устойчивостью. Наибольшее распространение получили платинородий-платиновые термопары (измеряют температуры до 1600 0С), которые благодаря исключительному постоянству термо-ЭДС и большому пределу измерений применяются не только как технические, но и как лабораторные, образцовые и эталонные. Платинородий-платиновые термопары хорошо противостоят действию окислительной среды, но быстро разрушаются и теряют свои свойства под влиянием восстановительной атмосферы. Поэтому при промышленных измерениях термоэлектроды этих термопар тщательно изолируют от непосредственного соприкосновения с атмосферой.
Термопары из неблагородных металлов и сплавов: хромель-алюмелевая, хромель-копелевая, железо-копелевая, медь-копелевая применяются для измерения невысоких температур (до 350 0С - медь-константан и хромель-копель, до 900 - 1000 0С - хромель-алюмель.). Эти термопары развивают достаточно большие термо-ЭДС, что является существенным их достоинством. Так, например, при одинаковых температурах рабочего и свободного концов хромель-копелевая термопара дает в среднем в 10 раз большую термо-ЭДС, чем платинородий-платиновая.
Большое распространение получила хромель-алюмелевая термопара, которая по сравнению с остальными термопарами из неблагородных металлов является наиболее стойкой при работе в окислительной среде, но подвержена вредному воздействию восстановительной атмосферы. Хромель-копелевая термопара развивает небольшую термо-ЭДС, но достаточно устойчива против химического воздействия окружающей атмосферы. Значительное распространение получила никелькобальт-алюмелевая термопара. По сравнению с термопарами других типов она выгодно отличается тем, что не требует при измерении поддержания постоянной температуры свободных концов. Непостоянство температуры холодного спая является причиной методических погрешностей термометров. Без компенсации этих погрешностей приборы применять нельзя.


Термостатирование свободных концов и схемы включения термопар
При измерении температуры свободные концы термопары должны иметь постоянную температуру (дифференциальная параметрическая термопара), так как колебания температуры отражаются на показаниях прибора [4,5]. В случае отклонения температуры свободных концов от градуировочного значения, обычного равного 0 0С, к показаниям вторичного прибора вводится соответствующая поправка. Обеспечение постоянства температуры свободных концов термопары значительно облегчает введение этой поправки, величина которой также остается постоянной.
При использовании медных (алюминиевых) соединительных проводов свободные концы термопары, образованные в ее головке, находятся в зоне переменной температуры, что вызывает необходимость отвести свободные концы в зону с постоянной и более низкой температурой. Для этой цели применяют компенсационные провода, состоящие из двух жил, изготовленных из металлов или сплавов, имеющих одинаковые термоэлектрические свойства с термоэлектродами термопары. Посредством этих проводов производится удлинение термоэлектродов термопары, позволяющее отвести свободные концы от места ее установки в более благоприятные условия и устранить искажения термо-ЭДС.
Для термопар из неблагородных металлов компенсационные провода изготовляются из тех же материалов, что и их термоэлектроды. Для термопар из благородных металлов в целях удешевления стоимости измерительной установки компенсационные провода выполняются из материалов, развивающих в паре между собой в диапазоне температур 0 - 150 0С ту же термо-ЭДС, что и термопара, для которой они предназначены. Например, для платинородий-платиновой термопара термопары положительная жила компенсационного провода состоит из меди, а отрицательная из сплава (99.4 % Cu + 0.6 % Ni). Хромель-алюмелевая термопара применяется с компенсационными проводами из меди (положительная жила) и константана (отрицательная жила).
Поддержание температуры свободных концов термопары на постоянном уровне производится обычно при помощи термостатной конструкции [4,5]. В последнее время получила распространение мостовая схема автоматического введения поправки на температуру свободных концов термопар, собранная по схеме неуравновешенного измерительного моста (рис. 4.2.4, 1, 2). В лабораторных условиях температура свободных концов термопары поддерживается обычно равной 0 0С посредством помещения их в сосуд Дьюара, наполненного мелко истолченным тающим льдом с водой.
Для использования термопары ее необходимо предварительно проградуировать, то есть определить экспериментальным путем зависимость электродвижущей силы, возникающей в термопаре, от разности температур ее спаев 13 EMBED Equation.3 1415. Результаты градуировки обычно изображают в виде графика E = f(13 EMBED Equation.3 1415). Градуировка термопары может быть произведена при помощи схемы (рис. 4.2.5), на основе которой собран лабораторный стенд.

13 EMBED PBrush 1415
Рис. 4.2.4. Схемы термоэлектрических термометров (пирометров):
1 - термоэлектрический термометр (R1, R2, R3, R4 - сопротивления проводящих проводов, добавочного резистора, термокомпенсации, токопроводов; ТП - термопара); 2 - схема неуравновешенного измерительного моста (ТП - термопара, R1, R2, R3, R4 - сопротивления моста для компенсации температуры холодного спая)


Рис. 4.2.5. Схема установки для градуировки термопары:
А – термостат с источником нагрева Q, B – сосуд Дьюара с тающим льдом, М и N - горячий и холодный спаи термопары, mV – милливольтметр, Т – электронный термометр

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание № 1. Градуировка термопары.

Порядок выполнения задания
Получите термопару или термостолбик для калибровки у преподавателя.
Включите лабораторный стенд, переведя переключатель «Сеть» в положение «Вкл.».
Установите переключатель входа электронного термометра в положение «Холодный спай» и зарегистрируйте температуру холодного спая (Т0), результат занесите в табл. 4.2.1.
Переведите переключатель входа электронного термометра в положение «Горячий спай», включите тумблер «Нагрев».
При нагреве термостата в пределах от комнатной до указанной преподавателем регистрируйте через равные интервалы температур температуру горячего спая и одновременно - величину термо-ЭДС Е (с помощью милливольтметра). Полученные результаты занесите в табл. 4.2.1.
По данным табл. 4.2.1 построите график зависимости E = f(Т).
По графику E = f(Т) определите численное значение постоянной А для термопары 13 EMBED Equation.3 1415, где Е1 – термо-ЭДС, соответствующая температуре Т1, Е2 – термо-ЭДС, соответствующая температуре Т2. Поскольку зависимости E(Т) линейны только в первом приближении, определите постоянную А для термопары вблизи комнатной температуры и для максимальной температуры нагрева.
Сравните полученные вами данные с аналогом рис. 4.2.3 - данными таблицы параметров термопар (находится на рабочем месте). Определите тип исследованной вами термопары и оцените воспроизводимость ее свойств по сравнению с однотипной промышленной термопарой.

Таблица 4.2.1.Экспериментальные данные
То, 0С









Тнагр., 0С









Е, mV










Контрольные вопросы
Температура как физическая величина.
Методы измерения температуры.
Термоэлектрический метод измерения температуры.
Термо-ЭДС.
Термопара, дифференциальная параметрическая термопара, градуировка термопары.
Способы увеличения термо-ЭДС. термопары.
Материалы для изготовления термопар. Требования, предъявляемые к термоэлектродам.
Классификация термопар.
Термопары из благородных металлов.
Термопары из неблагородных металлов.
Термостатирование термопары.
Схемы включения термопар.

4.3. Исследование интегральных свойств
магнитных материалов

Цель работы: исследование процессов перемагничивания ферромагнитных материалов в переменных магнитных полях и определение температуры Кюри ферромагнетика.
Приборы и принадлежности: лабораторный стенд, генератор низкочастотный, вольтметр, осциллограф, термостат, набор образцов (пермаллои, ферриты, электротехническая сталь).

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Магнитные свойства материалов. Большинство наблюдаемых магнитных явлений вызвано изменениями электрического поля в результате движения электрических зарядов. Электроны атомов, движущиеся по орбитам, могут рассматриваться как носители элементарного тока, создающего магнитное поле и орбитальный магнитный момент М0 (рис. 4.3.1). Основными элементарными носителями магнетизма служат спиновые магнитные моменты МC, которые образуются в результате вращения электронов вокруг собственной оси (рис. 4.3.2).Таким образом, каждый атом вещества обладает орбитальным и спиновым магнитными моментами, которые при внесении вещества во внешнее магнитное поле вступают с ним во взаимодействие. Проявление магнитных свойств материала оказывается заметным при согласованной ориентации элементарных магнитных моментов, которая наблюдается у сильномагнитных материалов - магнетиков.[3,10] Основным их свойством является самопроизвольная (спонтанная) намагниченность без приложения внешнего магнитного поля. Такие материалы в зависимости от способа упорядочения магнитных моментов могут быть ферро, ферри-, антиферромагнетиками [1,3,10,11,16,17].
К ферромагнетикам относятся: железо, никель, кобальт, гадолиний и некоторые сплавы. Существует температура, выше которой ферромагнетики теряют свои магнитные свойства - это температура Кюри. Ферромагнетизм наблюдается в переходных элементах, у которых не все внутренние оболочки полностью заполнены электронами. Такое состояние приводит к образованию нескомпенсированных спиновых магнитных моментов в недостроенном слое. Для того, чтобы материал обладал ферромагнитными свойствами, необходимо выполнение двух условий: наличие нескомпенсированных спинов электронов и большая величина электрических сил обменного взаимодействия между этими электронами. Благодаря обменному взаимодействию нескомпенсированные спины выстраиваются параллельно друг другу и их магнитные моменты суммируются. Если расстояние между атомами велико, силы обменного взаимодействия стремятся к нулю. С уменьшением этого расстояния силы увеличиваются, и под их влиянием спины электронов устанавливаются параллельно. Таким образом, спины образуют намагниченные до насыщения микрообласти, которые называются доменами. Направление спинов внутри домена неизменно, но изменяется от одного домена к другому.
При внесении ферромагнетика во внешнее магнитное поле магнитные моменты доменов начинают ориентироваться по направлению поля. Этот процесс зависит от кристаллической структуры вещества, напряженности поля, температуры и предшествующего магнитного состояния. Намагничивание кристалла в разных направлениях происходит с разной интенсивностью, которая определяется величиной сил, препятствующих повороту магнитных моментов доменов по направлению поля. Различная интенсивность намагничивания вдоль разных осей характеризует магнитную анизотропию ферромагнетика. В тех случаях, когда анизотропия в ферромагнетиках выражена достаточно резко, принято говорить о магнитной текстуре ферромагнетика. Возможность получения заданной магнитной текстуры имеет большое значение при создании повышенных магнитных характеристик материала в определенном направлении.
Намагничивание ферромагнетиков также зависит и от химического состава вещества, чистоты и характера примесей, температуры и условий предварительной обработки. Все эти факторы вызывают искажения кристаллической решетки и вызывают изменение направления намагничивания доменов. При намагничивании ферромагнетиков наблюдается изменение их линейных размеров - это явление называют магнитострикцией [10]. Из трех основных ферромагнитных элементов (((, ((, Со) наибольшей магнитострикцией обладает никель. Знак магнитострикционной деформации у различных материалов может быть как положительным, так и отрицательным.
Помимо ферромагнетиков, существуют ферримагнетики - сложные оксидные материалы, получившие на практике название ферритов. Ферриты отличаются от ферромагнетиков меньшей величиной индукции насыщения, имеют более сложную температурную зависимость индукции и повышенное значение удельного сопротивления. Различают простые ферриты и смешанные в виде твердых растворов двух или нескольких простых ферритов. Магнитная система феррита состоит из 2-3 подрешеток. В каждой подрешетке спины параллельны, как и в ферромагнетике. Если подрешетки феррита характеризуются разной температурной зависимостью свойств, то при некоторой температуре - температуре компенсации магнитных моментов ТКММ происходит компенсация магнитных моментов подрешеток из-за их антипараллельности (рис. 4.3.3).
Из-за наличия нескольких магнитных подрешеток ферриты имеют более низкую намагниченность насыщения, чем отдельные ферромагнетики. Несмотря на этот недостаток, ферриты получили широкое распространение благодаря ряду замечательных магнитных свойств: по величине удельного электрического сопротивления ферриты можно отнести к полупроводниковым и даже диэлектрическим материалам. Это свойство ферритов ограничивает величину вихревых токов и позволяет их применять на высоких частотах (до сотен МГц), в отличие от ферромагнетиков, представленных проводящими металлами и сплавами.
Если в магнитном материале есть только две подрешетки с равными магнитными моментами и одинаковыми зависимостями намагниченности от температуры, то такой материал является антиферромагнетиком [10,11,17]: при наличии спонтанной намагниченности суммарный магнитный момент равен нулю, так как моменты подрешеток имеют противоположное направление и компенсируют друг друга.

Перемагничивание магнитных материалов
Намагниченность M однородного магнитного вещества представляет собой магнитный момент единицы объема:

М = 13 EMBED Equation.3 1415 Mi/V (4.3.1)

Намагниченность зависит от величины напряженности магнитного поля H, в которое помещен магнитный материал:

M = 4((Н = кН, (4.3.2)

где ( - магнитная восприимчивость. Для ферромагнетиков и ферритов (>> 0 и зависит от напряженности поля и температуры.
Намагниченность можно рассматривать также и как внутренние поле, возникающее в результате действия элементарных носителей магнетизма. Результирующее магнитное поле B, действующее на вещество, называется магнитной индукцией:

В = µ0 (Н + M), (4.3.3)

где µ0 - магнитная постоянная.

В = µ0 (1 + 4(() Н = µ0 ( Н, (4.3.4)

где ( - магнитная проницаемость вещества (относительная магнитная проницаемость), в сою очередь для ферромагнетиков и ферритов зависящая от H. Кривые намагничивания В = f(H) имеют качественно общий характер для всех ферромагнетиков [10] (рис. 4.3.4).
В достаточно сильных полях достигается индукция насыщения ВS. Если затем уменьшать напряженность поля, то величина индукции будет также уменьшаться, но не по основной кривой, а более медленно, с отставанием на некоторую величину вследствие явления гистерезиса. При увеличении поля противоположного направления образец может быть размагничен и перемагничен, а при новой перемене направления поля индукция снова может вернуться в исходную точку, то есть будет описана кривая, представляющая собой петлю гистерезисного цикла перемагничивания (рис. 4.3.5).
Значение В при Н = 0 в процессе размагничивания образца, намагниченного до насыщения, называют остаточной индукцией Вr. Для того, чтобы уменьшить индукцию Вr до нуля, необходимо приложить поле Н обратного направления с напряженностью НС, называемую коэрцитивной (задерживающей) силой. Величины ВS , НS характеризуют магнитную индукцию насыщения и магнитное поле насыщения.
Материалы с малой коэрцитивной силой НС и большой магнитной проницаемостью называются магнитомягкими [3,10,16]. К ним относятся:
пермаллои (НС= 0.3 - 32 А/м, (max = 17000 - 10000),
марганцево-цинковые и никель-цинковые ферриты (НС = 0.24 - 100 А/м, (max = 35000 - 360).
альсиферы (НС= 1.8 А/м, (max= 117000),
диэлектрики на основе карбонильного железа (НС= 6.4 А/м, (max= 21000),
электротехническая сталь (НС =64 - 94 А/м, (max = 4500 - 3500).

13 EMBED PBrush 1415
Рис. 4.3.6. Петли гистерезиса для магнитомягких ( а - феррит) и для магнитотвердых (б - мартенситная сталь, в - магнитотвердый феррит) материалов

Материалы с большой коэрцитивной силой НС и меньшей проницаемостью называются магнитотвердыми [3,10,16]. Площадь гистерезисной петли магнитотвердых материалов значительно больше, чем у магнитомягких (рис. 4.3.6). По применению магнитотвердые материалы можно подразделить на материалы для изготовления постоянных магнитов и для записи и длительного хранения звука, изображения. По составу, состоянию и способу получения магнитотвердых материалов различают:
легированные мартенситные стали (НС =4.6 - 13.6 кА/м),
металлические и неметаллические материалы для звукозаписи (НС = 6.4 - 30 кА/м),
магниты из порошков (НС = 24 - 128 кА/м),
литые высококоэрцитивные сплавы (НС = 40 - 145 кА/м),
магнитотвердые ферриты (НС = 128 - 240 кА/м),
сплавы редкоземельных металлов (НС = 10320 - 1440 кА/м).
Типичные петли гистерезиса для магнитомягких и магнитотвердых материалов представлены на рис. 4.3.6.
При перемагничивании ферромагнетиков в переменных магнитных полях возникают потери энергии, приводящие к нагреву образца. Эти потери обусловлены потерями на гистерезис и динамическими потерями. Потери энергии на гистерезис для каждого материала могут быть определены по площади статической петли гистерезиса. Динамические потери вызваны конечной скоростью протекания процессов перемагничивания (магнитной вязкостью) и вихревыми токами, индуцированными в массе магнитного материала. Потери на вихревые токи, в свою очередь, зависят от электрического сопротивления ферромагнетика: чем больше удельное электрическое сопротивление ферромагнетика, тем меньше потери на вихревые токи. Потери, связанные с магнитным последствием (вихревые токи, магнитовязкость), необходимо учитывать при использовании ферромагнетиков в импульсных режимах.

Применение магнитных материалов
В радиоэлектронике магнитные материалы используются в качестве магнитопроводов трансформаторов и магнитных сердечников катушек индуктивности [6,1,16]. Выбор магнитного материала (электротехнические стали, пермаллои, ферриты) зависит от назначения и свойств трансформатора. Для низкочастотных силовых трансформаторов используют холоднокатаные текстурированные ленточные стали. Они имеют малые удельные потери, высокую индукцию насыщения, высокую магнитную проницаемость. Для сигнальных трансформаторов широко применяются пермаллои: 50НП, 79НМ, 80НХС.
Ферриты используются в трансформаторах, работающих на высоких частотах (десятки и сотни кГц). Их применение ограничено низкой индукцией насыщения (BS = 0,4 - 0,5 Тл) и сильной температурной зависимостью параметров. В основном используются марганец–цинковые ферриты марок: 6000НМ, 4000НМ, 2000НМ.

