Теоретичні відомості

Дослідження роботи випрямляча змінного струму

Лабораторна робота № 1

Правила техніки безпеки при виконанні робіт даного розділу

Людина при певних умовах є провідником, опір якого змінюється в широких межах. Наприклад, вологість, забруднення шкіри зменшують опір тіла людини. Струм величиною більше, ніж 0,05 А, може смертельно травмувати людину протягом 0,1 с. Оскільки сила струму залежить від напруги і опору, то, згідно правил техніки безпеки, напруга, більша ніж 24 В, вважається небезпечною для людини.

Кожен студент, виконуючи лабораторні роботи з електродинаміки, повинен строго дотримуватись наступних мір запобігання:

1. Зібрану електричну схему представити викладачу (лаборанту) для перевірки.

2. Перед виконанням лабораторної роботи всі вимірювальні прилади ввімкнути на відповідні межі вимірювань і забезпечити найменшу напругу в колі.

3. Після перевірки схеми і ввімкнення джерел живлення не дозволяється торкатися руками до затискачів і провідників, які знаходяться під напругою.

4. Якщо в колі виявляться несправні прилади або в режимі роботи виникнуть якісь несправності, необхідно від'єднати джерело живлення і повідомити про це викладача або лаборанта.

5. Якщо студент залишає своє робоче місце або виходить з лабораторії, необхідно вимкнути джерело живлення.

6. Результати вимірювань представити викладачу і тільки після їх затвердження розібрати схему, попередньо вимкнувши джерело живлення і розрядивши спеціальним розрядником конденсатори (якщо вони є в колі).

7. Категорично забороняється самостійне перемикання на загальних розподільних щитах.

 


Мета роботи: вивчити елементну базу напівпровідникового випрямляча та одержати його вольт-амперну характеристу.

Обладнання: напівпровідникові діоди, міліамперметри, вольтметри, з’єднувальні провідники, джерело ЕРС.

У клінічній практиці із засобів електротерапії найбільш широко застосовується постійний електричний струм, який використовується у неперервному та імпульсному режимах у вигляді гальванізації, медикаментозного електрофорезу, електросну, електроіонофорезу, електроанальгезії, електростимуляції, діадинамотерапії, діадинамофорезу, електропунктури.

Так, застосування гальванічного струму з лікувальною метою називають гальванізацією. Методика полягає в тому, що до організму за допомогою електродів підводять постійний електричний струм малої сили (50 мА) і низької напруги (30–80 В). В основі лікувального впливу гальванічного струму лежать первинні фізико-хімічні і біофізичні зрушення у шкірі і підшкірній клітковині.

До них відносять: накопичення коло мембран протилежно заряджених іонів, зміна кількісного і якісного співвідношення іонів, більша кількість біля катода одновалентних катіонів, а біля анода — двовалентних аніонів, що призводить до підвищення збудливості нервових закінчень біля катода і зниження — біля анода.

Медикаментозний електрофорез — метод базується на комплексній дії постійного струму та іонів лікарської речовини, що вводяться ним у тканини.

Теоретичною основою методу є вчення про електролітичну дисоціацію — властивості складних речовин розпадатися в розчині на позитивно та негативно заряджені частинки (іони), які під дією гальванічного струму набувають спрямованого руху до анода чи до катода.

Біооб’єкти мають властивості як провідників, так і діелектриків. Наявність вільних електронів в клітинах і тканинах зумовлює хорошу провідність цих об’єктів. Діелектричні властивості біооб’єктів і величина діелектричної проникності виз­начається структурними компонентами та явищами поляризації. Біорідини є електролітами, електропровідність яких подіб­на до електропровідності металів. Тому закон Ома для біорідини можна записати у вигляді:

, (3.1.1)

де — густина струму, n — концентрація молекул електроліту, q — величина заряду іону, a — коефіцієнт дисоціації, , — рухливості іонів, — напруженість зовнішнього електричного поля. При підвищенні температури рухливість іонів зростає і зростає електропровідність.

При пропусканні постійного струму через живі тканини було встановлено, що сила струму не лишається постійною в часі, хоча прикладена напруга не змінюється. Сила струму неперервно спадає і через деякий час встановлюється на постійному рівні. При цьому вона зменшується в сотні і навіть тисячі разів порівняно з початковим значенням (рис. 3.1.1). Зменшення струму з часом зумовлено явищем поляризації, яке відбувається в тканині.

ЕРС поляризації тканини зменшує прикладену до біооб’єкта ефективну ЕРС, що і веде до зменшення струму. ЕРС поляризації є функцією часу (Р(t)).

Рис. 3.1.1. Рух зарядженої частинки у зовнішньому електричному полі; а — значення струму при відсутності поляризації; б — при наявності поляризації.

