Описание человеческой физиологии www.medsest.ru/info/physiology Спортивные ставки на футбол смотрите на www.winline.ru.
Физика примеры решения задач Электротехника Задачи и лабораторные работы Математика примеры решения задач Вычислить интеграл Информатика Компьютерные сети Компьютерная математика
Исследование полевых транзисторов Исследование биполярных транзисторов Полупроводниковые выпрямители Электронный усилитель на транзисторах Лабораторная работа Исследование стабилитронов Исследование варикапов

Методические указания лабораторные работы по электронике

Основные характеристики тензорезисторов

К основным технико-метрологическим характеристикам тензорезисторов относятся тензочувствительность, ползучесть, механический гистерезис, температурная нестабильность и группа динамических характеристик.

Тензочувствительность определяется главным образом тензорезистивными свойствами материала чувствительного элемента, однако в значительной степени зависит от конструкции преобразователя, материала основы, вида и условий полимеризации клея и других факторов. Тензочувствительность тензорезистора, как и самого тензорезистивного материала, определяется коэффициентом относительной тензочувствительности K (15).

Ползучесть проявляется в виде изменения выходного сигнала при заданном и неизмененном значении деформации и определяется обычно как, где  - приведенное к входу изменение выходного сигнала при заданной относительной деформации . Причиной ползучести является упругое несовершенство основы и клея. В пределах упругого диапазона деформаций ползучесть большинства тензорезисторов не превышает 1-1,5% за 6 ч.

Механический гистерезис, как и ползучесть, обусловлен упругим несовершенством основы и клея и численно определяется как приведенная к входу разность значений выходного сопротивления для одного и того же значения деформации при условии, что данное значение деформации достигается при плавном ее возрастании и плавном уменьшении. Для различных типов тензорезисторов механический гистерезис лежит в пределах 0,5-5%.

Температурная нестабильность, или влияние температуры окружающей среды на основные параметры тензорезисторов, заключается, с одной стороны, в изменении сопротивления тензорезистора за счет его ТКС, а с другой – в появлении дополнительных механических напряжений вследствие различия в температурных коэффициентах линейного расширения материала тензорезистора и исследуемой детали.

Основной динамической характеристикой тензорезисторов является их собственная частота, значение которой для наклеенных тензорезисторов лежит в пределах 100-300 кГц. Собственная частота тензорезистора определяет предельную частоту исследуемого процесса, при которой частотными погрешностями можно пренебречь. Для исследований переменных деформаций обычно выбирают тензорезистивный преобразователь, собственная частота которого хотя бы в 5-10 раз превышала частоту деформаций.

Важным параметром тензорезисторов является допустимая мощность, которая может рассеиваться в тензорезисторе при условии, что его перегрев не превысит допустимого значения. Допустимая мощность тензорезистора находится в определенной зависимости от его геометрических размеров, что может использоваться как при определении для известных тензорезисторов, так и при определении геометрических размеров проектируемых преобразователей, исходя из заданной допустимой мощности или допустимого значения измерительного тока.

Удельная мощность используемых в настоящее время проволочных, фольговых и полупроводниковых тензорезисторов независимо от рассеиваемой в них мощности и полной поверхности, занимаемой чувствительным элементом, обычно колеблется в незначительных пределах: =26…28 кВт/м.

Особенностью приклеиваемых тензорезистивных преобразователей является то обстоятельство, что они представляют собой преобразователи разового действия, т.е. не могут быть переклеены из объекта на объект. Поэтому функция преобразования рабочего тензорезистора не может быть определена, а для ее оценки определяют функцию преобразования аналогичного, так называемого градуировочного, преобразователя из той же партии. Естественно, что такой способ оценки характеристик рабочих тензопреобразователей применим лишь в том случае, когда свойства преобразователей всей партии совершенно идентичны, а остаточные деформации, вызываемые затвердеванием клея при приклейке рабочих и градуировочных преобразователей, так же одинаковы. Практика показывает, что погрешность от неидентичности при тщательной приклейке тензорезисторов и хорошем качестве клея обычно не превышает 1,5%.