Регистрация петли гистерезиса магнитного материала
Петлю гистерезиса - основную интегральную характеристику магнитного материала, можно получить на экране электроннолучевой трубки осциллографа. Для этого магнитный материал ММ (для упрощения расчетов его форма должна быть тороидальной) помещается в магнитное поле, создаваемое переменным током I в обмотке w1 (рис. 4.3.7). Напряженность магнитного поля, пронизывающего тороидальный сердечник, определяется по формуле

H = (0 w1I. (4.3.5)


Рис. 4.3.7. Упрощенная схема лабораторного стенда для исследования петель гистерезиса ферро- и ферримагнетиков

На горизонтально отклоняющие пластины электроннолучевой трубки осциллографа подается напряжение UХ , пропорциональное току (и, соответственно, магнитному полю Н). По закону Ома напряжение на горизонтально отклоняющих пластинах осциллографа определяется по формуле

UХ = IR1 = R1H/((0 w1), (4.3.6)

где w1 - число витков первичной обмотки трансформатора, R1 - сопротивление, Н - напряженность магнитного поля.
Во вторичной обмотке тороидального трансформатора источником тока I является ЭДС индукции Е

Е = - dФ/dt, (4.3.7)

где Ф - поток магнитной индукции через поверхность, охватываемую всеми витками вторичной обмотки трансформатора:

Ф = BSw2. (4.3.8)

Здесь S - площадь, охватываемая одним витком, w2 - число витков вторичной обмотки. Тогда

E = - Sw2(dB/dt). (4.3.9)

Закон Ома для вторичной цепи имеет вид

E = Uc + IR2, (4.3.10)

где UС - напряжение на обкладках конденсатора, С - емкость конденсатора, q - заряд конденсатора. Напряжение на конденсаторе

13 EMBED Equation.3 1415. (4.3.11)

Если R2 велико (~105 Ом), то Uc << IR2 и

E = IR2 = -Sw2(dB/dt), (4.3.12)
откуда
13 EMBED Equation.3 1415. (4.3.13)

Подставляя значение I в выражение (4.3.11), получаем, что напряжение, подаваемое на вертикально отклоняющие пластины осциллографа, равно

13 EMBED Equation.3 1415. (4.3.14)
Таким образом, на вертикально отклоняющие пластины осциллографа благодаря наличию интегрирующей цепочки R2C подается напряжение UУ, пропорциональное магнитной индукции В, и на экране получается петля гистерезиса B = f(H).
В лабораторном стенде для исследования петель гистерезиса магнитных материалов (рис. 4.3.7) в качестве источника переменного сигнала используется генератор низкочастотных сигналов Г3 -102. Геометрические параметры исследуемых образцов (тороидальные трансформаторы с сердечниками из феррита, пермаллоя, электротехнической стали) приведены в таблице, которая находится на рабочем месте.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Задание № 1. Исследование частных и предельных петель гистерезиса магнитных материалов.
Порядок выполнения задания
Включите лабораторную установку (за исключением термостата) и прогрейте ее в течение 5 мин. Регулятор тока в обмотке w1 «R» переведите в крайнее левое положение. Переключателем «S2» выберите номер исследуемого образца.
Установите переключатель «S1» в положение «Генератор» и задайте, указанный преподавателем, режим генерирования сигнала (частота f и выходное напряжение Uвых). Получите устойчивое изображение петли гистерезиса на экране осциллографа.
Регулятором «R» установите поочередно несколько значений тока, подаваемых на первичную обмотку исследуемого тороида. Для каждого из указанных положений резистора «R» постройте петли гистерезиса в координатах шкалы осциллографа, а затем - в координатах Н, В, используя формулы (4.3.6), (4.3.14).
Переключателем «S2» выберите следующий номер образца и повторите п. п. 2-4.
По полученным петлям гистерезиса определите величину коэрцитивной силы НС, индукцию насыщения BS и остаточную индукцию Br исследуемого образца. Постройте зависимости НС , BS и Br от амплитуды магнитного поля. С помощью справочных таблиц параметров магнитных материалов определите тип исследованного материала.
Задание № 2. Исследование частотной зависимости параметров петель гистерезиса.
Порядок выполнения задания
Регулятор тока в обмотке w1 «R» переведите в крайнее левое положение, переключателем «S2» выберите номер исследуемого образца.
Установите переключатель «S1» в положение «Генератор» и задайте, указанный преподавателем режим генерирования сигнала (частоту f и выходное напряжение Uвых). Получите устойчивое изображение петли гистерезиса на экране осциллографа.
Регулятором «R» установите максимальное напряжения, подаваемое на вход исследуемого образца.
Используя формулы (4.3.6), (4.3.14) постройте петли гистерезиса для исследуемого материала в координатах Н, В. Изменяя частоту сигнала f в диапазоне, указанном преподавателем, повторите п. 3,4.
Переключателем «S2» выберите следующий тип магнитного образца и повторите п. п. 2 - 4.
По полученным петлям гистерезиса определите величину коэрцитивной силы НС , индукцию насыщения Bs и остаточную индукцию Br исследуемого образца. Постройте частотные зависимости НС, Bs и Br. С помощью справочных таблиц параметров магнитных материалов определите тип исследованного материала.

Задание № 3. Определение температуры Кюри ферромагнитного образца.
Порядок выполнения задания
Переключатель «S1» переведите в положение «Внешняя цепь», резистор «R» установите в среднее положение, переключатель «S2» установите в положение «Т, 0С».
Добейтесь устойчивого изображения петли гистерезиса на экране осциллографа.
Включите термостат и, медленно увеличивая температуру нагрева с помощью регулятора температуры, зафиксируйте температуру, при которой петля гистерезиса схлопывается в прямую линию. Эта температура соответствует температуре Кюри.

Контрольные вопросы
Ферромагнетизм. Ферромагнетики.
Температура Кюри.
Магнитная анизотропия.
Магнитострикция.
Ферримагнетики.
Гистерезис процесса перемагничивания ферромагнетиков.
Магнитомягкие, магнитотвердые материалы.
Потери при перемагничивании.
Применение магнитных материалов.
Осциллографический метод исследования петли гистерезиса.
4.4. Исследование ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ
МАГНИТНЫХ ПЛЕНОК

Цель работы: исследование сквозной по толщине магнитной пленки доменной структуры магнитооптическим методом.
Приборы и принадлежности: поляризационный микроскоп, окуляр-микрометр, электромагниты, амперметр, генератор импульсов Г5-15, магнитные пленки.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
К настоящему времени в электронике сформировалось новое направление - функциональная магнитоэлектроника, в котором изучаются магнитоэлектронные эффекты и явления в магнитоупорядоченных средах, а также возможность создания приборов и устройств обработки и хранения информации с использованием динамических неоднородностей магнитоэлектронной природы [11,15,17]. В качестве таких неоднородностей успешно применяются магнитные домены, представляющие собой изолированные однородно намагниченные области в ферро- или ферримагнетиках. Детальное исследование доменов проводится, как правило, в ферродиэлектриках, синтезированных в виде тонких пленок, в которых возможно существование сквозных по толщине пленок доменов.
Основы теории доменной структуры
Если ферромагнетик не намагничен до насыщения, он разбивается на домены для уменьшения магнитостатической энергии. Процесс разбиения заканчивается тогда, когда выигрыш в магнитостатической энергии за счет образования более мелких доменов станет меньше энергии, необходимой для образования новых доменных границ. В тонких пленках (пластинах) ферромагнетиков с осью легкого намагничивания, перпендикулярной плоскости пленки, возможно существование сквозных по толщине магнитных доменов [11,17]. Минимуму энергии пленки в нулевом внешнем поле соответствует лабиринтная доменная структура (рис. 4.4.1, а) или структура в виде решетки цилиндрических магнитных доменов (ЦМД) (рис. 4.4.1, б).
Доменная теория основана на предположении, что намагниченность является однородной внутри домена, а ее направление изменяется только внутри стенки домена. Простейшая модель доменной структуры - изолированная граница между двумя однородно намагниченными доменами. В безграничность ферромагнетике энергия доменной границы минимальна, если граница параллельна оси легкого намагничивания и, следовательно, намагниченности в доменах, а внутри границы намагниченность параллельна ее поверхности. В этом случае магнитостатическая энергия равна нулю. При переходе от одного домена к другому направление намагниченности внутри границы изменяется вокруг оси, перпендикулярной плоскости границы. Доменные границы такого типа называют блоховскими. Очевидно, возможны два направления вращения намагниченности - две хиральности (рис. 4.4.2, а). Поворот намагниченности при переходе от одного домена к другому может происходить в плоскости, перпендикулярной плоскости границы. Такая граница, называемая неелевской, связана с возникновением на ней магнитных полюсов. В неелевской границе также возможны две хиральности (рис. 4.4.2, б).
Если намагниченность внутри доменов направлена по нормали к плоскости пленки, то размагничивающее поле имеет компонент, параллельный плоскости пленки, которая изменяется по ее толщине. Вблизи поверхности кристалла такая граница обладает неелевской структурой, а в центре пленки - блоховской. В доменной теории для плотности энергии (w и ширины (w, блоховской границы существуют следующие выражения:

(w = 4(АКu)1/2, (4.4.1)

(w = ( (А / Кu)1/2, (4.4.2)

а соответствующие значения для неелевской границы записываются как

(wN = 4(А(Кu + 2(Ms 2))1/2, (4.4.3)

(wN = ( (А / (Кu + 2(Мs 2))1/2, (4.4.4)

где А - константа обмена, Кu - константа одноосной анизотропии, Мs - намагниченность насыщения материала.
При сильной анизотропии магнитостатическая энергия мала по сравнению с энергией обменного взаимодействия. Это означает, что энергия границ с блоховской и неелевской структурами слабо отличается и поэтому в них существует большое число разных типов границ. В одной и той же границе могут быть участки с различным направлением разворота намагниченности. Они отделяются друг от друга линиями Блоха [11,17]. Блоховские линии являются также одним из типов динамических неоднородностей, и на их основе созданы приборы для обработки и хранения информации [15]. Ширина границ в магнитооптических кристаллах (w ~ 10 - 100 нм, что существенно меньше оптического разрешения микроскопа, и для изучения тонкой структуры границ используют косвенные методы [11].
Равновесные размеры любой доменной структуры можно определить, исходя из баланса эффективных полей или давлений, действующих на доменные границы. Результаты расчета с помощью теории полосовых доменов зависимостей l/h от Р0/h приведены на рис. 4.4.3 (где l - характеристическая длина; Р0 - равновесный период полосовых доменов; h - толщина кристалла).
Изолированный цилиндрический магнитный домен (ЦМД) [17] в однородном поле стабилен в определенном интервале поля, направленном противоположно намагниченности внутри ЦМД. При НСМ < Н2 (НСМ - поле смещения, Н2 - поле эллиптической неустойчивости) ЦМД переходит в полосовой домен. С точность до нескольких процентов выполняется соотношение

Н0 / 4(Мs = 1 + 3 l / 4h – (3 l / h)1/2, (4.4.5)

по которому можно рассчитать намагниченность материала. Здесь Н0 - поле коллапса ЦМД.
Наибольшее распространение в настоящее время получили магнитооптические методы, основанные на эффекте Фарадея: различные домены по-разному вращают плоскость поляризации линейно поляризованного света, проходящего через образец. Соответственно при наблюдении в поляризованном свете домены с разным направлением намагниченности будут выглядеть темными или светлыми. Именно этим методом получены фотографии, приведенные на рис. 4.4.1. Домены обычно имеют размеры 1 - 100 мкм, поэтому для измерений используют поляризационный микроскоп. Аналогично можно проводить наблюдения в отраженном свете, используя эффект Керра [11].
Для измерения размеров доменов в настоящей работе микроскоп снабжен окуляром-микрометром. На предметном столике микроскопа установлена система электромагнитов в виде соосных катушек (рис. 4.4.4) с исследуемым образцом 4 в центре. Электромагнит 1 с источником постоянного тока создает постоянное поле смещения НСМ, электромагнит 2 с генератором Г3 - 18 - переменное низкочастотное поле ННЧ, Электромагнит 3 с генератором Г5 - 15 - импульсное поле НИ. Все магнитные поля направлены вдоль светового луча 5 - 5 перпендикулярно плоскости образца 4. Переменное поле ННЧ служит для размагничивания кристалла и выстраивания полосовых доменов, импульсное поле - для разрыва полосовых доменов и образования решетки ЦМД. Для изучения структуры доменной границы используется наклонное освещение 6 - 6.
Структуру доменных границ изучают с помощью косвенных методов. Наиболее информативным и наглядным является их наблюдение с помощью поляризационного микроскопа в режиме темнопольной подвески. При этом луч подсветки падает на кристалл под верхним углом (луч 6 - 6 на рис. 4.4.4) и затем проходит мимо объектива, в котором видна дифракционная картина от неоднородностей кристалла. Такими неоднородностями с точки зрения магнитооптических эффектов являются доменные границы. При темнопольной подсветке кристалла получается изображение доменных границ с различной интенсивностью на разных участках границы.
Например, при наличии линий Блоха в границах происходит локальное уменьшение (увеличение) интенсивности изображения доменной границы.

Порядок выполнения работы

Задание № 1. Изучение процессов перемагничивания магнитного материала.
Порядок выполнения задания
Включите источники питания электромагнитов. Токи в электромагнитах установите равными нулю. Поместите магнитную пленку на предметный столик микроскопа и получите изображение доменной структуры.
Включите электромагнит НСМ и увеличивайте ток через него до исчезновения доменов. Измерьте поле ННАС (ток через электромагнит), считая его равным полю, когда исчезает доменная структура в поле зрения.
Медленно уменьшая поле НСМ (ток через электромагнит), зафиксируйте поле НСТ, при котором происходит зарождение доменов.
Измените полярность тока через электромагнит НСМ и повторите п.п. 2 - 3.
Сравните полученные значения ННАС, НСТ для доменов с различным направлением намагниченности (для темных и светлых доменов).

Задание № 2. Измерение параметров доменной структуры и расчет намагниченности материала.

Порядок выполнения задания
Включите ННЧ ~ 100 Э и медленно уменьшите его до нуля, размагнитив тем самым материал. Измерьте равновесный период полосовых доменов Р0 с помощью окуляра-микрометра.
Включите НИ и, увеличивая амплитуду импульсов поля, добейтесь зарождения ЦМД. Включив электромагнит НСМ, увеличивайте ток через него до исчезновения цилиндрических доменов. Измерьте поле коллапса ЦМД Н0 (ток через электромагнит), считая его равным полю, когда исчезает половина ЦМД, находящихся в поле зрения.
Повторите измерения Р0 и Н0 не меняя трех раз. С помощью калибровочного коэффициента электромагнита К = Н/I (где I и Н - соответственно ток и поле, создаваемое электромагнитом) рассчитайте величину Н0. С помощью измеренных величин Р0 и Н0 и известной h рассчитайте намагниченность магнитной пленки, используя результаты теории доменных структур (4.4.5).

Задание № 3. Наблюдение структуры доменных границ.

Порядок выполнения задания
1. С помощью призмы измените направление светового луча, проходящего через кристалл. Для этого держатель образца замените на держатель с призмой и закройте половину диафрагмы светонепроницаемым экраном. Из-за малой интенсивности дифракционной картины наблюдения необходимо проводить в темноте.
2. Получите изображение доменных границ. Включая различные источники магнитного поля, наблюдайте действие постоянного, переменного и импульсного полей на структуру границ.
3. Варьируя величину НИ, добейтесь появления блоховских линий в границах. Для измерения поля старта НСТ блоховских линий медленно увеличивайте поле НИ до тех пор, пока половина линий не будет передвигаться вдоль границ. Сравните величину НСТ с коэрцитивной силой кристалла.

Контрольные вопросы
Функциональная магнитоэлектроника.
Доменная структура.
Причины образования доменов в магнитном материале.
Блоховские, неелевские доменные границы.
Параметры доменных структур.
Домен как носитель информации.
Расчет намагниченности материала на основе результатов исследования доменных структур.
Магнитооптические методы исследования доменных структур.

4.5. ИССЛЕДОВАНИЕ параметров РЕЗИСТОРОВ

Цель работы: исследование термостабильности сопротивления резисторов и разброса параметров радиоэлементов в одной партии, изучение статических методов обработки опытных данных.
Приборы и принадлежности: мост сопротивлений измерительный, термостат, электронный термометр, набор резисторов.

