Герасимов В.Г. (ред). - Электрические измерения и основы электроники (1998), страница 11

Для измерения их сопротивления обычно применяют мостовые схемы (рис.1.55). В двухпроводной мостовой схеме (см. рис. 1.55,а) возникает погрешность от влияния сопротивления проводов линии связи, входящих в измерительное плечо моста, так как условие равновесия для нее имеет вид (Ко+ 2К„)КЗ=К!К2и К„,=К, К2)К -2К„, где К = К,= К,. Уменьшения этой погрешности добиваются с помощью трехпроводной схемы (см. рис. 1.55,б), для которой О л!) 3 !( 2 л2)' О ! ( 2 л2) л!' т.е. происходит компенсация сопротивления К,К 2®,сопротивлением К,. ч 3 л! Действие термоэлектричегких преобразователей основано на возникновении ЭДС при нагреве или охлаждении спая двух разнородных проводников.

Для измерения термоЭДС Е применяют электроизмерительный прибор (милливольтметр, компенсатор и др.). На рис.1.56 показана простейшая схема включения прибора в цепь термопары. Точка! соединения концов термоэлектродов называется рабочим концом термопары, точки 2 — свободными концами.

Для однозначности функции преобразования Е =)'(О) необходимо температуру свободных концов поддержио вать одинаковой н неизменной. (1.52) а) Рис ! .55. Электрические схемы включения терморезисторов: по двухпроводной (а) и трехпроводной (б) схемам 2 Рис.1.56. Схема включения термопары, Тепловые первичные преобразователи применяют в основном для измерения температуры, а также скорости и расхода жидкости и газа, влажности, перемещения, размеров и даже химического состав газовых смесей. Рассмотренные выше первичные преобразователи составляют далеко не полный перечень.

Существуют электрохимические, ионизационные, фотоэлектрические ПП и др. Применяются они для измерения состава и концентрации растворов и газов, прозрачности жидкостных и газовых смесей, температуры и линейных размеров. Задача 1.31. Для измерения температуры используется одинарный неуравновешенный мост (рис.1.57,а) с измерительным преобразователем А (термометром сопротивления МПТШ-48) в плече. В качестве выходного прибора включен милливольтметр т1' с внутренним сопротивлением А = 100 Ом.

Источник питания имеет ЭДС Е = 6 В, сопротивления п~к резисторов в двух плечах моста равны А =1О Ом, А =100 Ом. На з а рис. 1.57,6 приведены характеристики термометров сопротивления с чувствительными элементами (терморезисторами) из различных металлов. Они выражают зависимость относительного изменения сопротивления элемента от температуры: А И (0).

В заданном случае используется пла- т тО тиковый элемент, у которого при О= 0"С сопротивление А = 100 Ом. Изменением сопротивления резистора А мост уравновешивается (1 =О) при температуре 0=0'С. При изменении температуры мост тк выходит из равновесия и милливольтметр показывает соответствующие напряжения ~У небаланса моста. Определить значение сопротивле- тУ ния А, при котором обеспечивается равновесие моста, а также ток 1 2' в терморезисторе для этого режима.

Найти показания милливольтметра при температурах -100„+100; +400 'С. С Я7~~Т(0) а) Рис ! 57 К задаче 1 31 -200 0 200 400 600 0'С.,' б) Р е ш е н и е На основании условия равновесия моста А К„=К ~ тО находим Д/1~= =10з Ом !00 - 100 Для определения показаний милливольтметра при разных значениях температуры воспользуемся методом эквивалентного генератора, заменив Л на/т . х т а) при 0 = 0" Я = 1000м,)х = 100 0м,Я = 100м, Я = 10000м, 1 = Е/(К +/т )= 6/(100+1000) = 0,00545 А, 1 = О, тт И = 1, б) при 0 =-100' Я = 0,7К = 700м, 1, = Е/ (Я + й ) = 6/(70+1000) = 0,0056 А, т т 2 1 = Е/(Я +й )= 6/110 = 0,0545 А, (У = — 0,15 В, Я = 74,50 Ом, 1 .= Г /(Я +Я )= 0,000860А, Г = Л 1 =-86,0 мВ.