3. Оборудование, используемое при выполнении лабораторной работы.


Рис. 3. Структурная схема тензометрической установки для измерения усилий

Д – датчик силоизмерительный резистивный 1778 ДСТ К 1,5-0,4 (далее – просто датчик);

УПТ – усилитель постоянного тока;

ИП – источник постоянного тока;

V – вольтметр постоянного тока.

Измеряемое усилие P воздействует на упругий элемент датчика Д, из-за этого меняется сопротивление тензорезисторов, и, как следствие этого, напряжение постоянного тока на выходе датчика.

3.1. Технические характеристики силоизмерительного датчика.

Датчик предназначен для получения информации о величине измеряемых статических или медленно меняющихся усилий сжатия или растяжения. Его основными частями являются упругий элемент и наклеенные на него тензорезисторы.

Датчик обеспечивает свои метрологические характеристики при эксплуатации в рабочих условиях с температурой от минус 50 до плюс 50 °С, атмосферном давлении от 630 до 800 мм рт. ст. и напряжении питания постоянным электрическим током не более 12В.

Одним из основных параметров датчика является рабочий коэффициент передачи – отношение напряжения выходного сигнала в мВ к напряжению питания в В при номинальной нагрузке. Номинальная нагрузка датчика – 1,5 тс (1,5 кН). Рабочий коэффициент передачи (РКП) – 1,5 мВ/В. Категория точности – 0,4.

Начальное значение коэффициента передачи (НКП) датчика должно быть не более 2,5% РПК.

Нижний предел измерения датчика должен быть не более 20% от номинальной нагрузки. Датчик должен быть устойчив к нагрузке, на 25% превышающую номинальную, воздействующую непрерывно в течение не менее двух часов.

Допускаемые значения погрешностей приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Наименование погрешности

Допускаемое значение, % от РКП

Систематическая составляющая погрешности

0,40

СКО случайной погрешности

0,20

Гистерезис

0,40

Нелинейность

0,40

Изменение НКП при изменении температуры на 1 °C

0,012

Изменение РКП при изменении температуры на 1 °C

0,012

При прохождении постоянной составляющей коллекторного тока Iк по сопротивлению Rк на последнем возникает падение напряжения. Поэтому величина напряжения на коллекторе транзистора Uкэ относительно эмиттера равна разности напряжений источника питания и падения напряжения на резисторе Rк, т. е. Uкэ=Eп–IкRк. Эта формула показывает, что максимальному значению тока коллектора будет соответствовать минимальное напряжение на коллекторе и наоборот. Рабочая точка или точка покоя транзистора задается пересечением выходной динамической характеристики по постоянному току (или, другими словами, нагрузочной прямой по постоянному току) с одной из статических коллекторных (выходных) характеристик транзистора (на рис. 7.7  эта точка обозначена буквой П). Наклон выходной динамической характеристики по постоянному току, которая, как следует из рисунка, пересекает оси Iк и Uкэ в точках Еп/Rк и Еп соответственно, зависит от величины коллекторного сопротивления: чем больше Rк, тем меньше угол a. Для определения нужной кривой семейства статических характеристик необходимо знать ток базы в рабочей точке Iбп. Порядок нахождения тока Iбп будет описан ниже.


Если на входе каскада действует переменный сигнал достаточно низкой частоты, то точки пересечения максимального и минимального значений тока базы Iб макс и Iб мин с нагрузочной прямой определяют значения напряжения на выходе транзистора. При этом максимальному току базы Iб макс соответствует максимальное значение тока в цепи коллектора и минимальное напряжение между коллектором и эмиттером. При минимальном значении тока базы Iб мин ток коллектора будет также минимальным, а напряжение между коллектором и эмиттером – максимальным. Из сказанного выше следует, что схема с ОЭ инвертирует усиливаемый сигнал.

С целью более точного определения величины выходного напряжения каскада при наличии сигнала на его входе необходимо учитывать, что по переменному току резисторы Rк и Rн включены параллельно. В этом случае следует пользоваться нагрузочной прямой по переменному току, однозначно связывающей мгновенные значения тока и напряжения на выходе каскада. Данная прямая проходит через ту же точку покоя П, что и прямая по постоянному току, но под большим углом a1 к оси Uкэ (на рис. 7.7  a1>a).