Теоретическая часть
Резисторы - это пассивные компоненты электронной аппаратуры, с помощью которых осуществляется регулирование и распределение электрической энергии между цепями и элементами электрических схем.
Классификация резисторов
По функциональному признаку [6,7,8,9]резисторы делятся на:
постоянные, сопротивление которых остается неизменным,
переменные, сопротивление которых можно плавно менять в процессе эксплуатации или регулировки аппаратуры.
В зависимости от назначения постоянные резисторы подразделяются на две группы:
общего назначения (Rном = 1 Ом - 10 Мом, Рном = 0.062 - 100 Вт),
специального назначения:
высокоомные резисторы (Rном = 10 МОм - 100 ТОм, Uраб = 100 - 400 В),
высоковольтные (Rном = 1011 Ом, Uраб = 10 кВ),
высокочастотные,
прецизионные, характеризуемые повышенной точностью, высокой стабильностью (Rном = 0,1 Ом - 10 Мом, Рном = 2 Вт.)
Переменные резисторы подразделяются на:
подстрочные,
регулировочные.
Подстрочные резисторы рассчитаны на проведение подстройки электрических режимов и имеют небольшую износоустойчивость (до 1000 циклов перемещения подвижной части), а регулировочные - для проведения многократных регулировок. Они отличаются большей износоустойчивостью (более 5000 циклов) и в зависимости от характера изменения их сопротивлений при перемещении подвижной части делятся на резисторы с линейной и нелинейной функциональными характеристиками (рис. 4.5.1, а - линейная (А), логарифмическая (Б ), антилогарифмическая (В); б - характеристики типа И, Е; (n и ( - полный и текущий углы поворота подвижной части; RП и R - полное и текущее значения сопротивления).
Проводящий элемент резистора выполняют в виде пленки, осажденной на поверхность изоляционного основания, проволоки или микропроволоки, объемной конструкции (рис. 4.5.2).
Основанием для тонкослойного или пленочного резистора служит керамический стержень или трубка (1), на поверхность которого нанесен тонкий слой проводящего материала (2). Для подключения резистора к схеме на стержень напрессовывают два металлических колпачка (3), выводы (4) которых могут быть припаяны к аппаратуре. Для защиты токопроводящего слоя от воздействия влаги и механических повреждений резистор покрывают слоем эмали (5).
В зависимости от материала, использованного для создания проводящего элемента, резисторы подразделяются на:
непроволочные,
проволочные,
металлофольговые, проводящий элемент которых, выполнен из фольги, нанесенный на непроводящие основания.
Непроволочные резисторы можно подразделить на следующие группы:
углеродистые и бороуглеродистые (проводящий элемент - пленка пиролитического углерода или его соединений, осажденная на непроводящее основание);
металлодиэлектрические, металлопленочные или металлооксидные (проводящий элемент - микрокомпозиционный слой из диэлектрика и металла или пленки из металла, оксида металла или его сплавов;
композиционные (проводящий элемент - гетерогенная система из нескольких компонентов, один из которых проводящий, например, графит или сажа);
полупроводниковые (проводящий элемент выполнен из полупроводникового материала).
Непроволочные резисторы бывают:
постоянные,
переменные.
Непроволочные постоянные резисторы по сравнению с проволочными менее стабильны и имеют большие шумы, не обладают идеальной вольтамперной характеристикой. Однако они имеют меньшие габариты, их сопротивление менее зависит от частоты, они значительно дешевле. По назначению подразделяют на резисторы широкого применения и специальные.
Непроволочные постоянные резисторы можно подразделить на следующие группы:
( тонкослойные резисторы (резисторы группы С1 и С2). У резисторов группы С1 токопроводящий слой - пленка пиролитического углерода, полученная разложением углеводородов в вакууме или в среде инертного газа при высокой температуре. У резисторов группы С2 токопроводящий слой - тонкая пленка сплава металлов или оксида металла.. Большая теплостойкость металла и его сплавов позволяет изготовлять резисторы группы С2 со значительно меньшими габаритами, чем С1 при равной мощности рассеяния. Резисторы типа С2 обладают большей стабильностью при циклическом воздействии температуры, механических перегрузок, и абсолютное значение температурного коэффициента сопротивления у резисторов типа С2 несколько меньше, чем у резисторов типа С1. Большинство резисторов широкого применения - это резисторы групп С1 и С2.
( композиционные резисторы (резисторы группы СЗ и С4). Материал токопроводящего слоя в таких резисторах получают смешиванием проводящего компонента (графита или сажи) с органическими или неорганическими связующими компонентами, наполнителем, пластификатором и отвердителем. Полученную композицию наносят в виде пленки на поверхность изоляционного основания (резисторы СЗ) или спрессовывают в виде объемного цилиндра или параллелепипеда (резисторы С4). Композиционные материалы имеют широкий диапазон удельных сопротивлений, что позволяет получить на их основе резисторы с сопротивлениями от долей Ом до нескольких ТОм. Недостатком композиционных резисторов является большая, чем у резисторов групп С1 и С2, зависимость значения сопротивления от приложенного напряжения. Кроме того, они имеют большую ЭДС шумов. Композиционные резисторы используют в качестве резисторов широкого применения и специальных резисторов.
( высокомегаомные резисторы - резисторы, имеющие сопротивление R = 107 - 1012 Ом. Обычно в качестве высокомегаомных используют резисторы группы СЗ (СЗ - 10, СЗ - 13, СЗ - 14 и др.). Их применяют в специальных физических приборах, и в измерительной технике.
( прецизионные резисторы,
( высокочастотные резисторы,
( высоковольтные резисторы.
Непроволочные переменные резисторы по конструкции токонесущего слоя можно подразделить на:
тонкослойные металлические или металлооксидные (СП2),
пленочные композиционные (СПЗ),
объемные композиционные (СП4).
По конструкции выводов переменные резисторы подразделяются на: резисторы, используемые при объемном и при печатном монтаже.
Проволочные резисторы бывают:
постоянные,
переменные.
Для проволочных постоянных резисторов используют провода из специальных сплавов, имеющих высокое удельное сопротивление, хорошую теплостойкость, малый температурный коэффициент сопротивления (например, манганин, константан, сплав Х15Н60, сплав Х20Н80 и др.). Проволочные резисторы могут иметь практически любое сопротивление в диапазоне R = 0,001 Ом - 10 кОм, большую допустимую мощность рассеяния при относительно небольших размерах, высокую точность и хорошую температурную зависимость. Так как резисторы изготавливают намоткой провода на каркас, то они имеют большую индуктивность и собственную емкость. Для уменьшения индуктивности используют бифилярную обмотку (обмотка выполняется сдвоенным проводом, благодаря чему поля расположенных рядом витков направлены навстречу друг другу и вычитаются). Недостаток бифилярной обмотки – большая собственная емкость. Для получения малой индуктивности и емкости резисторов можно применять разбивку обмотки на секции, меняя по очереди направления намотки в них на противоположные. Проволочные резисторы значительно дороже тонкопленочных и применяют их в тех случаях, когда характеристики тонкопленочных резисторов не удовлетворяют предъявленным требованиям.
Проволочные переменные резисторы по конструкции можно подразделить на:
однооборотные, с круговым перемещением подвижного контакта;
многооборотные, с круговым перемещением подвижного контакта;
многооборотные, с прямолинейным перемещением подвижного контакта.
В зависимости от размера и теплостойкости используемых материалов допустимая мощность рассеяния для проволочных переменных резисторов составляет от единиц до нескольких десятков ватт. Многооборотные резисторы могут иметь разную конструкцию выходных контактов: для печатного или навесного монтажа. У проволочных и металлофольговых резисторов в качестве материала проводящего элемента используют манганин и нихром.
По конструктивному исполнению резисторы изготовляют в нормальном и тропическом (все климатическом) вариантах и выполняют неизолированными (касание токоведущих частей не допускается), изолированными (касание токоведущих частей допускается), герметизированными, в том числе и вакуумными (герметично изолированными от окружающей среды).

Параметры резисторов[6,7,9,8]
У любого резистора есть тепловые шумы. Они появляются вследствие тепловых движений носителей зарядов (электронов) внутри твердого тела. Их среднюю мощность определяют по формуле:
РШ = 4КТ
·f, (4.5.1)

где К - постоянная Больцмана, К = 1,38 10-23 Дж/К; Т - абсолютная температура;
·f = f2 - f1 – полоса частот, в которой измеряется мощность.
Напряжение тепловых шумов имеет случайный характер. Кроме того, резистор имеет токовые шумы, возникающие при приложении к нему электрического напряжения. Действующее значение напряжения этих шумов находят из уравнения:

UШ ( K1U 13 EMBED Equation.3 1415, (4.5.2)

где К1 - постоянный для данного резистора параметр; U – постоянное напряжение на резисторе; f2 и f1 - высшая и низшая частоты, в полосе которых определяется шум.
Уровень токовых шумов оценивают отношением действующего значения переменной составляющей напряжения на резисторе, измеренной в полосе частот
·f = f2 - f1 , к постоянному напряжению на нем U:

D = UШ/U. (4.5.3)

Основная причина появления этого шума - временное изменение объемной концентрации электронов и изменение контактных сопротивлений между зернами проводника, имеющего зернистую структуру.
Значения шумов у непроволочных резисторов находятся в пределах 1 мкВ/В - 5 мкВ/В. У регулируемых резисторов этот показатель значительно выше и достигает 50 мкВ/В. Приведенные значения обычно задаются для полосы частот от f1 = 60 Гц до f2= 6 кГц.
В эквивалентную схему резистора (рис.4.5.3) кроме сопротивления R входят конденсатор С и индуктивность L . Это обусловлено тем, что любой реальной резистор, даже выполненный в виде прямоугольного бруска, имеет определенную индуктивность. Емкость появляется между участками резистора, а также между резистором и близлежащими элементами. Индуктивность и емкость имеют распределенный характер. Однако для упрощения это обычно не учитывают и используют одну из эквивалентных схем, показанных на рис. 4.5.3.
Наличие индуктивности и емкости приводит как к появлению реактивной составляющей, так и к некоторому изменению эквивалентного значения активной составляющей. Кроме того, в проволочных резисторах из-за проявления поверхностного эффекта сопротивление изменяется при повышении частоты [10]. Это существенно проявляется на частоте в несколько МГц. Но в точных устройствах поверхностный эффект следует учитывать на частоте в несколько кГц. (Пример, сопротивление медного провода диаметром 1 мм при f = 10 кГц увеличивается на 0,01%).
Относительная частотная погрешность ( резистора

( = 13 EMBED Equation.3 1415% , (4.5.4)

где Z - полное сопротивление резистора на интересующей частоте f.
При длительной эксплуатации происходит старение резисторов и их сопротивление изменяется. Так, например, у резисторов типа С2-6 сопротивление может изменяться до ( 20% после 15 000 ч работы. У некоторых типов резисторов после их выдержки в течение нескольких часов при повышенной температуре сопротивление не возвращается к начальному значению.
Значение сопротивления некоторых типов резисторов может меняться в зависимости от приложенного напряжения. Причиной этого является зависимость концентрации носителей тока и их подвижности от напряженности электрического поля. Учитывают это явление с помощью коэффициента напряжения

КU = 13 EMBED Equation.3 1415% , (4.5.5)

где R1 и R2 - сопротивления, измеренные при напряжениях, соответствующих 10% -ной и 100% -ной номинальной мощности рассеяния резистора. Значение КU может достигать единиц десятков процентов.
Надежность резистора существенно зависит также от температуры окружающей среды. Изменение сопротивления резистора при изменении температуры, характеризуется температурным коэффициентом сопротивления ТКR:
13 EMBED Equation.3 1415, (4.5.6)

где Т1,Т2 - температурный диапазон работы резистора, R1 - сопротивление резистора при температуре Т1, R2 - сопротивление резистора при температуре Т2.
Среди рассмотренных выше параметров можно выделить основные, которые указываются в справочных данных на резисторы, таковыми являются:
Номинальные сопротивления - ГОСТ 2825-67.
Допускаемые отклонения сопротивлений от номинальных величин.
Номинальные мощности рассеивания Р (максимальная мощность, которую резистор может рассеивать без изменения своих параметров свыше значений, указанных в технической документации, при непрерывной электрической нагрузке и определенной температуре окружающей среды).
Предельное рабочее напряжение U (напряжение, которое может быть приложено к резистору без нарушения его работоспособности).
Температурный коэффициент сопротивления ТКR.
Уровень собственных шумов D.
Максимальная температура окружающей среды для номинальной мощности рассеивания.
Коэффициент напряжения КU.
Влагоустойчивость и термостойкость.

Условные обозначения и маркировка резисторов
Система условных обозначений предусматривает как полные, так и сокращенные условные обозначения [6,9].
Полное обозначение обычно используется в технической документации, например, Р1 - 33И - 0,25 Вт - 100 кОм ( 2% А. 0.467.027 ТУ. Оно состоит из сокращенного обозначения (Р1-– 33И), обозначений и величин основных параметров и характеристик (0,25 Вт - 100 кОм ( 2%), группы по уровню шумов (А), обозначений документа на поставку (0.467.027 ТУ).
Сокращенное условное обозначение состоит из трех элементов: первый - буква или сочетание букв, обозначающих подкласс резистора; второй элемент указывает на вид резистивного элемента и третий - порядковый номер разработки и конструктивное исполнение резистора (табл. 4.5.1).
Маркировка резисторов содержит полное или кодированное обозначение номинальных сопротивлений и их допускаемых отклонений. Полное обозначение состоит из значения номинального сопротивления и обозначения единицы измерения (Ом - ом, кОм - килоом, МОм - мегаом; ГОм - гигаом, ТОм - тераом). Например, 363 Ом, 100 кОм; 4,7 МОм; 3,3 ГОм; 1ТОм. Кодированное обозначение состоит из трех или четырех знаков, включающих две или три цифры и букву. Буква обозначает множитель, на который умножается цифровое обозначение. Буквы R, K, M, G, T соответствуют множителям 1, 103, 106, 109, 1012. Например, 0,1 Ом - R1. Буквенные и цифровые коды, используемые для маркировки резисторов, могут показывать марку материала, из которого изготавливается корпус резистора и его токопроводящий слой; обозначать конструктивное исполнение и конструктивные особенности, значение сопротивления и максимально возможные отклонения от наминала, номинальную мощность рассеяния; максимальное значение ЭДС шумов, дату изготовления резистора (табл. 4.5.2).

Таблица 4.5.1. Система условных обозначений резисторов
Элементы обозначений
Примеры обозначений

первый
второй
третий


Р – резисторы постоянные
РП – резисторы переменные
1 – непроволочные
Порядковый номер разработки
Р1-4 – постоянный непроволочный резистор с порядковым номером разработки 4

ТР – терморезисторы
Полупроводниковые материалы не обозначаются
Порядковый номер разработки
ТР-4 – терморезистор с отрицательным ТКR с порядковым номером разработки 4

ВР – варисторы постоянные

То же
То же
ВР-4 – варистор постоянный с порядковым номером разработки 4.


Система ранее использованных условных обозначений
Элементы обозначений
Примеры обозначений

первый
второй
третий


С – резисторы постоянные

СП – резисторы переменные

СПО – резистор переменный
1 – пленочные углеро-
дистые или бороуглеродистые резисторы
2 – металлопленочный
резистор или металло- оксидный;
3 – пленочный резистор композиционный;
4 – объемный резистор
5 – проволочный резистор
Порядковый номер конструктивного исполнения разработки резистора
С2-1 – постоянный непроволочный металлопленочный резистор с порядковым номером разработки 10 (прецизионный)

СТ- термо-резисторы
Материал этих резисторов не указывается, но дается порядковый номер разработки
-
СТ3 – постоянный непроволочный терморезистор с порядковым номером разработки 3

СФ- фоторезистор
То же
-
СФ2 – постоянный непроволочный фоторезистор с порядковым номером разработки 2

1 - варисторы

-
СН1-2 – варистор с порядковым номером конструктивной разработки 2


Постоянные резисторы, изготавливаемые на основе угольной или металлооксидной пленки малогабаритного исполнения, могут иметь цветовую кодовую маркировку обозначения их номинального сопротивления и предельно допускаемого отклонения (табл. 4.5.3) Такая маркировка [9] наносится на поверхность резистора в виде концентрических поясов (колец) краской различного цвета, число и размеры которых обозначают определенные цифры, соответствующие значениям кодируемых величин. Первые два цвета на поясах показывают две значащие цифры сопротивления резистора, выраженного в омах в полном соответствии с установленными параметрическими рядами. Третий цветной пояс означает степень при множителе 10, четвертый цветной пояс определяет величину допускаемого отклонения от номинального значения сопротивления резистора. При маркировке высокоточных резисторов наносится пять цветных колец, что позволяет обозначить три значащие цифры сопротивления резистора.

Таблица 4.5.2. Примеры полной буквенно-цифровой маркировки резисторов с помощью буквенно-цифрового кода
Обозначение на резисторе
Характеристика резистора

1.5 Ом (1% 98
1Е5 (1%98
1R5P98
Три вида маркировки постоянного резистора.


Номинальное сопротивление резистора равно 1.5 Ом.


Допускаемое отклонение от номинального значения
сопротивления равно ( 1%


Дата изготовления - 1998 год.



CП-1 680 В 5–99
В – 0.5 Вт
Резистор переменный экранированный


Максимальное сопротивление резистора равно 680 Ом


Допускаемое отклонение от номинального значения сопротивления равно ( 20%


Дата изготовления - май 1999 год.


Резистор имеет обратно-логарифмическую характеристику функциональной зависимости изменения сопротивления (В)


Номинальная мощность резистора 0.5 Вт.


Таблица 4.5.3. Маркировка цветовым кодом значений номинальных сопротивлений и допускаемых отклонений
Цвет полосы
на корпусе резистора
1-я и 2-я цифры, Ом
3-я цифра (множи-тель)
Допуск. отклоне-ние, 13 EMBED Equation.3 1415,%
ТКР,
10-6/ 0С, 13 EMBED Equation.3 1415


13 EMBED PBrush 1415

Серебряный
Золотой
Черный
Коричневый
Красный
Оранжевый
Желтый
Зеленый
Голубой
Фиолетовый
Серый
Белый
Без окраски
-
-
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
-
10-2
10-1
1
10
102
103
104
105
106
107
108
109
-
10
5
-
1
2
-
-
0,5
0,25
0,1
-
-
20
-
-
250
100
50
15
25
20
10
5
1
-
-


В лабораторной работе для исследования параметров резисторов используется измерительная установка, в которой применена схема несбалансированного моста (рис. 4.5.4). О величине измеряемого сопротивления судят по степени разбаланса, то есть по величине тока в диагонали моста IД. Измеряемое сопротивление RХ является одним из плеч мостовой схемы: R1, R4, RХ, R5. Величины этих сопротивлений подобраны таким образом, что при соответствии сопротивления RХ номиналу мост сбалансирован и ток в диагонали IД равен нулю. При отклонении RХ от номинала, ток в диагонали IД становится отличным от нуля и стрелка прибора отклоняется.
В работе исследуется набор из 40 резисторов - 4 ряда по 10 резисторов. Выбор резистора в ряде осуществляется переключателем «Г1», ряда резистора - переключателем «Г2» на передней панели измерительного моста. Все резисторы одного номинала и взяты из одной партии. Это позволяет получить наглядное представление о разбросе параметров реальных радиокомпонентов.
Результаты измерений физической величины носят случайный характер и зависят от многих факторов, влияние которых учесть заранее невозможно. Если число измерений одного и того же параметра (например, сопротивления резисторов одного наминала и из одной партии) достаточно велико, то в значениях, принимаемых случайной величиной, обнаруживаются некоторые закономерности.
Пусть в n опытах измеряемая величина приняла m раз некоторое значение х, тогда для этого значения отношение

Р* = m/n, (4.5.7)
будет частотой события.
Сумма произведений всех значений случайной величины на их частоту называется средним арифметическим значением случайной величины:

( х ( = 13 EMBED Equation.3 1415 (4.5.8)

При небольшом числе измерений частота событий в значительной мере имеет случайный характер и может заметно изменяться от одной группы опытов к другой. Однако при увеличении числа измерений она теряет свой случайный характер и приближается к некоторой случайной величине Р - статической вероятности события:
P = 13 EMBED Equation.3 1415. (4.5.9)

Отклонение случайной величины от ее среднего значения характеризуется дисперсией, которая для опытных данных определяется формулой

D = 13 EMBED Equation.3 1415( х()2Pi. (4.5.10)

Для того чтобы оценить рассеяние случайной величины в единицах той же размерности, вводят понятие среднего квадратичного отклонения:

( = 13 EMBED Equation.3 1415. (4.5.11)

Соотношение, устанавливающее связь между возможными значениями величины и соответствующими им вероятностями, есть закон распределения случайной величины, который может быть задан в разных формах:
ряд распределения (для дискретных величин);
функция распределения;
кривая распределения (для непрерывных величин).
Существует множество законов распределения случайных величин. Наиболее распространенным и общим является нормальный закон распределения, для которого среднее арифметическое значение случайной величины является наиболее вероятным (рис. 4.5.5).
Кривая, характеризующая закон распределения, симметрична относительно прямой х = (х(, так как отклонения случайной величины вправо и влево от (х( являются равновероятными. Форма кривой распределения зависит от величины среднего квадратичного отклонения (рис. 4.5.5). Максимальное значение функции распределения вероятности при х = ( х ( принимает вид


fmax = f(( х () = 13 EMBED Equation.3 1415. (4.5.12)

Совокупность всех значений случайной величины называется простым статистическим рядом. Так как простой статистический ряд оказывается большим, его преобразуют в статистический ряд. Для этого весь диапазон изменения случайной величины делят на несколько равных интервалов и для каждого подсчитывают число mi значений случайной величины, попавших в данный интервал. Затем вычисляют частоту случайной величины Рi* для каждого интервала
·хi и среднее значение случайной величины в каждом интервале ( хi (.
По статистическому ряду строят гистограмму, для чего по оси абсцисс откладывают интервалы, являющиеся основаниями прямоугольников, высоты которых равны Рi*/
·хi (рис. 4.5.6).
Когда случайная величина распределена по нормальному закону, для построения кривой распределения находят значения функции распределения вероятностей при х =(хi(:

f(( хi () = 13 EMBED Equation.3 1415ехр[-13 EMBED Equation.3 1415]. (4.5.13)

Эту функцию можно представить в виде

f(( хi () = 13 EMBED Equation.3 1415, где zi = |( хi ( - ( х (|/
·. (4.5.14)

Значения функции f0(zi) приведены в табл. 3 Приложения, расположенном на рабочем столе.
В данной лабораторной работе случайной величиной является активное сопротивление резисторов. Технология изготовления этих резисторов такова, что отклонение их сопротивлений в большую или меньшую сторону от среднего значения равновероятны. Можно предположить, что сопротивления резисторов, взятых из одной партии, распределены по нормальному закону.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание № 1. Определение температурного коэффициента сопротивлений исследуемых резисторов.
Порядок выполнения задания
Подготовьте измерительный мост для проведения измерений. Для этого включите питание моста тумблером «Т1», установите ручку переключателя «Г2» положение «1».
С помощью галетного переключателя «Г1» подключите первый резистор первого ряда, установив ручку в положение «1». Нажмите кнопку «SB1» на измерительном приборе и по стрелке индикатора определите величину отклонения резистора от номинала в процентах. Аналогично определите величину отклонения сопротивлений остальных девяти резисторов первого ряда. Результаты измерений занесите в табл. 4.5.4.
Поочередно определите величину отклонения сопротивлений остальных резисторов второго-четвертого рядов аналогично п. п. 1-2.
Зная номинальное сопротивление резисторов (Rном = 100 Ом) и процентное отклонение от номинала, определите действительную величину сопротивления резистора RД. Полученные данные занесите в табл. 4.5.4.
Включите термостат. Ручкой регулировки температуры термостата установите температуру Т = 60 °С (или другую, указанную преподавателем).
Проведите повторные измерения по п. 2 - 5 при Т = 60 °С, результаты занесите в табл. 4.5.4.
По формуле (4.5.6) вычислите величину температурного коэффициента сопротивления ТКR для каждого из 40 резисторов, результаты занесите в табл. 4.5.4.
Таблица 4.5.4. Экспериментальные данные
Результаты измерений


п/п
T1 = Т КОМ
T2 = 60°С
TKR, °С –1


Отклонение, %
RД, Ом
Отклонение, %
RД, Ом










Задание № 2. Определение разброса параметров резисторов.