 

Тоді закон Ома для постійного струму для біотканин має вигляд

, (3.1.2) ,

де R — опір біотканини. Виникнення Р(t) пов’язане із здатністю живих клітин накопичувати заряди при проходженні через них струму, тобто з їх ємнісними та діелектричними властивостями. Для проведення методик гальванізації та електрофорезу застосовують апарати типу АГН, “Потік-1”, ГР. Вивчення принципу дії цих апаратів зв’язане з необхідністю дослідити роботу одного із блоків апаратів — напівпровідникового випрямляча.

Елементною базою випрямляча є напівпровідниковий діод, принцип дії якого наступний. Розрізняють власну і домішкову провідність напівпровідникових матеріалів. Електропровідність чистих напівпровідників, у яких концентрація вільних електронів (n) і дірок (р) однакова, називають власною.

Домішки створюють у напівпровідниках надлишкову кількість носіїв заряду — від’ємного (n–тип) або додатнього (р-тип). Тонкий шар напівпровідника , в якому має місце просторова зміна типу провідності від електронної до діркової, називається n-р переходом. В результаті цього в р-області залишаються негативно заряджені акцепторні атоми, а в n-області — позитивно заряджені донорні атоми.

а
в
б

 

Рис 3.1.2. P-n перехід за відсутності зовнішнього поля (а); при прикладеному зовнішньому електричному полі (б); при прикладе­ному зов­нішньому полі у проти­лежному напрямку (в).

 Оскільки ці атоми нерухомі, на межі n-р переходу виникає подвійний шар просторового електричного заряду, що називається запираючим шаром. Він створює контактне електричне поле Ек, що протидіє дифузії основних носіїв. Струм через n-р перехід дорівнює нулю. Різницю потенціалів, якою характеризується контактне поле, називають висотою потенціального бар’єра. Зовнішнє електричне поле змінює висоту бар’єра. Електропровідність n-р переходу залежить від напрямку струму: в одному напрямку (прямому) вона велика, в іншому (зворотньому) — мала. Розглянемо n-р перехід за відсутності зовнішнього поля (рис.3.1.2а). Вільні електрони дифундують із n-області в р-область, де їх концентрація менша і там рекомбінують з дірками. Якщо зовнішнє електричне поле Е0 має напрямок, протилежний до контактного Ек, то висота потенціального бар’єра зменшується (рис.3.1.2в). Через контакт іде струм, величина якого залежить від величини Е0. Цей напрям називають прямими або пропускним.  

 

  Рис. 3.1.3. Вольт-амперна характеристика напівпровідникового діода.   Рис. 3.1.4. Умовне позначення напівпровідникового діода.

 

Якщо напрямок зовнішнього електричного поле Е0 збігається з напрямком Ек, це призводить до збільшення контактної різниці потенціалів (або висоти потенціального бар’єра). Струм через контакт дорівнює нулю. Такий напрямок поля називають зворотнім (рис. 3.1.2 б). Таким чином, електронно-дірковий перехід має односторонню провідність, що використовується для випрямлення змінного струму. Прилади, дія яких основана на цій властивості, називаються напівпровідниковими діодами.

На рис.3.1.3 показана залежність сили струму, що протікає через n-р перехід, від напруги. Кривій ОА відповідає прямий струм, що обумовлений рухом основних носіїв електричного заряду. Сила прямого струму залежить від напруги — вона збільшується із збільшенням напруги. Сила зворотнього струму від напруги практично не залежить. Якість напівпровідникового діода оцінюється коефіцієнтом випрямлення k, який дорівнює відношенню сили прямого струму до зворотнього, виміряних при однаковій напрузі

 

 

рис. 3.1.5 Схема двопівперіодного випрямляючого містка.

 

рис. 3.1.6. Зміна напруги в колі випрямляча.

 

. (3.1.2)

Ділянка СД, на якій виконується закон Ома, є робочою для напівпровідникового діода і на ній визначають такі його основні параметри:

1) крутість ;

2) диференційний (внутрішній) опір ;

3) потужність Р = DU×DI.

Елементною базою випрямлячів є і лампові діоди, які також мають односторонню провідність і аналогічні параметри.

Умовне позначення напівпровідникового діода показано на рис.3.1.4. Діоди є елементною базою двопівперіодного випрямляючого містка, який використовується в медичній апаратурі як джерело постійного струму. Схема зображена на рис.3.1.5. Вона містить міліамперметри (mA), вольтметри (V1, V2), діоди (Д1, Д2, Д3, Д4) і активні навантаження (Л1, Л2, Л3).

Зміна напруги та її форми після перетворень в колі випрямляча показана на рис.3.1.6. Після випрямляча напруга постійна за напрямком, але має пульсації.

В методиках електротерапії вони не потрібні і сигнал Uвипр подається на згладжуючий фільтр і отримується Uеф, яке подається на електроди.