Существенное значение при исследовании работы УННЧ имеет выбор схемы термостабилизации. Необходимость стабилизации работы усилительного элемента связана с изменением обратного тока коллектора , который, например, для германиевых транзисторов примерно удваивается при увеличении температуры на каждые 10 °С. При этом начальная рабочая точка транзистора смещается, что может привести к возникновению нелинейных искажений. Изменение положения рабочей точки также ведет к изменению входного и выходного сопротивления усилителя и его амплитудной характеристики. Поэтому необходимо стабилизировать начальную рабочую точку усилительного элемента.

Наиболее распространенная схема эмиттерной термостабилизации представлена на рис. 7.8. Здесь для стабилизации рабочей точки введена отрицательная обратная связь по току, для чего в цепь эмиттера включено сопротивление Rэ. Резистивный делитель R1, R2 предназначен для поддержания неизменным потенциала на базе транзистора, причем номиналы данных резисторов выбираются так, чтобы ток, протекающий через делитель, был в несколько раз больше тока базы. Допустим, что ток Iк увеличился из-за увеличения температуры. Вместе с ним увеличивается и ток эмиттера Iэ, т. к. эти токи связаны между собой равенством Iэ=Iк+Iб. Увеличение тока эмиттера приводит к увеличению падения напряжения на сопротивлении Rэ. При неизменном потенциале базы это ведет к уменьшению разности потенциалов на переходе база–эмиттер. Для иллюстрации вышесказанного на рис. 7.9 стрелками показаны величины напряжений на электродах транзистора при нормальной температуре (рис. 7.9 а) и при увеличении температуры (рис. 7.9 б).


Уменьшение напряжения на переходе база–эмиттер приводит к уменьшению тока базы и далее к уменьшению тока коллектора. В итоге происходит компенсация начального увеличения тока Iк. Однако, введение сопротивления Rэ ведет не только к стабилизации положения рабочей точки, но и к уменьшению коэффициента усиления K из-за влияния отрицательной обратной связи по переменной составляющей коллекторного тока. Чтобы избежать этого, сопротивление Rэ блокируется по переменной составляющей конденсатором большой емкости Сэ, который шунтирует Rэ по переменному току (рис. 7.8). Приближенно величина конденсатора может быть выбрана из условия , где wн – наименьшая частота в спектре усиливаемого сигнала.

Входные характеристики транзистора структуры p-n-p, включенного по схеме с общей базой.

  Схема, поясняющая образование U ос на распределенном сопротивлении базы r б.

Отрицательное напряжение коллектора, которое не учитывается в формуле (2.1), смещает входную характеристику в область увеличения токов эмиттера I Э (рис. 2.7). Это смещение вызвано двумя причинами. Во-первых,  при повышении напряжения U КБ, в данном случае отрицательного, уменьшается ширина базы и увеличивается градиент концентрации дырок в базе, что приводит к возрастанию тока эмиттера при неизменном напряжении UЭБ. Во-вторых, увеличивается обратный  ток коллектора IКБ0, который, проходя по распределенному сопротивлению базы rб (рис. 2.8), создает на нем падение напряжения U ос = rб IКБ0. Для большей наглядности на рис. 2.8 сопротивление rб вынесено во внешнюю цепь транзистора. Полярность напряжения обратной связи U ос такова, что его появление приводит к увеличению  результирующего напряжения на эмиттерном p-n-переходе при неизменном напряжении U ЭБ. Под влиянием выше перечисленных факторов в цепи эмиттера при U ЭБ = 0 и  отрицательном напряжении на коллекторе проходит небольшой эмиттерный ток. Для его устранения на эмиттер необходимо подать некоторое отрицательное напряжение.

Выходные статические характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ, отражают зависимость I К = f (U КБ) при I Э = const (рис. 2.9).