Порядок выполнения задания
По полученным данным (табл. 4.5.4, простой статистический ряд) составьте статистический ряд для действительных значений сопротивлений резисторов RД при комнатной температуре либо другой температуре (по указанию преподавателя). Для этого:
поделите диапазон полученных значений RД, (хi) на 7 - 9 равных интервалов с границами хi min и хi max;
для каждого интервала определите (хi( = (хi max + хi min)/2;
подсчитайте число значений сопротивлений mi, попавших в каждый интервал;
определите частоты Р*i (формула 4.5.7, где n = 40), соответствующие каждому интервалу.
Вычислите значения Рi*/
·хi для каждого интервала и постройте гистограмму.
Рассчитайте среднее арифметическое значение (х( (4.5.8), дисперсию D (4.5.10) и среднее квадратичное отклонение( (4.5.11) случайных величин хi.
Вычислите функцию распределения вероятностей (формулы (4.5.13), (4.5.14), табл. 3 Приложения).
По полученным данным постройте график функции y = f((хi() в одной системе координат с гистограммой. Максимум кривой y = f((хi() соответствует значению хi = (х(. Для нахождения ординаты этой точки следует определить по табл. 3 Приложения f0(zi) при хi = ( х (., то есть f0(0), и вычислите f0(0).
Результаты измерений и вычислений занесите в табл. 4.5.5.
Результаты измерений запишите в виде х = ( х ( ±
·х. Интервал
·х укажите с доверительной вероятностью
·1 = 0,68,
·2 = 0,95 и
·3 = 0,99 (см. табл. 1 Приложения).

Таблица 4.5.5. Экспериментальные данные
xi max
xi min
,
Ом
Р*i
Р*i/
·xi,
Ом
( - (,
Ом
zi, Ом
f0(( zi ()
f(( хi (),
См












Контрольные вопросы
Классификация резисторов по назначению.
Виды переменных резисторов их функциональные характеристики.
Классификация резисторов по материалу проводящего элемента.
Классификация проволочных резисторов.
Классификация непроволочных резисторов.
Виды резистивных шумов, причины их возникновения.
Эквивалентная схема резистора.
Поверхностные эффекты, влияние их на параметры резисторов. Старение резисторов.
Зависимость сопротивления резисторов от температуры и напряжения.
Условные обозначения резисторов.
Маркировка резисторов.
Принцип работы измерительной установки.
Статистическая вероятность события.
Математическое ожидание, дисперсия случайной величины.
Способы задания закона распределения случайной величины.
Особенности нормального закона распределения случайной величины.
Зависимость кривой распределения от дисперсии случайной величины.


4.6. ИССЛЕДОВАНИЕ ВАРИСТОРОВ И ТЕРМОРЕЗИСТОРОВ

Цель работы: изучение структуры и принцип работы резистивных преобразователей на примере терморезистора и варистора, исследование их температурных вольтамперных характеристик.
Приборы и принадлежности: лабораторный стенд, термостат, термометр, набор терморезисторов и варисторов.

Теоретическая часть
Преобразователи, в которых входная неэлектрическая величина преобразуется в изменение электрического активного сопротивления, называются резистивными преобразователями. Резистивные преобразователи могут выполняться из металлов, композиционных и полупроводниковых материалов. Входные параметры резистивных преобразователей - перемещение, скорость, ускорение, деформация, давление, температура, световой поток, магнитная индукция. В зависимости от того, какая из величин вызывает изменения сопротивления, различают: термо-, тензо-, фото-, магниторезисторы и т.д [5,6].
Большой класс резистивных преобразователей составляют полупроводниковые элементы[5,6], преимуществом которых является высокая чувствительность, возможность миниатюризации, малая масса. В качестве материалов для полупроводниковых преобразователей используют кремний, германий, карбид кремния, арсенид калия.
За основную характеристику полупроводникового преобразователя принимают зависимость сопротивления от некой физической величины, например: температуры, давления, напряжения, светового потока и магнитной индукции, которые являются характеристиками: терморезистора ((Т), тензорезистора ((Р), варистора (((), фоторезистора R(Ф), магниторезистора ((В) (табл. 4.6.1).
Среди полупроводниковых резистивных преобразователей [5,6,7] можно выделить:
Тензорезисторы - преобразователи, используемые для измерения сил, давлений, механических напряжений. Принцип действия тензорезисторов основан на явлении тензоэффекта, состоящего в изменении активного сопротивления проводника или полупроводника при их механической деформации.
Магниторезисторы, принцип действия которых основан на изменении электрического сопротивления полупроводника при внесении его в магнитное поле. Регулируя напряженность магнитного поля или перемещая магниторезистор в поле постоянного магнита (электромагнита), можно изменять сопротивление или другие характеристики резистора (напряжение, ток).
Близкими по своим характеристикам к магниторезисторам являются преобразователи Холла (Холлотроны). Они выполняются в виде прямоугольных полупроводниковых пластин с двумя парами выводов 1-1 и 2-2 (табл. 4.6.1). Пластину перпендикулярно ее плоскости пронизывает магнитный поток с индукцией В. Если через пластинку в направлении выводов 1-1 пропустить ток (1, то на выводах появится ЭДС (Е2 , а при замыкании на нагрузку потечет ток (2. (Е2 = к0 В(1, где к0 - коэффициент пропорциональности.)
В качестве полупроводниковых резистивных преобразователей применяются также диоды, транзисторы.
Терморезисторы. Статической характеристикой терморезистивного преобразователя является зависимость ((Т). Для металлов и многих сплавов эта зависимость может быть представлена в виде:

( = (0(1 + (Т + (Т2), (4.6.1)

где ( и ( - температурные коэффициенты, Т - температура.
В ограниченном диапазоне температура зависимость ((Т) - линейна. Терморезисторы, изготовленные из меди, никеля, платины обладают линейной температурной зависимостью сопротивления.
В полупроводниковых терморезисторах характеристика ((Т) имеет нелинейный характер и достаточно точно описывается соотношением:

((Т) = (1(Т0) ехр(13 EMBED Equation.3 1415), (4.6.2)

где (1(Т0) - номинальное значение сопротивления при температуре Т0, Т - температура, В - коэффициент, постоянный для данного терморезистора.
При прохождении электрического тока в терморезисторе выделяется теплота и он нагревается. Это приводит к изменению сопротивления (рис. 4.6.1, а). Вследствие нелинейности ((Т) вольтамперная характеристика терморезистора будет также нелинейной (рис. 4.6.1, б). В некоторых случаях сопротивление терморезистора меняется за счет его нагрева от специального подогревателя, электрически изолированного от терморезистора. Такие терморезисторы называются подогревными или терморезисторами с косвенным подогревом. Основное применение терморезисторов - параметрическая термостабилизация электронных цепей, компенсация температурных погрешностей, измерение температуры.


Таблица 4.6.1. Классификационная схема нелинейных резисторов

13 EMBED PBrush 1415
Полупроводниковые терморезисторы выполняются в различных конструктивных вариантах, но чаще всего в виде стержневых и каплевидных элементов. Они покрываются эмалевой краской или заключаются в стеклянные или металлические герметизированные капсулы. Терморезисторы в стеклянных или металлических капсулах могут применяться для измерения температуры в различных средах. Терморезисторы могут выполняться и в миниатюрном исполнении, что позволяет применять их для измерения температуры малых объектов, а также быстроизменяющейся температуры.
В настоящее время разработаны полупроводниковые терморезисторы для измерения температуры в диапазонах: от -60 до +125 0С, от -60 до +300 0С, от -110 до -220 0С, от 600 до 1000 0С. Погрешность измерения температуры достигает 0,01 0С. Промышленностью выпускаются терморезисторы типов СТ1-21, СТ3-21, СТ1-27, СТ3-27, СТ3-31.
5. Нелинейный резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения, называется варистором. Варисторы изготавливаются из высоко линейных материалов на основе порошкообразного карбида кремния, а иногда из окислов цинка. Кремниевые варисторы прессуют из зерен карбида кремния и связующих веществ (глины, жидкого стекла) от 10 до 40% от общей массы. Затем подвергают термической обработке, снабжаются электродами и герметизируются. Нелинейность появляется из-за явлений, наблюдаемых на поверхностях зерен кристалла, из которого спрессован варистор.
Варисторы выпускаются в виде дисков диаметром несколько миллиметров или сантиметров, или в виде шайб, набираемых в столбики, и в виде стерженьков. Соединение шайб может быть как последовательным, так и параллельным.
Варисторы безинерционны (на частотах до 100 кГц) и имеют симметричные ветви вольтамперной характеристики (рис. 4.6.2), устойчивы к вибрациям, могут работать при температуре -50 - +80 0С, в зависимости от исполнения защитной оболочки способны выдерживать повышенное значение влажности воздуха.
Вольтамперная характеристика варистора описывается с помощью уравнения:

( = U/( ехр((13 EMBED Equation.3 1415), (4.6.3)

где ( - постоянная нелинейности, R0 - начальное статическое сопротивление, измеренное при малой напряженности поля, значение которого зависит от температуры.
Варисторы можно характеризовать следующими параметрами:
Величиной сопротивления ( или проводимости ( при данном значении приложенного напряжения и дифференциальным сопротивлением (ДИФ или проводимостью ( при том же напряжении.
Номинальным напряжение (НОМ - напряжением, при превышении которого на 20 % не наблюдается заметного разогрева ((НОМ = 3 - 2000 В).
Номинальным током (НОМ., протекающим при (НОМ ((НОМ = 0,1 - 1000 мА).
Коэффициентом нелинейности (:

( = R/(ДИФ , (4.6.4)

где ( - статическое сопротивление, ( = (НОМ./(НОМ, (ДИФ - дифференциальное сопротивление, (ДИФ = ((/((.
Для резисторов с любой линейной характеристикой ( = 1. Для нелинейных резисторов ( = 2 - 7.
Мощностью рассеяния Р = 0,1 - 100 Вт.
Существуют варисторы, вольтамперная характеристика которых содержит участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис.4.6.2). Варисторы с такими характеристиками называют негисторами.
Варисторы применяются в качестве управляемых сопротивлений в автоматике, для стабилизации напряжения, искрогашения, а также в качестве чувствительных элементов в реле, системах сигнализации.
6. Разновидностей варисторов и терморезисторов является позистор - терморезистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления ТК( = 0,6 0С-1 (табл. 4.6.1). Из характеристики позистора ((Т) видно, что при Т ( ТА позистор подобен терморезистору. В областях температур ТА(Т(ТВ позистор имеет ТК( ( 0 и сопротивление его возрастает в несколько тысяч раз. Ширина области положительного ТК( составляет, в зависимости от типа позистора ТВ - ТА = 50 - 100 0С.
Вид вольт - амперной характеристики ((() позистора зависит от температуры. Нелинейность характеристики ((() обуславливает зависимость сопротивления от напряжения (табл. 4.6.1), т.е. позистор в определенных условиях может выполнять функции варистора.
Позисторы изготавливаются из титанобариевой керамики (ВаТ(О5) с примесями редкоземельных элементов. Позистор применяется в качестве чувствительных элементов в реле, системах сигнализации.
В лабораторной работе для исследования параметров нелинейных резисторов используется лабораторный стенд, схема которого представлена на рис. 4.6.3. Лабораторный стенд работает в двух режимах: режим измерения сопротивления - режим «1», режим снятия вольтамперной характеристики резисторов - режим «2». Выбор режимов работы осуществляется с помощью переключателя «S1». Для измерения сопротивления используется мостовая схема, собранная на четырех резисторах R3, R4, R5, RХ, сопротивления трех из них известно, сопротивление RX подлежит измерению (рис. 4.6.3). В диагональ моста включен омметр. Переменным резистором R2 при коротком замыкании выводов «XL1» и «XL2» осуществляется балансировка измерительного моста (выравнивание напряжений между точками А и В и стрелка омметра устанавливается но ноль прибора). В режиме «2» лабораторный стенд позволяет исследовать вольтамперные характеристики резисторов стандартным методом: изменяя напряжение питания, фиксируется ток в цепи резистора (рис.4.6.3).

Порядок выполнения работы

Задание № 1. Исследование температурной зависимости сопротивления терморезистора R = f(T).

Порядок выполнения задания
Включите лабораторный стенд. Для этого переключатель «S2» переведите в положение «Вкл.» (должна загореться лампочка индикации).
Переведите переключатель «S1» в положение «1».
Накоротко замкните выводы «XL1» и «XL2» и переменным резистором R2 установите нуль омметра.
Поместите исследуемый терморезистор в термостат и подключите его выводы к зажимам «XL1» и «XL2».
По показаниям омметра определите сопротивление терморезистора, полученные данные занесите в табл. 4.6.2.
Задавая температуру нагрева ручкой термостабилизатора в диапазоне, указанном преподавателем, определите значения сопротивления терморезистора через равные промежутки температуры. Полученные данные занесите в табл. 4.6.2.
По полученным данным постройте график зависимости R = f(t) и определите температурный коэффициент сопротивления терморезистора TKR (4.5.6). Результаты измерений занесите в табл. 4.6.2.

Таблица 4.6.2. Экспериментальные данные
Т, 0С







R, Ом







TKR, °С -1





Задание № 2. Исследование вольтамперной характеристики терморезистора и варистора.

Порядок выполнения задания
Переключатель «S1» переведите в положение «2».
К зажимам «XL1» и «XL2» подключите исследуемый терморезистор.
Задавая с помощью переменного резистора R1 малые приращения напряжения
·U (~ 1 В), определите ток, протекающий через резистор. Полученные данные занесите в табл. 4.6.3.
По полученным данным постройте вольтамперную характеристику терморезистора и, используя формулу (4.6.4), определите статическое и динамическое сопротивления терморезистора и коэффициент нелинейности (.
Повторите аналогичные измерения по п. 2 - 4 для варистора.

Таблица 4.6.3. Экспериментальные данные
U, B








I, мА









Контрольные вопросы
Резистивный преобразователь. Классификация резистивных преобразователей.
Виды полупроводниковых резистивных преобразователей.
Терморезисторы. Характеристики, виды терморезисторов. Конструктивное исполнение и применение терморезисторов.
Варисторы. Вольтамперная характеристика варистора, параметры, применение варисторов.
Негисторы. Позисторы.
Тензорезисторы.
Магниторезисторы. Преобразователи Холла.
Принцип работы лабораторного стенда.
4.7. Исследование параметров конденсаторов

Цель работы: исследование процесса зарядки и разрядки конденсатора, определение емкости конденсатора.
Приборы и принадлежности: лабораторный стенд по исследованию параметров радиокомпонентов, осциллограф, частотомер, набор исследуемых конденсаторов.