Аналогично рассчитываются и другие показания прибора Результаты расчетов сведены в табл 1 9 Таблица19 Задача 1.32 В схеме рис 1 57,а включен термометр сопротивления типа ТСМ с медным чувствительным элементом Построить шкалу выходного прибора (милливольтметра т1), если температура измеряемой среды изменяется от-50 до +200'С, а /т = 50 Ом Параметры плеч моста т0 /т =500 Ом, Л =1О Ом, /т =100 Оч ЭДС источника питания Е=5В, 2 з 4 Л „,=1000м, У „=300 мВ Отсвет шкалу прибора можно построить на основании табл 1 10 Таблица1.10 60 ВХ Рис ! 59 К задаче 1 34 Рис ! 58 К задаче ! 33 Задача 1.33.

Для измерения уровня жидкости в сосуде применены мост переменного тока и емкостный измерительный преобразователь С Определить параметры А и С параллельной схемы замещения Л Х Х емкостного преобразователя, если в цепи на рис. 1.58 установлены следующие значения параметров уравновешенного моста: А =1000 Ом, Я,=2000м,Я = 1000м, С = 20мкФ. Ответ; А = 500 Ом, С = 4 мкФ. х х У к а з а н и е Сопротивления ветвей с параллельным соединением элементов вычисляют через проводимость, например, для плеча с образцовыми мерами С и А. Аналогично записывается выражение для плеча АС Задача 1.34. На рис.1.59 представлена упрощенная схема цепи дифференциального мостового измерителя перемещений.

В верхние два плеча включены близко расположенные одинаковые индуктивные катушки с общим плунжером !якорем). При равновесии моста он занимает симметричное положение по отношению к среднему сечению катушек Тогда их полные сопротнеленля составляют Л='Й~ер = 200 Он. Прн пере- с мещении плунжера вправо на некоторое расстояние 6 (см. рис. 1.59) сопротивления катушек изменились на +ЛЯ=5 Ом. Активные сопротивления во всех плечах моста одинаковы, т.е 4х =Я =В =А =20 Ом ! 2 3 4 Напряжение питания моста ~1 =10 В. Определить значение напряже- ВХ ння на выходе моста Г (6) ВЫХ Опадет СУ = 6,73 В. ВЫХ КОММЕНТАРИИ К ПРАВИЛЬНЫМ ОТВЕТАМ НА ВОПРОСЫ ГЛ.1 1.1.1. Действительно, ваттметр — прибор, предназначенный для измерения мощности и градуирован в единицах измерения ее.

Поэтому использование его относится к прямым измерениям и методу непосредственной оценки. 1.1.4. Приборы, включенные в цепь, измеряют ток и напряжение нагрузочного резистора, а мощность вычисляют как Р=И1. Поэтому измерения являются косвенными, осуществляемыми по методу непосредственной оценки. 1.1.6.

Сопротивление А и индуктивность 1. вычисляются с исл л пользованием формул ~щ. ~~ рц~.А ~~ Е~ г.~ А~п х х х ' х Поэтому измерения являются косвенными, осуществляемыми по методу непосредственной оценки. 1.1,7. В данной схеме измеряемое напряжение ~У сравнивается с опорх ным (образцовой мерой). Поэтому измерения являются прямыми, осуществляемыми по методу сравнения. 1.1.10. Измеряемое сопротивление Я вычисляется по формуле Я,= =А,А,И . Поэтому измерения являются косвенными, осуществляемыми по методу сравнения.