Как известно , ток коллектора можно представить в виде

   (2.8)

При включении коллекторного перехода в обратном направлении напряжение UКБ в уравнение (2.8) подставляется со знаком «минус», поэтому при | UКБ | > φT справедливо уравнение (2.3).

Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме с общей базой.

Границей между режимом отсечки и активным режимом является характеристика (рис. 2.9), снятая  при IЭ = 0. Из выражения (2.8) видно, что при IЭ = 0 выходная характеристика представляет  собой обратную ветвь ВАХ коллекторного p-n-перехода. При увеличении отрицательного  напряжения коллектора его ток быстро достигает значения IКБ0. Дальнейший рост отрицательного напряжения UКБ до определенного значения сопровождается незначительным  увеличением тока IК, причиной чего является рост токов генерации и утечки в коллекторном p-n-переходе. При достижении напряжением UКБ некоторого значения коэффициент лавинного  умножения становится больше единицы, что сопровождается резким возрастанием тока  IК и пробоем коллекторного перехода. Напряжение коллектора, при котором возникает пробой коллекторного перехода при IЭ = 0, называют пробивным напряжением коллектор-база  и обозначают UКБ Пр. Если ток IЭ не равен нулю, то выходная характеристика смещается в область больших токов коллектора на величину h21БIЭ. Поскольку значение h21Б зависит от тока IЭ и напряжения UКБ, выходные характеристики располагаются неравномерно при одинаковых изменениях тока эмиттера. При больших токах коллектора и эмиттера пробой коллекторного перехода происходит при меньших напряжениях UКБ и может перейти в тепловой пробой. Для исключения возможности теплового пробоя режимы работы транзистора необходимо выбирать ниже кривой максимально допустимой рассеиваемой коллектором мощности РКmax (штриховая линия на рис. 2.9).

 При UКБ > 0 и IЭ > 0 эмиттерный и коллекторный p-n-переход включены в прямом направлении, что соответствует режиму насыщения. В этом режиме происходит инжекция дырок в базу, как из эмиттера, так и из коллектора. Инжектируемые из коллектора дырки движутся навстречу экстрагируемым дыркам из базы. Поэтому в режиме насыщения наблюдается резкое уменьшение тока коллектора и даже изменение его направления. Области, расположенной ниже характеристики, снятой при IЭ=0, соответствует режим отсечки.

Рассмотрим режимы работы и статические характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. При включении биполярного транзистора по схеме с ОЭ цепь базы является входной, а цепь коллектора – выходной.

В режиме отсечки полярности и значения напряжений UКЭ и UБЭ таковы, что коллекторный и эмиттерный переходы смещены в обратном направлении (рис. 2.10). В этом случае через эмиттерный p-n-переход проходит обратный ток IЭБ0, а через коллекторный – ток IКБ0. Во входной цепи (цепи базы) проходит ток базы IБ = IКБ0 + IЭБ0.

Схема включения транзистора с ОЭ в режиме отсечки.

В режиме насыщения p-n-переходы включаются в прямом направлении (рис. 2.11,а). Для включения эмиттерного p-n-перехода в прямом направлении на базу подается отрицательное напряжение UБЭ. Для включения коллекторного p-n-перехода в прямом направлении на коллектор следует подавать положительное напряжение относительно базы. Коллекторный переход включается в прямом направлении или при положительном напряжении UКЭ, или при отрицательном, но меньшем по значению, чем UБЭ. В последнем случае напряжение на коллекторном переходе будет прямым и равным UКБ = | UБЭ | - | UКЭ |. Таким образом, в отличие от схемы ОБ режим насыщения в схеме с ОЭ может наступить и  при отрицательном напряжении на коллекторе. В режиме насыщения в цепях транзистора проходят токи IК нас и IБ нас, значительно превышающие токи режима отсечки.

Схемы включения транзистора с ОЭ:

а) – в режиме насыщения, б) – в активном режиме.