Теоретическая часть
Классификация конденсаторов [1,6,8,9]. Конденсаторы, как и резисторы, являются одним из наиболее массовых элементов электронных цепей. Электрические характеристики, конструкция и область их применения зависят от типа диэлектрика между его обкладками. По виду диэлектрика конденсаторы постоянной емкости можно подразделить на пять групп:
с газообразным диэлектриком (воздушные, газонаполненные, вакуумные);
с жидким диэлектриком;
с твердым неорганическим диэлектриком (керамические, стеклокерамические, стеклоэмалевые, стеклопленочные, тонкослойные из неорганических пленок, слюдяные),
с твердым органическим диэлектриком (бумажные, металлобумажные, фторопластовые);
с оксидным диэлектриком (электролитические, оксидно-полупроводниковые, оксидно-металлические), выполняемые с использованием алюминия, титана, ниобия, сплавов тантала и ниобия.
Особый тип конденсаторов составляют электролитические (полярные и неполярные) конденсаторы, в которых в качестве диэлектрика используется тонкий слой оксида металла. Он образуется на поверхности этого металла электролитическим путем за счет выделения кислорода у металлической поверхности, к которой при изготовлении приложен положительный потенциал. Толщина этого оксидного слоя зависит от напряжения, прикладываемого к металлу в процессе создания оксидного слоя (процессе формовки). В связи с тем, что слой оксида обладает вентильными свойствами, электролитические конденсаторы полярны. Подключение напряжения к ним должно вестись с учетом указанной на электродах полярности. В противном случае конденсатор выйдет из строя. Малая толщина диэлектрика, большая диэлектрическая проницаемость и возможность создания надежных оксидных слоев на большой площади позволяют изготовлять электролетические конденсаторы большой емкости.
Различают конденсаторы постоянной и переменной емкости (переменные и подстроечные конденсаторы). Переменные и подстроечные конденсаторы выполняются с механически или электрически изменяемой емкостью.
В конденсаторах с механически изменяемой емкостью одна группа пластин или пластина перемещается относительно других пластин или пластины, составляющих обкладки конденсатора. При этом может меняться или взаимное перекрытие пластин, или расстояние между ними. На практике в основном используют изменение взаимного перекрытия пластин. При этом легко получить линейное (рис. 4.7.1, а) или функциональное изменение емкости - в зависимости от перемещения подвижной части. Чаще всего применяют вращательное движение и одну обкладку конденсатора выполняют в виде ротора, а другую - статора (рис. 4.7.1, б). Известны также конструкции с линейно перемещающимися пластинами обкладок.
Промышленность выпускает переменные и подстроечные конденсаторы с воздушными, твердыми неорганическими (керамическими, слюдяными) и органическими (полистироловыми, полиэтиленовыми и т.д.) диэлектриками. При введении диэлектриков в зазор между подвижными и неподвижными обкладками конденсатора существенно увеличивается емкость и снижаются габаритные размеры. Однако при этом не удается избежать воздушных зазоров, значения которых не остаются стабильными. Поэтому при каждой новой установке ротора в одно и то же положение значения емкости несколько отличаются от предыдущих. Конденсаторы с твердым диэлектриком чаще всего используют в качестве подстроечных. Воздушные конденсаторы обычно применяют в тех цепях, в которых требуется хорошая повторяемость значений емкости.
Переменные и подстроечные конденсаторы различаются в основном конструктивным выполнением. Переменные конденсаторы имеют ручку, с помощью которой вращается подвижная часть. Их конструкция рассчитана на долговременную работу в режиме вращения ротора. У подстроечных конденсаторов подвижная часть, как правило, имеет шлиц для вращения отверткой и конструкция подвижной части упрощена. Она не рассчитана на долговременную работу в режиме вращения.
Максимальные значения емкости, которые можно получить у переменных конденсаторов, как правило, не превышают значений 600 - 5000 пФ, при этом воздушные зазоры между подвижными и неподвижными пластинами порядка 0,1 - 0,25 мм. Закон изменения емкости зависит от геометрической формы пластин.

Параметры конденсаторов [6,7,9,13]
У конденсаторов различают номинальное СНОМ и фактическое СФ значения емкости. Номинальная емкость указывается на его маркировке в сопроводительной документации; фактическая - это значение емкости, измеренное при данной температуре и определенной частоте.
Допускаемое отклонение емкости обычно задается в процентах:


·СНОМ = 13 EMBED Equation.3 1415 100 %. (4.7.1)

Изменения значения емкости в зависимости от температуры характеризуются температурным коэффициентом емкости (ТКЕ), который иногда обозначают (С:
(С = ТКЕ = 13 EMBED Equation.3 1415. (4.7.2)
Этот коэффициент показывает изменение емкости при изменении на 1 К температуры окружающей среды. В зависимости от материала диэлектрика ТКЕ может быть положительным, нулевым или отрицательным. Его значение, определенное на конкретной частоте, указывается в маркировке конденсатора с помощью букв и цифр или цветного кода. По допускаемому отклонению ТКЕ от нормированного значения конденсаторы подразделяются на два класса: А и Б. При необходимости получить определенное значение ТКЕ применяют последовательное, параллельное и смешанное соединение конденсаторов с разными номиналами и разными ТКЕ [6].
Упрощенные эквивалентные схемы конденсаторов содержат емкость С((), сопротивление R(() и индуктивность LЭК. (рис. 4.7.2). Индуктивность LЭК образована элементами конструкции конденсатора. Сопротивление R(() характеризует потери энергии и отражает тот факт, что напряжение и ток реального конденсатора сдвинуты по фазе на угол ( ( 900 в диапазоне частот, где индуктивность LЭ можно пренебречь.
13 EMBED PBrush 1415
Рис. 4.7.2. Эквивалентные схемы конденсатора с последовательным (а) и последовательно - параллельным (б) включением элементов.

При использовании эквивалентной схемы (рис. 4.7.2, а) сопротивление конденсатора
Z(() = 13 EMBED Equation.3 1415, (4.7.3)
где ( - циклическая частота. Из этого уравнения видно, что на частотах, больших f0 ( f0 = (0/(2(), (0 - резонансная частота, определяемая из уравнения (0LЭК - 13 EMBED Equation.3 1415) конденсатор становится индуктивностью. Поэтому в электронных цепях конденсаторы стремятся использовать в той полосе частот, в которой индуктивность LЭК не оказывает существенного влияния. Так, у воздушных конденсаторов максимальная частота порядка 2,5 - 3,6 МГц, слюдяных 150 - 200 МГц; бумажных 50 - 80 МГц; керамических трубчатых 5 - 200 МГц; керамических дисковых 200 - 2000 МГц.
Значения емкости конденсаторов и сопротивления потерь, измеренные по последовательной и параллельной схемам включения (рис. 4.7.2) различаются между собой. Отличия между значениями тем больше, чем больше тангенс угла потерь tg (.
Тангенс угла потерь характеризует электромагнитные потери в конденсаторе и определяется как отношение его активной мощности Р к реактивной Q: tg ( = Р/Q.
В отличие от емкости тангенс угла потерь не зависит от схемы, по которой проводились измерения: tg ( = ( СS RS = 13 EMBED Equation.3 1415. Значения tg ( зависят от вида диэлектрика и могут меняться с частотой и с течением времени, а также зависеть от температуры и напряженности электрического поля.
При воздействии на конденсатор напряжения в нем возникают электрические и акустические шумы. Электрические шумы вызваны частичными разрядами, мерцаниями емкости и пьезоэлектрическими эффектами (в керамических конденсаторах) [6,9,13]. Акустические шумы конденсатора обусловлены вибрацией обкладок под действием кулоновских и электродинамических сил [6,9,13].
Для конденсаторов важным параметром является ток утечки IУТ (электрический ток при постоянном напряжении, приложенном к конденсатору):

IУТ = КСНОМUН + m, (4.7.4)

где К и m - коэффициенты, зависящие от типа и емкости конденсаторов, СНОМ, UН - номинальная емкость и напряжение. Ток IУТ определяется через минуту после подачи на конденсатор постоянного напряжения.
Среди рассмотренных выше параметров можно выделить основные, которые указываются в справочных данных на конденсаторы, таковыми являются:
Номинальное значение емкости конденсаторов, СНОМ.
Допускаемое отклонение действительной емкости от номинального значения, (%).
Тангенс угла потерь или добротность Q (Q =1/tg().
Ток утечки (в основном для электролитических конденсаторов), IУТ.
Сопротивление изоляции или постоянная времени саморазряда. Сопротивление изоляции определяют из формулы RИЗ = U0/IУТ, где U0 - постоянное напряжение, приложенное к конденсатору, вызвавшее ток IУТ.
Температурный коэффициент емкости, ТКЕ.
Номинальное напряжение, UН.

Условные обозначения, маркировка конденсаторов
Различают полные и сокращенные условные обозначения конденсаторов [6,9,13]. Полное обозначение состоит из четырех элементов, например, К – 10 - 100 пФ ( М47 - НМ - В ОЖО 460.106ТУ. Первый элемент характеризует сокращенное обозначение конденсатора (К10 - 25). Второй - значения основных параметров и характеристик (100 пФ ( 10 % М47 - НМ), 100 пФ - номинальная емкость; ( 10 % - допускаемое отклонение номинальной емкости, М47 - группа по температурной стабильности (условное обозначение ТКЕ, НМ - с отсутствием мерцания емкости). Третий - обозначение климатического исполнения (В - всеклиматическое, Т - тропическое). Четвертый - обозначение документа на поставку (ОЖО 460.106ТУ).
Сокращенное обозначение состоит из трех элементов. Первый - буквы, характеризующие подкласс конденсаторов (К - постоянной емкости, КТ - подстроечные, КП - переменной емкости, КС - конденсаторные сборки). Второй - цифры, характеризующие тип диэлектрика и назначение конденсатора, т.е. его группу. Третий - порядковый номер разработки.
Для старых типов конденсаторов условные обозначения определяются в основном конструктивными, технологическими признаками. Например, слюдяные конденсаторы, обозначаются буквами КС, конденсаторы слюдяные опрессованные – КСО, конденсаторы металлобумажные - КМ, конденсаторы дисковые - КЛ, конденсаторы электролитические - КЭ, конденсаторы трубчатые проходные - КТП.
В соответствии со стандартами используется кодированное обозначение конденсаторов. Например, 470nKWC9, где 470 - номинальная емкость конденсатора, выраженная в nF; К - допустимое отклонение номинальной емкости; W - номинальное напряжение конденсатора; С - год изготовления конденсатора; 9 - месяц изготовления. В общем случае код, наносимый на корпус конденсатора может состоять из трех, четырех или пяти знаков, включающих две цифры и букву, три цифры и букву или четыре цифры и букву. При этом буквы p, n, (, m, F обозначают множители 10-12, 10-9, 10-6, 10-3, 1 соответственно для значений емкости, выраженной в фарадах, а также запятую десятичного знака. Примеры кодов для маркировки номинальной емкости конденсаторов приведены в табл. 4.7.1, 4.7.2.
Таблица 4.7.1. Примеры кодовых обозначений номинальной емкости конденсаторов

Значение емкости
Маркиров. код
Значений емкости
Маркиров. код

0.2 пФ
р20
100 нФ
100n

0.15 пФ
р20
250 нФ
250n

0.552 пФ
р552
552 нФ
552n

5 пФ
5р0
5 мкФ
5(0

1.5
1р0
1,5 мкФ
1(0


Таблица 4.7.2. Примеры сокращенной маркировки номинальной емкости конденсаторов с четырьмя значимыми цифрами
Значение емкости
Маркиров. код
Значение емкости
Маркиров. код

15.01 пФ
150.1 пФ
1.501 пФ
15.01 пФ
15р01
150р1
1n501
15n01
2.151 пФ
5.552 пФ
5.552 мкФ
10.55 мкФ
2р151
5р552
5(552
10(52

За обозначением номинальной емкости на конденсаторах могут быть нанесены дополнительные кодовые обозначения, характеризующие допускаемые отклонения номинальной емкости (табл. 4.7.3).
В обозначении ТКЕ буквы означают его знак (М - минус, П - плюс, МП - близкое к нулю), а цифры указывают значение ТКЕ, например, П100 (ТКЕ = + 100(10-6 К-1), М740 (ТКЕ = -750(10-6 К-1). Буква Н указывает на то, что ТКЕ не нормируется, а цифры после нее – на возможное изменение емкости в диапазоне допустимых температур, например, Н20 (изменение емкости относительно измеренной при 20 0С не более ( 20 %). Для обозначения ТКЕ часто используют цветной код. Цвет покрытия корпуса указывает на знак ТКЕ, а цвет кодировочного знака - на его значение, например: синий серый цвета корпуса - положительный ТКЕ; голубой - близкий к нулю; красный и зеленый - отрицательный ТКЕ; серый корпус с красным знаком - П60; красный с зеленым знаком - М330; зеленый без знака - М1500 и т.д. Буквенными кодами могут обозначаться ТКЕ (табл. 4.7.4) дата изготовления (табл. 4.7.5).

Таблица 4.7.3. Буквенная маркировка допускаемых отклонений значения номинальной емкости конденсаторов

Допускаемые
отклонения
Буквенный код
Допускаемые
отклонения
Буквенный код

13 EMBED Equation.3 14150,005
13 EMBED Equation.3 14150,01
13 EMBED Equation.3 14150,02
13 EMBED Equation.3 14150,05
13 EMBED Equation.3 14150,1
13 EMBED Equation.3 14150,25
13 EMBED Equation.3 14150,5
13 EMBED Equation.3 14151
13 EMBED Equation.3 14152
E
L
P
W
B
C
D
F
G
13 EMBED Equation.3 14155
13 EMBED Equation.3 141510
13 EMBED Equation.3 141520
13 EMBED Equation.3 141530
-10+30
-10+50
-20+80
-20+80
-10+100
J
K
M
N
Q
T
S
Z
Y

Таблица 4.7.4. Кодовые обозначения ТКЕ керамических конденсаторов

Группа по температурной
стабильности емкости
керамических конденсаторов
Буквенный код
Группа по температурной
стабильности емкости
керамических конденсаторов
Буквенный код

П120
П100
П60
П33
МПО
М33
М47
М75
М150
М220
М330
М470
A
A
G
N
C
H
M
L
P
R
S
T
М700
М750
М1300
М1500
М2200
М3300
Н10
Н20
Н30
Н50
Н70
Н90
U
U
V
V
K
Y
B
Z
D
E
X
F


Таблица 4.7.5. Обозначение года изготовления конденсатора
Год изготовления
Буквенный код
Год изготовления
Буквенный код

1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
R
S
T
U
V
W
X
A
B
S
D
E
F
H
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
J
K
L
M
N
P
R
S
T
U
V
W
X

Конденсаторы также могут иметь цветовую кодовую маркировку обозначения их номинальной емкости, предельно допускаемого отклонения и номинального напряжения. Цветная маркировка наиболее распространенных типов конденсаторов приведена в табл. 4.7.6.

Зарядка и разрядка конденсатора в цепи постоянного тока
При использовании конденсаторов в электрических цепях важным является исследование процесса зарядки и разрядки конденсаторов. Зарядка конденсатора длится с момента присоединения к нему источника постоянного тока до момента достижения напряжения на обкладках конденсатора, равной ЭДС источника Е. При этом на конденсаторе появляется напряжение UС, направленное противоположно ЭДС источника Е. Рост напряжения UС по мере накопления зарядов на его обкладках вызывает уменьшение зарядного тока (I = (E - UС)/R), так как действующее напряжение, равное разности Е - UС, убывает. В момент полной зарядки конденсатора, когда UС станет равным Е, действующее напряжение E -UС и зарядный ток будут равны нулю. Теоретически это наступит через бесконечно большое время, а практически, если конденсатор заряжается через очень малое сопротивление, - почти мгновенно. Временные зависимости напряжения на конденсаторе и тока перезарядке можно представить в виде графиков (рис. 4.7.3).

Таблица 4.7.6. Цветная маркировка конденсаторов

Цвет маркировоч.
пояса
1- я цифра кода
(СН, рF)
Множитель
Допускаемое
отклонение
Номинальное
напряжение,
U, В
Расшифровка цветовых поясов
(или точек)

Черный
Коричневый
Красный
Оранжевый
Желтый
Зеленый
Голубой
Фиолетовый
Серый
Белый
Серебряный
Золотой
10
12
15
18
22
27
33
39
47
56
68
82
1
10
102
103
104
105
106
107
10-2
10-1
-
-
13 EMBED Equation.3 141520%
13 EMBED Equation.3 14151%
13 EMBED Equation.3 14152%
13 EMBED Equation.3 141525pF
13 EMBED Equation.3 14150,5pF
13 EMBED Equation.3 14155%
13 EMBED Equation.3 14152%
-20+50%
-20+80%
13 EMBED Equation.3 141510%
-
-
4,0
6,3
10
16
10
25(20)
32(30)
50
-
63
2,5
1,6
13 EMBED PBrush 1415


Сила тока и напряжения в любой момент времени t при зарядке конденсатора определяется следующими выражениями:

13 EMBED Equation.3 1415 (4.7.5)

13 EMBED Equation.3 1415, (4.7.6)

где Е - ЭДС источника, R - сопротивление, С - емкость, t - время, прошедшее с момента включения ЭДС.
Из формулы (4.7.5) видно, что при зарядке конденсатора ток быстро убывает (в выражение входит множитель 13 EMBED Equation.3 1415, уменьшающийся с возрастанием t). Важным параметром, характеризующим цепь из последовательно соединенных сопротивления и емкости, является постоянная времени (

( = RC. (4.7.7)
При t = (

13 EMBED Equation.3 1415. (4.7.8)

Таким образом, постоянная времени цепи ( = RC позволяет вычислить время, необходимое для того, чтобы убывающий при зарядке конденсатора ток I0 уменьшился до определенного значения и стал равным 0,368 I0. Теоретически ток достигает своего конечного значения через бесконечно продолжительное время, но практически уже через промежуток времени, равный 5(, ток отличается от своей конечной величины менее чем на 1%: 13 EMBED Equation.3 1415. В данной лабораторной работе для измерения силы тока зарядки конденсатора через различные промежутки времени служит схема, приведенная на рис. 4.7.4.
В нее входит источник питания постоянного тока ИП, конденсатор емкостью С, сопротивление R, которое определяет величину начального зарядного тока, микроамперметр (А, кнопка КН.

Конденсатор в цепи переменного тока
Поведение конденсатора в цепи переменного тока исследуется по схеме показанной на рис. 4.7.5, где А - амперметр, V - вольтметр, С - исследуемый конденсатор, К - ключ. В качестве характеристик переменного тока в данной работе используются эффективные значения силы тока и напряжения, определенные через амплитудные значения: IЭФФ = 0.707I0, UЭФФ = 0.707U0.
Величина емкости исследуемого конденсатора определяется по формуле:

Срасч. = 1/(wZC), (4.7.9)

где w - циклическая частота, w = 50 Гц; ZC - полное сопротивление конденсатора.

ZC = UЭФФ/JЭФФ (4.7.10)

Сопротивление конденсатора ZC зависит от частоты переменного тока. Данная зависимость в лабораторной работе исследуется по схеме приведенной на рис. 4.7.6.
Изменяя частоту звукового генератора, исследуется зависимость напряжения на исследуемом конденсаторе С от частоты переменного тока f. Частота переменного тока фиксируется с помощью частотомера, а. амплитудные значения напряжения и тока в емкостной цепи с помощью вольтметра V и амперметра А соответственно.

Порядок выполнения работы

Задание № 1. Исследование процесса зарядки и разрядки конденсатора. Определение постоянной времени цепи (.

Порядок выполнения задания
Соберите схему согласно рис. 4.7.4.
Включите лабораторный стенд. Для этого тумблер «Сеть» переведите в положение «Вкл.».
Кнопкой КН замкните накоротко конденсатор С и запишите показание микроамперметра, которое пропорционально начальному току зарядки конденсатора I0, определяемого величиной ЭДС источника тока и зарядным сопротивлением R.
Отпустите кнопку КН и одновременно включите секундомер. По мере зарядки конденсатора С сила тока будет уменьшаться. После запуска секундомера через равные промежутки времени, указанные преподавателем, занесите в табл. 4.7.7 показания микроамперметра I.
По полученным данным постройте график зависимости I = f(t).
Определите по графику постоянную (, соответствующую моменту времени, при котором I = 0,37 I0.
Сравните экспериментально полученное значение ( с рассчитанными по формуле (4.7.7).

Таблица 4.7.7. Экспериментальные данные
t, с
Показания микроамперметра, мкА


I1
I2
I3
Iсредн.








Задание № 2. Определение емкости конденсатора в цепи переменного тока.