1.2.1. Электродинамический фазометр выполнен по логометрической схеме, достоинством которой является действие одного и того же напряжения на две подвижные катушки (см.~ 1.б). 1.32. Токи 1, и 1 распределяются обратно пропорционально полным сопротивлениям ветвей (см. рис. 1.49). Параметры ветвей подобраны так, что при средней частоте диапазона токи равны н указатель показывает среднее значение частоты. Другим значениям1 соответствуют свои знах чения токов 1, и 1 и углы отклонения подвижной части.

Глава вторая ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ И ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ 2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ И ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВАХ Электроника — область науки и техники, изучающая физические явлсния в полупроводниковых и электровакуумных приборах, электрические характеристики и параметры этих приборов, а также свойства устройств и систем с их использованием. Примерно до 50-х годов в устройствах электроники (усилителях„ генераторах, выпрямителях и т.д) в качестве основного элемента применяли электронные лампы, возможности которых были весьма ограничены большим потреблением энергии, значительными габаритами и массой, небольшим сроком службы, что в свою очередь сказывалось на характеристиках и надежности самих устройств Это привело к разработке электронных приборов с другим принципом действия, которые по своим функциональным возможностям могли бы заменить электронные лампы. Ими стали экономичные и надежные полупроводниковые приборы, имеющие малую массу, высокий КПД и очень большой срок службы.

В настоящее время устройства с использованием электронных полупроводниковых приборов нашли исключительно широкое применение практически во всех областях науки и техники, электроэнерге. тике, медицине, быту Они используются для автоматического управления различными объектами и технологическими процессами, в системах получения, передачи, обработки, хранения и использования информации, в бытовой радиоэлектронной аппаратуре и т.д. Работа полупроводниковых приборов основана на использовании электрических свойств материалов, называемых полупроводниками.

По электропроводности полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлекприками. Удельное электрическое сопротивление полупроводников при комнатной температуре лежит в пределах 10 з — 10'0 Ом см В качестве полупроводниковых веществ используются кремний, германий (элементы 1Ч группы периодической системы Менделеева), а также гелен, аргенид галлия, фосфид галлия и др Электропроводность чистых однородных полупроводников при темпеРатуре, отличной от абсолютного нуля, обусловлена попарны м образова- 63 нием (генерацией) свободных носителей заряда — электронов и дырок При сообщении полупроводнику определенной энергии один из элек тронов вырывается из узла связи кристаллической решетки и становитс„ свободным, а освободившееся в узле решетки места приобретает положи тельный заряд.

равный заряду электрона. Это вакантное для электронов место кристаллической решетки получила название дырки. Наряду с гене рацией носителей заряда при их хаотичном движении происходит про цесс рекомбинаиии — воссоединение (исчезновение) пары носителей заряда при встрече свободного электрона с дыркой. Устанавливается динамическое равновесие между количеством возникающих и исчезающих пар. и при неизменной температуре общее количество свободных носителей заряда остается постоянным При приложении к полупроводнику внешнего электрического поля движение свободных зарядов упорядочивается, электроны и дырки движутся во взаимно противоположных направлениях вдоль силовой линии электрического поля.

Электропроводность чистого полупроводника называется собственной. При обычных температурах количество свободных электронов и дырок в чистом полупроводнике невелико и составляет 1016 — 10~" в 1 смз вещества. Такой полупроводник по своим электрическим свойствам приближается к диэлектрикам. Электрические свойства полупроводников существенно изменяются при введении в них определенных примесей.

В качестве примесей используют элеменгы 111 и У групп периодической системы Менделеева. Введение, например, в кремний (элемент 1Ч группы) в качестве примеси атомов мышьяка (элемент Ъ' группы) создает избыток свободных электронов за счет пятого валентного электрона на внешней оболочке атомов примеси Удельное электрическое сопротивление такого полупроводника значительно уменьшается, в ием будет преобладать электронная электропроводность, а сам полупроводник называют полупроводником и-типа. Носители заряда, концентрация которых выше (в данном случае это электроны), называются основными носителями, а с меньшей концентрацией (дырки) — неосновны ми.