Схема включения транзистора типа p-n-p с ОЭ в активном режиме показана на рис. 2.11,б. Полярности напряжений приложенных между базой и эмиттером (UБЭ) и между коллектором и эмиттером (UКЭ) обеспечивают включение эмиттерного перехода в прямом направлении, а коллекторного – в обратном направлении. При этом физические процессы, происходящие в транзисторе, аналогичны процессам в транзисторе, включенным по схеме с общей базой. Под действием напряжения UБЭ в цепи эмиттера проходит ток IЭ. В базе этот ток разветвляется. Основная его часть идет в коллектор, создавая управляемую составляющую тока коллектора, другая часть – в цепь базы, определяя ток базы рекомбинации. Навстречу току рекомбинации в базе проходит обратный ток коллектора IКБ0. Поэтому для схемы с ОЭ справедливо уравнение (2.3).

Поскольку в схеме с ОЭ входным является ток базы, уравнение (2.3) следует преобразовать так, чтобы установилась связь между током коллектора и током базы. Это достигается подстановкой в уравнение (2.3) равенства (2.6):

*

Отсюда

  (2.9)

Введя обозначение

   (2.10)

представим уравнение (2.9) в виде

  (2.11)

Из уравнений (2.9 – 2.11) следует, что ток коллектора состоит из управляемой составляющей h21ЭIБ, зависящей от входного тока, и неуправляемой (h21Э+1)IКБ0. Коэффициент пропорциональности h21Э устанавливает связь между управляемой составляющей тока коллектора и током базы. Его называют статическим коэффициентом передачи тока базы. Значения h21Э могут достигать сотен и тысяч.

Из выражения (2.11) видно, что в схеме с ОЭ неуправляемый ток коллектора в (h21Э + 1) раз больше, чем в схеме с ОБ. Это существенный недостаток схемы с ОЭ. Причина заключается в том, что ток IКБ0 является одной из составляющих базового (входного) тока, усиливаемого транзистором при его включении по схеме с ОЭ. Достоинство этой схемы – ее значительно большее входное сопротивление, чем у схемы с ОБ. Это обусловлено тем, что при одинаковых входных напряжениях (UБЭ = UЭБ) ток базы значительно меньше тока эмиттера, являющегося входным током схемы с общей базой.

Входные статические характеристики транзистора, включенного с ОЭ (рис. 2.12), отображают зависимость UБЭ = f (IБ) при UКЭ = const.

При UКЭ = 0 оба p-n-перехода транзистора включены в прямом направлении (рис. 2.11,б). Из эмиттера и коллектора осуществляется инжекция дырок в базу, где они частично рекомбинируют с электронами, и в цепи  базы проходит ток рекомбинации обоих переходов. Поэтому входная характеристика представляет собой вольт – амперную характеристику двух параллельно включенных p-n-переходов.

При UКЭ = -4В коллекторный переход включается в обратном направлении (рис. 2.11,б) и в цепи базы проходит ток

Если UБЭ = 0, то IЭ = 0 и в цепи базы проходит ток IБ = - IКБ0. Увеличение напряжения UБЭ сопровождается ростом рекомбинационной составляющей тока базы (1- h21Б)IЭ, и при некотором напряжении UБЭ ток базы становится равным нулю. Дальнейшее увеличение напряжения UБЭ сопровождается ростом тока базы. Поскольку рекомбинационная составляющая тока базы при UКЭ < 0 значительно меньше тока базы, проходящего при UКЭ = 0, входная характеристика смещается в область меньших токов (в сторону оси напряжений). При увеличении отрицательного напряжения коллектора наблюдается смещение входных характеристик в сторону оси токов (вниз, штриховая кривая на рис. 2.12). Это вызвано образованием напряжения обратной связи Uос на распределенном сопротивлении базы вследствие прохождения через него обратного тока коллектора IКБ0. Результирующее напряжение на эмиттерном переходе UБЭ увеличивается, что приводит к увеличению инжекции дырок из эмиттера в базу и росту рекомбинационного тока базы. Этому способствует также модуляция толщины базы.

Выходными статическими характеристиками транзистора, включенного с общим эмиттером (рис. 2.13), является семейство характеристик IК = f (UКЭ) при IБ = const.


Методические указания к выполнению лабораторных работ по электронике