Порядок выполнения задания
Соберите электрическую цепь, как показано на рис. 4.7.5.
Замкните ключ К и зафиксируйте эффективные значения напряжения и силы тока: UЭФФ, IЭФФ. Полученные результаты занесите в табл. 4.7.8.
Определите величину емкости Срасч. (4.7.9). Сравните рассчитанные значения емкостей Срасч с номинальными (табл. 4.7.8).



Таблица 4.7.8. Экспериментальные данные

IЭФФ, мА
UЭФФ , В
ZС, Ом
С, мкФ
С расч, мкФ

1



8


2



10


3



12


4



14



Задание № 3. Определение зависимости сопротивления конденсатора от частоты переменного тока.

Порядок выполнения задания
Соберите электрическую цепь, как показано на рис. 4.7.6.
Изменяя частоту звукового генератора, через равные промежутки времени в пределах, указанных преподавателем, зафиксируйте эффективные значения напряжения и силы тока: UЭФФ, IЭФФ на исследуемом конденсаторе С. Полученные результаты занесите в табл. 4.7.9.
По полученным данным, используя формулу (4.7.10) рассчитайте полное сопротивление конденсатора ZC. Полученные результаты занесите в табл. 4.7.9.
Постройте график зависимости ZC = F(f).

Таблица 4.7.9. Экспериментальные данные
f, Гц










UЭФФ, В










IЭФФ, мА










ZC, Ом











Контрольные вопросы
Классификация конденсаторов по виду диэлектрика.
Электролитические конденсаторы.
Переменные конденсаторы.
Емкость конденсатора, температурный коэффициент емкости.
Электромагнитные потери в конденсаторах.
Токи утечки в конденсаторах.
Условные обозначения конденсаторов.
Маркировка конденсаторов.
Процесс зарядки конденсатора. Постоянная времени цепи.

4.8. исследование параметров катушек
индуктивности

Цель работы: определение индуктивности и добротности катушек индуктивности.
Приборы и принадлежности: измеритель добротности Е4-11, набор исследуемых катушек индуктивности.

Теоретическая часть
Катушки индуктивности - радиоэлектронные элементы, применяемые в качестве элементов колебательных контуров, а также для связи одних цепей с другими (дроссели). Дроссель - катушка индуктивности, которая служит для разделения постоянного и переменного тока или токов разных частот. Катушки индуктивности не являются комплектующими изделиями, как, например, резисторы и конденсаторы. Они изготовляются на сборочных заводах и имеют те параметры, которые необходимы для конкретных изделий. Из-за трудностей миниатюризации, значительных массогабаритных показателей, плохой повторяемости характеристик и параметров, повышенной трудоемкости изготовления область их применения ограничена. Однако при создании ряда устройств электроники, радиотехники обойтись без них пока нельзя. При этом важным является то, что индуктивные компоненты с использованием существенной изоляции могут успешно работать при температуре до 200 - 500 0С.

Классификация катушек индуктивности
В зависимости от назначения катушки индуктивности, применяемые в радиоаппаратуре, можно разделить на три группы [6,13,18]:
катушки контуров,
катушки связи,
дроссели высокой частоты.
По конструкции катушки индуктивности разделяются:
каркасные и бескаркасные,
с однослойной, многослойной и плоской спиральной обмотками,
с рядовой и шаговой намоткой,
экранированные и неэкранированные,
с сердечником и без сердечника.

Типы катушек индуктивности [5,8]
Однослойная катушка представляет собой провод, намотанный на поверхность каркаса в один слой по винтовой линии. Витки обмотки располагаются плотно, виток к витку (сплошная обмотка), или на некотором расстоянии друг от друга (обмотка с шагом рис. 4.8.1).
Индуктивность идеальной однослойной катушки, имеющей длину l, определяется по формуле

13 EMBED Equation.3 1415. (4.8.1)

Для реальной однослойной катушки эта формула не применима, та как магнитный поток в реальных условиях эксплуатации рассеивается и фактическая индуктивность оказывается меньше рассчитанной. Для определения индуктивности реальных однослойных катушек в соотношение (4.8.1) необходимо ввести поправочный коэффициент k, значение которого зависит от отношения (l/D) (рис. 4.8.2).

13 EMBED Equation.3 1415, (4.8.2)

где 13 EMBED Equation.3 1415 = f(l/D; t/D) . Для однослойной катушки t/D = 0, где t - радиальная толщина обмотки.

Многослойные катушки (рис. 4.8.3) имеют рядовую обмотку или обмотку «в навал». В первом случае витки располагаются правильными рядами, а во втором - беспорядочно. К многослойным катушкам также относятся катушки с универсальной обмоткой, при выполнении которой провод укладывают не перпендикулярно образующей каркаса, а под некоторым углом.
Величину индуктивности L многослойных катушек можно определить по формуле (4.8.2) при условии, что t/D ( 0.

Плоские спиральные катушки. Конструкция плоской спиральной катушки показано на рис. 4.8.4.
Индуктивность плоской спиральной катушки определяется по формуле (4.8.3)

13 EMBED Equation.3 1415, (4.8.3)

где DСР=(D0+D)/2 (рис. 4.8.4).

Экранированные катушки. Для устранения паразитных связей, обусловленных внешним электромагнитным полем катушки, и влияния окружающей среды катушка экранируется, например, располагается внутри замкнутого металлического заземленного экрана. Экранирующее действие характеризуется отношением напряженности внешнего поля катушки при наличии экрана к напряженности поля при его отсутствии. Для экрана среднего качества, выполненного, например, в виде алюминиевого стакана, это отношение равно 0.01 - 0.05, что достаточно для большинства случаев.
Для увеличения экранирующего действия применяются двойные и тройные экраны. Под действием экрана изменяются параметры катушки: уменьшается ее индуктивность и увеличивается сопротивление и собственная емкость. Добротность экранированной катушки оказывается ниже добротности той же катушки при отсутствии экрана. Изменение параметров катушки зависит от соотношения между ее размерами и размерами экрана. Чем ближе к обмотке катушки расположены стенки экрана, тем в большей степени уменьшается индуктивность, увеличивается сопротивление и собственная емкость катушки.
Стабильность экранированной катушки ниже стабильности неэкранированной, так как под влиянием, например, температуры изменяются геометрические размеры и сопротивление экрана.
Для того, чтобы индуктивность и добротность катушки уменьшились не более чем на 10%, рекомендуется соотношения размеров DЭ/D = 1.6 - 2.5. Для стабильных катушек DЭ/D ( 2.5.

Катушки с магнитными и немагнитными сердечниками. Магнитные сердечники применяются для получения малогабаритных катушек достаточно высокой добротности. Катушки с сердечниками имеют меньшее число витков при заданной индуктивности, малую длину провода и небольшие размеры. Запас добротности позволяет уменьшить размеры катушки и экранировать ее, то есть получить малогабаритную катушку с высокой добротностью. Ценным свойством катушек с сердечником является возможность подстройки, то есть изменения индуктивности в небольших пределах, осуществляемого перемещением сердечника.
Катушки с сердечниками могут быть использованы в слабых полях, то есть преимущественно в радиоприемных устройствах. Индуктивность катушки с сердечником LС в (С раз больше индуктивности той же катушки без сердечника L, LС = (С L, (С - магнитная проницаемость материала.
Если бы в сердечнике отсутствовали потери, то добротность катушки с сердечником также увеличивалась бы в 13 EMBED Equation.3 1415 раз. Однако вследствие потерь в сердечнике увеличение добротности несколько меньше.
Для подстройке индуктивности катушек часто применяют немагнитные сердечники из меди или латуни. Такие сердечники уменьшают индуктивность катушки и понижают ее добротность. Практически можно получить изменение индуктивности на 3 – 5 % при падении добротности не более 10%.
Основные параметры катушек индуктивности [6,8]
Номинальная индуктивность L и ее допустимые отклонения. Применяемые в радиотехнике катушки имеют индуктивность от долей мкГн до десятков и сотен мГн. Допустимые отклонения индуктивности могут изменяться в широких пределах (от долей до десятков процентов от номинала индуктивности). Катушки с малой индуктивностью изготавливают без сердечника с небольшим числом витков. Для увеличения индуктивности катушку выполняют многослойной и вводят сердечник из ферромагнитного материала. Для катушек, работающих на высоких частотах применяют сердечники из ферритов. Индуктивность может быть изменена до требуемого значения в процессе регулировки аппаратуры с помощью сердечников, которые вводят в катушку.
Собственная емкость катушки C0. Между соседними витками катушки существует емкость. Суммарное действие всех межвитковых емкостей может быть заменено эквивалентным действием емкости, присоединенной параллельно катушке. Такая емкость называется собственной емкостью катушки. Эквивалентная схема катушки с учетом собственной емкости:
Конструкции катушек стараются выполнять так, чтобы уменьшить величину собственной емкости и снизить ее вредное влияние.
Собственная емкость С0 однослойных катушек обычно не превышает 1 - 2 пФ. Значение С0 для катушек с универсальной обмоткой обычно составляет 3 - 8 пФ. Такое относительно небольшое значение С0 получается за счет перекрещивания витков соседних рядов. Катушки с рядовой обмоткой имеют С0 = 30 пФ и более. Несколько меньшее значение С0 имеют многослойные катушки, обмотка которая выполнена «в навал». Уменьшения С0 многослойных катушек можно достичь, выполняя катушки в виде отдельных секций, соединенных последовательно.
Собственная емкость катушки индуктивности с однослойной обмоткой на гладком каркасе может быть определена по формуле:

С0 = КК1D, (4.8.4)

где D - диаметр катушки, К - коэффициент зависящий от отношения (/d, К1- коэффициент, зависящий от отношения l/d.
При намотке витков по предварительно сделанной на каркасе нарезке собственная емкость увеличивается на 15 - 20 %.
Добротность катушки Q. Добротность катушки Q называют отношение индуктивного сопротивления катушки XL на данной частоте к активному сопротивлению потерь на этой же частоте:

13 EMBED Equation.3 1415. (4.8.5)

Индуктивное сопротивление катушки зависит от частоты и определяется по формуле:

13 EMBED Equation.3 1415, (4.8.6)

где ХL - сопротивление, f - частота, L - индуктивность.
Сопротивление 13 EMBED Equation.3 1415 определяется суммой потерь в проводе обмотки, в диэлектрике, а также в экранах, сердечниках и элементах конструкции прибора, расположенных в непосредственной близости от катушки.
Для увеличения значений индуктивности и повышения их добротности широко применяют магнитопровода с постоянными или регулируемыми параметрами. Наиболее распространенные формы магнитопроводов - броневая и тороидальная.
При изменении температуры окружающего воздуха происходит изменение размеров каркаса, провода катушки, а значит и изменяется расстояние между витками, диаметр витков и ряд других параметров, в результате которых изменяется индуктивность катушки.
Если после окончания температурного воздействия индуктивность катушки возвращается к своему первоначальному значению, то такое изменение называют обратимым (цикличным). Оно характеризуется температурным коэффициентом индуктивности:

13 EMBED Equation.3 1415, (4.8.7)

где 13 EMBED Equation.3 1415 - изменение индуктивности при изменении температуры на 13 EMBED Equation.3 1415, L - значение индуктивности при нормальной температуре окружающего воздуха. Применяемые в радиотехнике катушки имеют TКL не меньше (5 - 10)
·10-6, К-1.
Если значение индуктивности не возвращается к исходному состоянию после окончания температурного воздействия, то такое изменение называют необратимым, которое характеризуется коэффициентом температурной нестабильности индуктивности:

13 EMBED Equation.3 1415 , (4.8.8)

где L1 и L2 - значение индуктивности катушки до и после температурного воздействия.
Необратимые изменения происходят из-за остаточных деформаций в элементах конструкции или из-за остаточных изменений параметров материалов.
Для исследования параметров катушек индуктивности в данной лабораторной работе используется измеритель добротности Е4-11, внешний вид которого показан на рис.4.1.4.
Данный прибор позволяет проводить измерения следующих параметров катушек индуктивности:
Измерение добротности катушек индуктивности стандартным методом - методом настройки LC - контура в резонанс (задание № 1).
Измерение добротности катушек индуктивности методом расстройки контура по емкости. Добротность измеряемого объекта рассчитывается по формуле:

Q = 2C/(C1 - C2), (4.8.9)

где С, С1, С2 - емкости исследуемой катушки (задание № 2).
Измерение добротности катушек индуктивности методом расcтройки контура по частоте. Согласно данного метода добротность исследуемого объекта определяется по формуле:

Q = f0/(f1 - f2), (4.8.10)

где f0, f1, f2, f1 > f2 - диапазон исследуемых частот (задание № 3).
Измерение собственной емкости катушек индуктивности аналитическим и графическим методами.
Согласно аналитического метода (задание № 4) собственная емкость катушки индуктивности С0 определяется по формуле:

C0 = (C1 - 4C2)/3. (4.8.11)

В общем случае, если f1 / f2 = n и при условии, что n>1, справедливо выражение:
13 EMBED Equation.3 1415 . (4.8.12)

Существует также графический метод определения собственной емкости катушек индуктивности С0. Выражение для резонансной частоты с учетом собственной емкости катушки С0:
13 EMBED Equation.3 1415 (4.8.13)

можно записать в следующем виде

13 EMBED Equation.3 1415 (4.8.14)

или
13 EMBED Equation.3 1415 (4.8.15)

где C - емкость, отсчитанная по шкале измерительного конденсатора, L - индуктивность катушки. Это выражение изображается в виде прямой в координатах (1/f 2, C ). При 1/f 2 = 0 получим С =-С0.
Измерение индуктивности катушек

13 EMBED Equation.3 1415, (4.8.16)

либо с учетом собственной емкости катушки индуктивности, измеренной в соответствии с заданием № 4, по формуле:

13 EMBED Equation.3 1415. (4.8.17)

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание № 1. Измерение добротности катушек индуктивности стандартным методом.
Порядок выполнения задания
Ознакомьтесь с устройством и принципом работы измерителя добротности Е4-11 (см. описание к лабораторной работе 4.1).
Подключите исследуемую катушку к клеммам «Lx».
Поставьте переключатель «ПРЕДЕЛЫ Q» в положение соответствующее предполагаемому значению добротности измеряемого объекта.
Настройте контур в резонанс. Грубая настройка в резонанс осуществляется нажатием кнопки включения электрического привода измерительного конденсатора «13 EMBED Equation.3 1415». Точная настройка производится ручкой «ЕМКОСТЬ pF». Момент настройки измеряемого объекта в резонанс соответствует максимальному отклонению стрелки измерительного прибора. Если стрелка измерительного прибора находится в пределе 1/3 шкалы, то перейдите на более чувствительную шкалу переключателем «ПРЕДЕЛЫ Q».
Отсчитайте добротность Q по шкале измерительного прибора. Отсчет добротности для положения переключателя «ПРЕДЕЛЫ Q» 300 и 1000 производится по шкалам соответственно 30 и 100 с последующим умножением показаний на 10.

Задание № 2. Измерение добротности катушек индуктивности методом расстройки контура по емкости.
Порядок выполнения задания
Подключите исследуемую катушку к клеммам «Lx».
Настройте контур в резонанс измерительным конденсатором и произведите отсчет добротности Q по шкале измерительного прибора и емкости С по шкале измерительного конденсатора.
Расстройте контур ручкой «ЕМКОСТЬ pF», уменьшив показания прибора измерительного до уровня 0,707 от значения измеренной добротности. Эту операцию проделайте дважды: при расстройке в сторону как больших, так и малых емкостей и произведите при этом отсчет емкостей С1 и С2.
Добротность измеряемого объекта рассчитайте по формуле (4.8.9). Сравните результаты для Q, полученные стандартным методом и методом расстройки контура по емкости.

Задание № 3. Измерение добротности катушек индуктивности методом расcтройки контура по частоте.
Порядок выполнения задания
Подключите исследуемую катушку к клеммам «Lx».
Настройте контур в резонанс и произведите отсчет добротности Q по шкале измерительного прибора и частоты f0 по шкале генератора.
Расстройте контур ручкой «ЧACT. MHz» уменьшив показания прибора до уровня 0,707 от значения измеренной добротности. Эту операцию проделайте дважды при расcтройке как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения частоты и произведите при этом отсчет частот f1 и f2.
Добротность исследуемого объекта определите по формуле (4.8.10). Полоса пропускания контура при этом будет равна 2(f = f1 - f2. Сравните результаты для Q, полученные стандартным методом и методами расстройки контура по емкости и по частоте.

Задание № 4. Измерение собственной емкости катушек индуктивности. Сравнение аналитического и графического методов определения собственной емкости.
Порядок выполнения задания
Собственную емкость катушек индуктивности можно определять аналитическим методом для этого:
Подключите исследуемую катушку к клеммам «Lx».
Установите переключатель «13 EMBED Equation.3 1415Q – Q» в положение «Q».
Произведите калибровку прибора.
Установите переключатель «ПРЕДЕЛЫ Q» в положение соответствующее предполагаемому значению добротности.
Установите ручкой «ЕМКОСТЬ pF» емкость измерительного конденсатора вблизи максимальных значений.
Настройте ручкой «ЧАСТ. МHz» контур в резонанс, определив нужный поддиапазон переключателем поддиапазонов генератора.
Произведите отсчет значения емкости измерительного конденсатора C1 и частоты генератора f1.
Установите ручкой «ЧACT. MHz» на шкале генератора частоту f2 = 2f1.
Произведите калибровку прибора.
Настройте контур в резонанс ручкой «ЕМКОСТЬ pF».
Произведите отсчет резонансной емкости C2.
Собственную емкость катушки индуктивности С0 определите по формулам (4.8.11), (4.8.12).

Существует также графический метод определения собственной емкости катушек индуктивности С0. Измерения по данному методу проводятся следующим образом:
Подключите исследуемую катушку к клеммам «Lx».
Для нескольких значений емкости измерительного конденсатора (C1, C2, C3,) осуществите настройку контура в резонанс ручкой «ЧАСТ. МHz», отсчитывая при этом значения емкостей измерительного конденсатора и соответствующие им значения резонансной частоты.
Постройте график функции 1/f 2 = F(C).
Продолжите прямую 1/f 2 = F(C) до пересечения с осью С и отсчитайте по оси С от нуля до - С0 значение собственной емкости измеряемой катушки индуктивности С0 = - С.
Сравните данные для собственной емкости катушки индуктивности С0, полученные аналитическим и графическим методами.

Задание № 5 Измерение индуктивности катушек.

Порядок выполнения задания
Подключите измеряемую катушку к клеммам «Lx».
Подберите и установите ручкой «ЧАСТ. МHz» такую частоту, на которой возможна настройка в резонанс контура с измеряемой индуктивностью.
Настройте контур в резонанс ручкой «ЕМКОСТЬ pF» и произведите отсчет емкости по шкале измерительного конденсатора.
Эффективное значение индуктивности определите по формулам (4.8.16), (4.8.17). Сравните полученные результаты.

Контрольные вопросы
Классификация катушек индуктивности.
Однослойные катушки индуктивности.
Многослойные катушки индуктивности.
Плоские спиральные катушки.
Экранирование катушек.
Катушки с сердечниками.
Собственная емкость катушек индуктивности.
Добротность катушек индуктивности.
Температурные характеристики катушек индуктивности.


4.9. Исследование параметров электромагнитных реле

Цель работы: исследование статических параметров электромагнитных реле.
Приборы и принадлежности: лабораторный стенд с набором электромагнитных реле.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Реле - это элемент, выходная величина (сила тока, напряжение) которого в установившемся состоянии может иметь только одно из двух своих предельных значений. Переход от одного предела к другому совершается скачком, как только входной сигнал превысит некоторое пороговое значение, строго фиксированное для данного реле.

Классификация реле
Реле бывают электрические, магнитные и неэлектрические (гидравлические, пневматические, оптические, химические и т.д.) [18].
Все электрические и магнитные реле следует разбить на два основных типа: контактные реле и бесконтактные реле. Любой элемент непрерывного действия можно заставить работать в релейном режиме, превратить в реле. Это будет бесконтактное реле. Например, любой усилитель может быть выведен в релейный режим путем охвата его сильной положительной обратной связью. В этом случае, при плавном изменении сигнала на его выходе, выход будет скачком изменяться от своего минимального значения до максимума согласно релейной статической характеристике. Магнитный усилитель с сильной положительной обратной связью (Кос ( 1) представляет бесконтактное магнитное реле. При использовании явления феррорезонанса создают бесконтактные реле на базе обычного магнитного усилителя без обратной связи. Такие реле называются феррорезонаторами.
Электрические контактные реле состоят из преобразователя электрического сигнала в перемещение и контактов. Назначение преобразователя – замыкать или размыкать контакты при подаче на вход сигнала определенной величины. Контакты включаются в электрическую исполнительную цепь. С помощью такого реле можно включать и выключать эту цепь путем подачи сигнала на реле. Одно реле может иметь много контактов (до нескольких десятков) и, следовательно, управлять одновременно многими исполнительными цепями.
По принципу действия используемого электромеханического преобразователя электрические контактные реле делятся на реле электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические, индукционные, тепловые [4,5,6,7,13,8,18].
В зависимости от назначения различают реле управления, реле связи (телефонные, кодовые), авиационные реле, реле защиты и т.д. Наиболее универсальными и распространенными являются реле управления, они широко применяются в связи, в схемах защиты и авиации. Наиболее специальными являются реле защиты.

Электромагнитные реле
Электромагнитное реле [13,18] состоит из контактной системы и электромагнита в качестве электромеханического преобразователя (рис. 4.9.1). Это основной тип электрических контактных реле. По типу электромагнита различают электромагнитные реле нейтральные и поляризованные.
Нейтральное электромагнитное реле. Большинство нейтральных электромагнитных реле имеет клапанный электромагнит, реже - прямоходный. Нейтральное реле срабатывает (производит включение, выключение или переключение цепей) при любом направлении тока, проходящего через обмотку его электромагнита. Предельная управляемая ими мощность (мощность, разрываемая контактами) РПР составляет от нескольких ватт до нескольких киловатт. Мощные электромагнитные реле, обладающие разрываемой контактами, мощностью в несколько киловатт и выше (IПР > 20 А), называются контакторами.
Устройство электромагнитных нейтральных реле. Электромагнит реле состоит из катушки 1 (рис. 4.9.2), намотанной изолированным проводом, внутри которой помещен сердечник 2 из мягкой стали. С одной стороны он прикреплен к неподвижной части магнитопровода 3 (ярму), а с другой стороны оканчивается полюсным наконечником 9, который немного выступает из катушки. Подвижно закрепленный якорь 4, с помощью оттяжной пружины 8, удерживается на некотором расстоянии от полюсного наконечника. На якоре укреплена тонкая упругая пластина 5 с контактом 6. Это подвижный контакт реле. Против него на некотором расстоянии расположен неподвижный контакт 7, который укреплен на упругой тонкой пластинке. При пропускании тока по обмотке сердечник намагничивается и притягивает якорь, то есть срабатывает реле. Контакты 6 и 7 при этом замыкаются. При отключении обмотки от источника тока сердечник размагничивается, якорь под действием пружины возвращается в прежнее положение и контакты 6, 7 размыкаются.
Нейтральные реле имеют ряд разновидностей: различаются количеством обмоток, числом витков и сопротивлением обмоток, а также количеством контактов. Часто электромагнитные реле выполняются в герметическом кожухе. Самые малые из них имеют объем менее 1 см3, вес 1 - 2 г при РСР ( 0.1 Вт и одном контакте. Нейтральные электромагнитные реле чаще делаются как реле постоянного тока. Реле переменного тока выполняются либо с короткозамкнутым витком, либо со встроенным полупроводниковым выпрямителем. В этом случае они называются выпрямительными.
Поляризованное электромагнитное реле. Характер работы поляризованного реле в отличие от нейтрального зависит от направления тока в его обмотке, то есть от полярности напряжения на ее выводах. Отсюда и название - поляризованные реле.
Поляризованное реле может быть трехпозиционным, двухпозиционным и однопозиционным. На рис. 4.9.3 показано двухпозиционное электромагнитное реле, в котором использован двухпозиционный поляризованный электромагнит. В зависимости от полярности входного постоянного тока замыкается один из двух контактов реле и остается замкнутым после снятия сигнала. Для переключения якоря к другому неподвижному контакту надо подать на обмотку реле сигнал другой полярности.
В трехпозиционном реле используется соответственно трехпозиционный магнит, у которого имеется возвратная пружина, возвращающая якорь в нейтральное (вертикальное) положение после снятия сигнала. При отсутствии сигнала оба контакта разомкнуты. Для замыкания одного из них необходимо наличие входного сигнала соответствующей полярности. По сравнению с нейтральными реле поляризованные реле имеют более высокую чувствительность, коэффициент управления и быстродействие. Поляризованные реле - это маломощные, высокочувствительные и быстродействующие реле.
Разновидностью электромагнитных реле являются вибропреобразователи, или вибраторы, предназначены для преобразования постоянного тока в переменный и наоборот, то есть используются в качестве модуляторов и демодуляторов. Такие устройства широко применяются при усилении постоянных токов и напряжений. На рис. 4.9.4 приведена схема преобразования напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока. Контакты вибратора (К) подключают с определенной частотой один из входных зажимов то к началу, то к концу первичной обмотки трансформатора, в то время как второй зажим постоянно присоединен к средней точке этой обмотки. При этом во вторичной обмотке наводится ЭДС, частота которой равна частоте вибрации якоря, а величина определяется коэффициентом трансформации трансформатора.
Вибраторы изготавливаются в виде поляризованных электромагнитных реле и по сравнению с нейтральными являются более быстродействующими.
В электротехнике применяются также резонансные электромагнитные реле. Резонансное реле реагирует на частоту переменного тока и срабатывает, когда частота находится в пределах определенного диапазона. Резонансное реле применяют, например, в системах телеуправления для частотного избирания определенного объекта из ряда многих. На рис. 4.9.5 показано резонансное реле. В реле используется резонанс между частотой собственных колебаний язычка и частотой тока в обмотке. Тяговое усилие, создаваемое поляризованным электромагнитом, вызывает вибрацию язычка с частотой тока в его обмотке. При приближении этой частоты к собственной частоте язычка амплитуда колебаний возрастает. Когда частота тока лежит в достаточно близких окрестностях собственной частоты язычка, имеет место периодическое замыкание контактов реле.

Параметры электромагнитных реле
Ток срабатывания IСР - наименьшее значение тока в обмотке, при котором якорь притягивается к сердечнику электромагнита, и замыкаются нормально разомкнутые контакты. Для надежной работы реле рабочий ток IР в обмотке должен быть больше тока срабатывания. Отношение рабочего тока к току срабатывания называется коэффициентом запаса кЗ. Обычно КЗ = 1.2 - 4.
Мощность срабатывания РСР - мощность, подводимая к обмотке реле, при которой оно срабатывает. Мощность срабатывания (ток срабатывания) зависит от мощности контактов. У нейтральных электромагнитных реле РСР = 10-3 - 10-2 Вт, у поляризованных РСР = 10-6 Вт.
Номинальный ток IН - величина тока в обмотке, рекомендуемая заводом изготовителем для типовых применений реле.
Ток отпускания IОТП - наибольшее значение тока в обмотке, при котором якорь отлипает от сердечника, и размыкаются (замыкаются) контакты. Ток отпускания всегда меньше тока срабатывания.
Коэффициент возврата КВОЗВ. - коэффициент возврата по току КВОЗВ. I - отношение тока отпускания к току срабатывания:

КВОЗВ. I = IОТП/IСР; (4.9.1)

коэффициент возврата по напряжению КВОЗВ. U - отношение напряжение отпускания к напряжению срабатывания:

КВОЗВ. U = UОТП./UСР. (4.9.2)

Время срабатывания (СРАБ - интервал времени от момента подключения к катушке источника тока до момента размыкания нормально замкнутых и замыкания нормально разомкнутых контактов реле. Время срабатывания у нейтральных реле лежит в пределах от нескольких мсек. до десятых долей сек.; у поляризованных реле время срабатывания доходит до 1 мсек., а у особо быстродействующих до 0,1 мсек.
Время отпускания (ОТП - интервал времени от момента выключения тока через обмотку реле до размыкания его контактов.
Мощность реле РПР - предельная разрываемая контактами мощность.
Коэффициент управления реле КУ :

КУ = РПР/РСР. (4.9.3)

У нейтральных электромагнитных реле КУ = 102, у поляризованных реле КУ = 104.
Срок службы - число срабатываний реле, при котором реле надежно выполняет свои функции.
Рассмотренные выше электромагнитные реле являются самыми распространенными реле автоматики. Значительно реже применяются реле, основанные не на электромагните, а на других электромеханических преобразователях - электромеханические реле. Это - магнитоэлектрическое, электродинамическое, индукционное, тепловое, магнитострикционное реле [13,18].

Электромеханические реле
Магнитоэлектрическое реле. Принцип действия этого реле тот же, что и у одноименных электроизмерительных приборов, только вместо стрелки имеется подвижный контакт (рис. 4.9.6).
Применяемый здесь магнитоэлектрический преобразователь электрического сигнала в перемещение является самым чувствительным из таких
преобразователей. Его подвижная часть может совершать либо угловое перемещение (рис. 4.9.6, а), либо поступательное (рис. 4.9.6, б). Вместо рамки подвижным может быть постоянный магнит. Тяговое усилие в магнитоэлектрическом преобразователе - это усилие взаимодействия тока в рамке с магнитным полем постоянного магнита. Магнитоэлектрический преобразователь является поляризованным устройством, так как направление его тягового усилия меняется с изменением полярности тока в рамке. Магнитоэлектрические реле - поляризованные реле постоянного тока. Из всех электромеханических реле магнитоэлектрические являются самыми чувствительными. Они имеют во много раз больший коэффициент управления КУ ~ 10-10 Вт при коэффициенте срабатывания КС = 104 - 109. Однако, наряду с этим, магнитоэлектрическое реле - это реле замедленного действия. Время срабатывания у них составляет около 0,1 сек. По быстродействию эти реле уступают даже нейтральным электромагнитным реле.
Если в магнитоэлектрическом реле, вместо постоянного магнита применить электромагнит, то такое реле будет называться электродинамическим.
Индукционное реле - реле переменного тока. В них используется сила взаимодействия индуктированного в проводнике переменного тока с переменным магнитным потоком. Индукционные реле получили широкое распространение в основном как реле автоматической защиты в цепях переменного тока: реле тока, напряжения, мощности, частоты, сопротивления. Конструктивно индукционное реле бывает трех типов: с ротором в виде короткозамкнутой рамки, диска или стакана.
Тепловые электромеханические реле. Принцип работы этих реле основан на тепловом действии электрического тока (нагрев, увеличение размеров, плавление, изменение магнитной проницаемости). Самым простым видом тепловых реле является плавкая вставка. Широкое распространение получили биметаллические тепловые реле. Основная их часть - термобиметаллическая пластина, то есть пластина, состоящая из двух скрепленных (пайка, сварка) полос металлов с резко различающимися коэффициентами теплового расширения. При нагреве биметаллическая пластина изгибается в сторону металла с меньшем коэффициентом теплового расширения. Биметаллические реле применяются в качестве реле защиты и реле времени. На основе термобиметаллических пластин делают также реле для определения температуры - реле температуры. Такие реле называются термостатами.
Магнитострикционные реле. В них используется явление магнитострикции, то есть изменения размеров ферромагнитных тел в магнитном поле. Наиболее сильно этот эффект наблюдается у железоникелевых сплавов. Конструктивно магнитострикционные реле подобны тепловым реле, использующим тепловое расширение тел.
В данной лабораторной работе используется лабораторный стенд (рис. 4.9.7), снабженный набором электромагнитных реле. Выбор типа реле осуществляется переключателем «Г1», на передней панели лабораторного стенда. Регулировка тока в обмотке катушки реле w осуществляется переменным резистором R. Контроль тока в обмотке и падения напряжения на обмотке w осуществляется по шкале миллиамперметра и вольтметра (соответственно). Моменты срабатывания реле (IСР, UСР, IОТ, UОТ) фиксируются соответственно по зажиганию и погасанию лампочки HL1.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание № 1. Исследование статических параметров электромагнитных реле.
Порядок выполнения задания
Включите лабораторный стенд и прогрейте его в течение 5 мин.
Ручкой переключателя «Г1» выберите тип реле.
По показаниям амперметра и вольтметра определите значения тока срабатывания IСР и напряжения срабатывания UСР реле. Для этого, плавно увеличивая напряжение ручкой «П1», добейтесь загорания лампочки «HL1» и зафиксируйте показания амперметра и вольтметра. Результаты измерений занесите в табл. 4.9.1.
Определите значения тока отпускания IОТ и напряжения отпускания UОТ реле. Для этого плавно уменьшая напряжение ручкой «П1» добейтесь погасания лампочки «HL1» и зафиксируйте показания амперметра и вольтметра. Результаты измерений занесите в табл. 4.9.1.
Ручку плавного регулирования напряжения и тока «П1» переведите в крайнее левое положение.
Повторите п. п.3 - 4 для других типов реле. Полученные результаты занесите в табл. 4.9.1.
С помощью переключателей «T.1.1» и «T.1.2» измените, полярность тока в цепи и повторите п. п. 2 - 5. Полученные результаты занесите в табл. 4.9.1.
По полученным данным рассчитайте коэффициент возврата по току КВ(I) (4.9.1) и по напряжению КВ(U) (4.9.2). Полученные результаты занесите в табл. 9.1.
По полученным данным (табл. 4.9.1) определите тип исследуемых реле.

Таблица 4.9.1. Экспериментальные данные
N реле
Полярность
IСР, мА
UСР, В
IОТ, мА
UОТ, В
КВ(I)
КВ(U)











Контрольные вопросы
Классификация реле.
Электромагнитные нейтральные реле.
Электромагнитные поляризованного реле.
Вибропреобразователи.
Параметры электромагнитных реле.
Классификация электромеханических реле.
Магнитоэлектрические, электродинамические реле.
Индукционные реле.
Тепловые и магнитострикционные электромеханические реле.
Принцип работы лабораторного стенда.


4.10. Исследование параметров МАГНИТОУПРАВЛЯЕМЫх ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫх КОНТАКТов (Герконов)

Цель работы: ознакомление с принципом действия, конструкцией и применением магнитоуправляемых герметизированных контактов (герконов), исследование характеристик герконов.
Приборы и принадлежности: осциллограф, генератор импульсов, лабораторный стенд для исследования параметров и характеристик герконов, набор исследуемых герконов.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Классификация контактов реле [13,14,18]. Контакты электромагнитных реле бывают трех видов (рис. 4.10.1). Изображенный на рис.4.10.1, а контакт разомкнут при отпущенном якоре, и замыкается при срабатывании реле. Такие контакты называются замыкающими (или нормально - разомкнутыми). Если контакты замкнуты, пока реле не сработало, и размыкаются при его срабатывании - такие контакты называются размыкающими, или нормально - замкнутыми (рис. 4.10.1, б). Существуют еще переключающие контакты. Они представляют собой комбинацию контактов двух первых типов с одной общей средней контактной пружиной (рис. 4.10.1, в).
Расчет и выбор контактов производится на основании следующих их эксплуатационных параметров:
предельно допустимый ток через замкнутые контакты IПР,
предельно допустимое напряжение на разомкнутых контактах UПР,
предельная разрываемая контактами мощность (при их размыкании) РПР,
предельное число включений.
По эксплуатационным параметрам определяют конструктивные параметры контактов: форму, размеры и материал контактов, давление с которым они прижимаются при замыкании, расстояние, на которое они расходятся при замыкании, а также специальные средства дуго- и искрогашения.

Существуют магнитоуправляемые контакты (герконы) [14]. Это контакты электрической цепи, изменяющие состояние цепи посредством механического замыкания или размыкания ее при воздействии управляющего магнитного поля на его элементы. Герконы бывает вакуумные, газонаполненные, ртутные. Конструкция простейшего реле на герконе приведена на рис. 4.10.2.

Если по обмотке реле пропускать ток, возникающее магнитное поле, проникая через стеклянный баллон, намагничивает контактные пружины – выводы, впаянные в него. При определенной напряженности магнитного поля контакты прижимаются друг к другу с силой, которая определяется напряженностью магнитного поля, упругими свойствами пружин и рабочим зазором между ними. По сравнению с электромагнитным реле, реле на герконе обладает большим быстродействием, высокой стабильностью переходного сопротивления контакта и износостойкостью.

Параметры контактов
Предельно допустимые параметры:
Предельно допустимый ток IПР определяется допустимой температурой нагрева контактов, при которой они еще не размягчаются. Нагрев контактов происходит за счет выделяющейся в них в виде тепла мощности

РК = I2 RК, (4.10.1)

где RК - сопротивление контактов RК = 10-3 - 10-5 Ом.
Предельно допустимое напряжение UПР - определяется напряжением пробоя промежутка между разомкнутыми контактами и пробоя изоляции контактов.
Предельная разрываемая контактами мощность РПР - представляет собой мощность исполнительной цепи РПР = (UI)ПР, которую данные контакты могут разорвать без опасности установления на них после расхождения на предельное расстояние устойчивой дуги. Величина РПР определяется условием погасания дуги между контактами после их размыкания.
В момент, когда между расходящимися контактами возникает возрастающий от нуля промежуток, в нем возникает газовый разряд. Он может иметь две формы: искровой разряд и дуговой разряд [10].
Дуговой разряд возникает, если ток разрываемой цепи достаточно велик. Величина минимального тока, необходимого для возникновения дуги, зависит от материала контактов. Для меди и серебра, например, она равна при нормальных атмосферных условиях ~ 0,4 А. Величина напряжения, приложенного к воздушному промежутку также должна быть не меньше некоторого предельного значения. Так, для меди и серебра это ~ 12 В. Если ток в разрываемой цепи меньше указанной выше величины, газовый разряд может возникнуть в форме искрового разряда. Однако, для его возникновения необходимо напряжение не менее ~ 300 В. Если этого нет, то размыкание контакта произойдет вообще без возникновения газового разряда.
Если разрываемая цепь содержит индуктивность, что обычно имеет место, то напряжение на контактах в момент разрыва цепи может во много раз - на целый порядок превзойти напряжения питания этой цепи из-за появления ЭДС самоиндукции. То есть при достаточно быстром разрыве индуктивной цепи даже низкого напряжения в момент разрыва контакта возникает искровой разряд. Всякий газовой разряд при разрыве контакта вреден, так как сопровождается переносом частиц металла с одного контакта на другой, что нежелательно для их поверхности. Особенно опасен дуговой разряд, где перенос металла больше, так как больше ток и, кроме того, дуга накаляет контакты, что приводит к их окислению. Итак, с началом расхождения контактов между ними возникает газовый разряд, принимающий форму дугового разряда, если ток в цепи достаточно велик. Для прекращения разряда контакты необходимо развести на расстояние, чтобы приложенное к ним напряжение стало не достаточным для поддержания разряда. При фиксированной величине конечного расстояния между контактами значению напряжения цепи U соответствует некоторое предельное значение в ней тока I, который может разрываться этими контактами. В паспортах на реле вместо РПР часто приводятся предельно разрываемые значения U и I, при которых гарантируется указанное в паспорте число включений в реле.

Статические параметры магнитоуправляемых контактов (герконов):
Магнитодвижущая сила срабатывания:


·СР = IСР w. (4.10.2)

Магнитодвижущая сила отпускания:


·ОТ = IОТ w. (4.10.3)

Коэффициент возврата:

13 EMBED Equation.3 1415. (4.10.4)

Коэффициент запаса по срабатыванию

13 EMBED Equation.3 1415, (4.9.5)

где
·УСТ = IУСТ w, (4.10.6)

IУСТ - величина установившегося тока в обмотке реле, IСР - ток срабатывания, IОТ - ток отпускания, w - число витков обмотки, РУ - потребляемая мощность РУ = UIРАБ, IРАБ ( 1,3 - 1,6 IСР.

Динамические параметры магнитоуправляемых контактов (герконов):
Время срабатывания tСР складывается из времени трогания tТР , времени движения контактных пружин tДВ и времени вибрации tВБ:

tСР = tТР + tДВ + tВБ. (4.10.7)

Время трогания - это интервал времени с момента подачи напряжения на обмотку до начала движения контактных пружин. Оно зависит от скорости нарастания магнитного потока и определяется параметрами обмотки и цепи, в которую она включена.
Время движения зависит от конструкции и материала контактных пружин, а также величины рабочего зазора. С достаточной точностью можно считать, что

tДВ = (0,4 – 0,5) tТР . (4.10.8)

Время вибрации - это интервал времени с момента начала первого до начала последнего замыкания геркона при замыкании и с момента начала первого до начала последнего размыкания геркона – при размыкании.
Время отпускания tОТ - это интервал времени с момента снятия напряжения с обмотки до момента полного размыкания контактных пружин (в случае нормально разомкнутых контактов) или полного замыкания контактных пружин (в случае нормально замкнутых контактов).

Материал контактов
К материалу контактов предъявляются жесткие требования [10,14,18]: он должен быть механически прочным, иметь достаточно высокую температуру плавления, быть устойчивым против коррозии и эрозии, обладать хорошей тепло - и электропроводностью. При этом он должен поддаваться необходимой обработке. Коррозии контактов способствует их нагрев. В результате химического взаимодействия с кислородом и серой окружающего воздуха поверхность металла покрывается оксидной или сульфидной пленкой, плохо проводящей электричество. Эрозия контактов (их разрушение) происходит в результате газового разряда при замыкании и размыкании. Ввиду этих требований контакты делают из благородных металлов. Достоинство благородных металлов - стойкость против коррозии. Однако они не стойки против эрозии и это обстоятельство, наряду с высокой стоимостью, не позволяет применять их для более мощных контактов. Для контактов, рассчитанных на токи в единицы ампер (1 - 10 А), применяют более тугоплавкие и твердые металлы, такие как вольфрам, молибден и их сплавы с платиной, иридием. Мощные контакты выполняют из меди. Широко применяют контакты из композиций (механической смеси из нескольких порошковых металлов). Смесь прессуют под нагревом, обеспечивающим спекание составляющих. Этим способом удается получить наиболее качественные контакты из всевозможных комбинаций металлов, не сплавляемых друг с другом.
Существуют контакты специальных типов: вакуумные и ртутные. Помещение контакта в вакуум затрудняет возникновение дуги и тем самым резко повышает предельную разрываемую ими мощность РПР. Такие контакты используются во взрывоопасных, химически агрессивных средах. Ртутный контакт, подобно вакуумному, не связан с окружающей атмосферой и поэтому обладает всеми его достоинствами. Ртутные контакты делаются на большую мощность, чем вакуумные.
В данной лабораторной работе для исследования параметров магнитоуправляемых герметизированных контактов используется лабораторный стенд с набором исследуемых герконов (рис. 4.10.3).
Стенд состоит из двух частей. Первая, содержащая группу исследуемых герконов Г1, генератор прямоугольных импульсов (Г5 - 54), двухканальный осциллограф, источник питания (G1), используется для исследования динамических параметров герконов.
Вторая часть, содержащая группу исследуемых герконов, источник питания (G1), индикаторную лампочку (Л), измерители тока и напряжения (“мA”, “V”), предназначена для исследования статических параметров герконов. Переключатель «В1» предназначен для переключения режимов работы схемы.
Для исследования статических параметров герконов переключатель «В1» устанавливается в положение «2». Регулировка тока в обмотке катушки геркона w2 осуществляется переменным резистором R4. Контроль тока в обмотке и падения напряжения на обмотке w2 осуществляется по шкале измерителя тока (“мA”) и измерителя напряжения (“V”) (соответственно). Моменты срабатывания (IСР, UСР ) и отпускания (IОТ, UОТ) геркона Г2 определяются соответственно по зажиганию и погасанию лампочки Л.
Для исследования динамических параметров переключатель «В1» устанавливается в положение «1». Обмотка геркона w1 запитана от генератора прямоугольных импульсов. На вход осциллографа Y1 поступает напряжение, пропорциональное току в обмотке w1, а на вход Y2 - напряжение, пропорциональное току в цепи контактов Г1. Запуск разверток осциллографа происходит одновременно по сигналу, поступающему на вход Y1, и по взаимному временному сдвигу осциллограмм, первого и второго каналов можно определить динамические параметры геркона (рис. 4.10.4).

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание № 1. Исследование статических параметров магнитоуправляемых контактов (герконов).

Порядок выполнения задания
Установите ручку резистора R4 на боковой панели стенда в крайнее левое положение. Переключатель «S1», «S2» в положение «1».
Включите лабораторный стенд и прогрейте его в течение 5 мин.
Переключатель «В1» переведите в положение «2». С помощью резистора R4 плавно увеличивайте ток в обмотке реле w2 до момента замыкания контактов, о чем сигнализирует загорание лампочки «Л». По показаниям амперметра и вольтметра определите величину IСР и UСР. Полученные результаты занесите в табл. 4.10.1.
Уменьшая ток в обмотке реле w2, зафиксируйте величину IОТ и UОТ в тот момент, когда лампочка «Л» погаснет. Результаты занесите в табл. 4.10.1.
По полученным данным определите магнитодвижущие силы срабатывания и отпускания (4.10.2, 4.10.3), коэффициент возврата (4.10.4). Результаты занесите в табл. 4.10.1.
Повторите п. п. 3 - 4 несколько раз (по указанию преподавателя) и вычислите среднее арифметическое значение исследуемых величин. Полученные результаты занесите в табл. 4.10.1.
Повторите измерения по п. п. 4 - 6 для других типов реле, установив переключатель «S2» в положение «2», «3» (поочередно). Полученные результаты занесите в табл. 4.10.1.
По данным табл. 4.10.1 определите тип исследуемых герконов.

Таблица 4.10.1. Экспериментальные данные

UСР
В
IСР
mA

·СР,
mA
UОТ
В
IОТ
mA

·ОТ
mA

В

mA

В

mA
<
·СР>
mA
<
·ОТ>
mA
КВ

















Задание № 2. Исследование динамических параметров магнитоуправляемых контактов (герконов).
Порядок выполнения
Переведите переключатели «В1» и «S1» в положение «1».
Плавно увеличивая амплитуду импульсов генератора, добейтесь коммутации сигнала в цепи геркона. На экране осциллографа получите устойчивую динамическую картину, как показано на рис. 4.10.4.
Сравнивая осциллограммы управляющего и коммутируемого токов (рис. 4.10.4), определите tСР, tОТ, tВБ. Полученные результаты занесите в табл. 4.9.2.
Ручкой регулировки амплитуды импульсов генератора установите амплитуду тока IУСТ в обмотке геркона w1, соответствующую коэффициенту запаса КЗ (величина КЗ задается преподавателем). По полученным осциллограммам определите tСР, tОТ, tВБ. Результаты занесите в табл. 4.10.2.
По полученным данным постройте графики зависимости tСР (КЗ), tОТ(КЗ), tВБ(КЗ).
Таблица 4.10.2. Экспериментальные данные
№ п/п
IУСТ, мА
КЗ = IУСТ/IСР
tСР, мкс
tОТ, мкс
tВБ, мкс









Контрольные вопросы
Классификация контактов реле.
Магнитоуправляемые герметизированные контакты (герконы).
Предельно допустимые параметры контактов.
Статические параметры контактов.
Динамические параметры контактов.
Контактные материалы.
Принцип работы лабораторного стенда.
Библиографический список
Андреев В. М. Материалы микроэлектронной техники: Учеб. пособие для вузов/ В. М. Андреев, М. Н. Бронгулева, С. Н. Дацко; Под ред. В. М. Андреева. М.: Радио и связь, 1989. 350 с.
Барыбин А. А. Физико-технологические основы электроники/ А. А. Барыбин, В. Г. Сидоров. СПб.: Лань, 2001. 272 с.
Богородский А. П. Электротехнические материалы: Учеб. для вузов/ А. П. Богородский, В. В. Пасынков, В. М. Тареев. Л.: Энергоатомиздат, 1985. 304 с.
Бондер В. А. Измерительные приборы (теория, расчет, проектирование): Учеб. для вузов: В 2 т. Т. 2: Методы измерений, устройство и проектирование приборов/ В. А. Бондер, А. В. Алферов. М.: Изд-во стандартов, 1986. 224 с.
Бондер В. А. Измерительные приборы: Учеб. для вузов: В 2 т. Т. 1: Теория измерительных приборов. Измерительные преобразователи/ В. А. Бондер, А. В. Алферов. М.: Изд-во стандартов, 1986. 391с.
Гусев В. Г. Электроника: Учеб. пособие для вузов/ В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. М.: Высш. шк., 1991. 624 с.
Девис Дж. Карманный справочник радиоинженера: Дж. Девис, Дж. Карр. Пер. с англ./ М.: Издат. дом «Додэка – XXI», 2002. 544 с.
Дулин В. Н. Электронные приборы: Учеб. для вузов/ В. Н. Дулин, Н. А. Аваев, В. П. Демин; Под ред. Г. Г. Шишкина. М.: Энергоатомиздат, 1989. 496 с
Мукасеев В. В. Маркировка и обозначение радиоэлементов: Справ./ В. В. Мукасеев, И. Н. Сидоров. М.: Горячая линия - Телеком, 2001. 210 с.
Пасынков В. В. Материалы электронной техники: Учеб./ В. В. Пасынков, В. С. Сорокин. СПб.: Лань, 2002. 368 с.
Рандошкин В. В. Прикладная магнитооптика/ В. В. Рандошкин, А. Я. Червоненкис. М.: Энергоатомиздат, 1990. 320 с.
Свечников Г. С. Элементы интегральной оптики. М.: Радио и связь, 1987. 104 с.
Терещук Р. М. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства/ Р. М.Терещук, К. М.Терещук, С. А.Седов. Киев: Наук. думка, 1982. 672 с.
Харазов К. И. Реле с магнитоуправляемыми контактами. М.: Энергия, 1971. 200 с.
Щука А. А. Функциональная электроника: Учеб. для вузов: В 2 т. М.: Изд - во стандартов, 1986. 260 с.
.Электрорадиоматериалы: Учеб. пособие/ Б. М. Тареев, Н. В. Короткова, В. М. Петров и др.; Под ред. Б. М. Тареева. М.: Высш. шк., 1978. 336 с.
Элементы и устройства на ЦМД: Справ./ Под ред. Н. Н. Евтихеева. М.: Радио и связь, 1987. 488 с.
Юревич Ю. И. Электромагнитные устройства автоматики. М.: Энергия, 1986. 416 с.








13PAGE 15


13PAGE 1410915



Рис. 4.1.3. Электрическая схема для определения емкости плоского разборного конденсатора


Рис. 4.3.3. Зависимости намагниченности феррита от температуры: 1 - намагниченность подрешетки А, 2 - намагниченность подрешетки В, 3 - результирующая температурная зависимость намагниченности феррита

Рис. 4.3.1 Рис. 4.3.2

Рис. 4.2.3. Зависимость термо-ЭДС от разности температур горячего и холодного спаев для термопар: 1 - хромель-копель (ХК), 2 - железо-копель (ЖК), 3 - медь-копель (МК), 4 - железо-константан, 5 - медь-константан, 6 - хромель-алюмель (ХА), 7 - платинородий-платина (ПП)

Рис. 4.2.2. Способы включения прибора в контур термопары: а - в свободный конец, б - в термоэлектрод

Рис. 4.2.1. Принципиальная схема контура термопары

Рис. 4.1.4. Внешний вид измерителя
добротности Е4-11


Рис. 4.1.2. Общий вид разборного конденсатора

Рис. 4.1.1. Параллельная (а) и последовательная (б) эквивалентные схемы диэлектрика с потерями и векторные диаграммы для них

Рис. 2.1. Классификация
полупроводниковых материалов

Рис. 1.4, а - расщепление уровней в зоне при
сближении атомов в кристалле, б - схема
энергетических уровней полупроводников и
диэлектриков

Рис. 1.3. Взаимодействие света с веществом

Рис. 1.2. Виды теплопередачи

Рис. 1.1. Классификация основных свойств материалов


Рис. 4.4.1. Виды доменных структур

Рис. 4.4.2. Виды доменных границ

Рис. 4.3.4. Зависимости магнитной индукции В и магнитной проницаемости ( от напряженности магнитного поля Н: 1 - особо чистое железо, 2 - чистое железо (99,98% Fe), техническое чистое железо (99,92% Fe), 4 - пермаллои (78% Ni), 5 - никель, 6 - сплав железо-никель (26% Ni)


Рис. 4.3.5. Кривая намагничивания, предельная петля гистерезиса (внешняя) и одна из частных петель гистерезиса (внутренняя) магнитного материала


Рис. 4.4.3. Зависимость характеристической длины l от периода Р0


Рис. 4.4.4. Блок-схема лабораторного стенда

Рис. 4.5.1. Функциональные характеристики переменных резисторов

Рис. 4.5.2. Конструкция непроволочного постоянного резистора

Рис. 4.5.3. Эквивалентные схемы резисторов

Рис. 4.5.4. Схема измерительного моста

Рис. 4.5.5. Кривые, характеризующие нормальный закон распределения случайных величин

Рис. 4.5.6 Гистограмма

Рис. 4.6.1. Характеристики терморезистора: а- температурная, б- вольтамперная

1

2

Рис. 4.6.2. Вольтамперная характеристика варисторов: 1- варистор без участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением, 2- негистор.


Рис. 4.6.3. Упрощенная схема лабораторного стенда для измерения сопротивления терморезисторов и регистрации вольтамперных характеристик варисторов


Рис. 4.7.1. Изменение емкости С в зависимости от площади перекрытия пластин (а), переменный конденсатор (б): 1 – статор, 2 – ротор


Рис. 4.7.3. Процесс зарядки и разрядки конденсатора

Рис. 4.7.4. Схема № 1

Рис. 4.7.5. Схема № 2

Рис. 4.7.6. Схема № 3

Рис. 4.8.1. Конструкция однослойной катушки

Рис. 4.8.2. К расчету индуктивности реальных катушек

Рис. 4.8.3. Конструкция многослойной катушки (1 - каркас; 2 - обмотка)

Рис.4.8.4. Конструкция плоской спиральной катушки: D0 - диаметр внутреннего витка, D - диаметр внешнего витка, ( - шаг спирали, w - число витков, t - радиальная толщина обмотки, 1 - изоляционное основание, 2 - печатный проводник

Рис. 4.8.5. Эквивалентная схема катушки индуктивности
L - индуктивность, С0 – емкость, Rf - сопротивление потерь в проводе обмотки, RД - сопротивление потерь в диэлектрике

Рис. 4.9.1. Электромагнитное реле клапанного типа: а - с замыкающим контактом, б - размыкающий контакт, в - переключающий контакт

Рис. 4.9.2. Конструкция нейтрального электромагнитного реле



Рис. 4.9.3. Конструкция поляризованного электромагнитного реле:
1 - катушка электромагнита, 2 - постоянный магнит, 3 – магнитопровод, 4 – якорь, 5 - подвижный контакт, 6 - неподвижный контакт, 7 - регулировочный винт, 8 - линия нейтрального положения якоря

Рис. 4.9.4. Вариант схемы преобразования постоянного тока в переменный с помощью вибратора

Рис. 4.9.5. Резонансное электромагнитное реле

Рис. 4.9.6. Магнитоэлектрическое реле с угловым (а) и поступательным (б) перемещением рамки

Рис. 4.9.7. Схема лабораторного стенда для исследования параметров электромагнитных реле

Рис. 1. Виды контактов: а - замыкающий контакт, б - размыкающий контакт, в - переключающий контакт

Рис. 2. Реле на герконе: 1 - баллон, 2 - пружина - вывод, 3 - слой благородного металла, 4 - магнитные силовые линии, 5 - обмотка, 6 - изоляционный корпус

Рис. 3. Схема лабораторного стенда для исследования параметров герконов

Рис. 4. Пример осциллограмм для расчета динамических параметров герконов




Приложенные файлы

  • doc 17711285
    Размер файла: 3 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий