Indrumar 1,2,3 [PDF]

Zitiervorschau

UNIVERSITATEA TEHNICĂ A MOLDOVEI

FACULTATEA CALCULATOARE, INFORMATICĂ ŞI MICROELECTRONICĂ Catedra Microelectronică şi Inginerie Biomedicală

Î N D R U M AR pentru lucrări de laboator la cursul

MATERIALELE TEHNICII BIOMEDICALE (1)

Chișinău 2016

1

Scopul lucrărilor de laborator este aprofundarea cunoștințelor teoretice privitor la proprietățile electrice ale materialelor utilizate în componentele pasive și active ale circuitelor electrice analogice și digitale - rezistoare, condensatoare, dioade și tranzistoare, în baza cărora se proiectează și elaborează dispozitivele medicale. Totodată, se vor obține cunoștine de efetuare a măsurărilor electrice și utilizare a dispozitivelor de măsurare a semnalelor. Cunoștințele vor fi utile la proiectarea schemelor și plăcilor electronice cu destinații variate. Îndrumarul este destinat studenților specialității Ingineria sistemelor biomedicale, care studiază cursul Materialelele tehnicii biomedicale, partea I.

CUPRINS 1.Cercetarea proprietăţilor electrice a materialelor conductoare (dependenţa parametrilor rezistoarelor de temperarură).

2.Cercetarea

caracteristicilor condensatoarelor parametrilor condensatoarelor de temperarură).

(dependenţa

3.Cercetarea dependenţei de temperatură a conductibilităţii electrice a semiconductoarelor.

2

Lucrarea de laborator Nr. 1 Cercetarea proprietăţilor electrice a materialelor conductoare ( dependenţa parametrilor rezistoarelor de temperarură ) Scopul lucrării: studierea sistemului de marcare, proprietăţilor constructive, parametrilor şi caracteristicilor diferitor tipuri de rezistoare în dependenţă de temperatură. 1. Date principale despre rezistoare. Rezistoarele se numesc elementele (componentele) aparatelor electronice, care au proprietatea de rezistenţă electrică activă şi sunt destinate pentru repartizarea şi reglarea puterii electrice între elementele schemei. În dependenţâ de materialele aplicate, rezistoarele pot fi liniare (scăderea tensiunii pe rezistor depinde de curentul electric linear, adică rezistenţa rămâne constantă) şi neliniare, la care rezistenţa se schimbă sub acţiune curentului sau tensiunii. Rezistoarele liniare pot fi fixe sau variabile. Rezistenţa rezistoarelor fixe este determinată în procesul de fabricaţie, in timp ce la rezistoarele variabile există posibilitatea de a regla rezistenţa mecanic (cu ajutorul unui al treilea contact, sau fără contact, cu ajutorul comenzilor digitale). În lucrarea dată de laborator se studiază rezistoarele fixe si variabile lineare. După caracterul schimbării rezistenţei toate rezistoarele se împart în fixe si variabile. Rezistoarele fixe (liniare) au o rezistenţă constantă care in procesul de exploatare nu se reglează, şi în dependenţă de scop se împart în: - rezistoare pentru diferite scopuri, - de înaltă precizie, - de înaltă frecvenţâ, - pentru tensiuni înalte, - de o rezistenţâ mare. Rezistoarele se împart in trei categorii: peliculare, bobinate si de volum. Rezistoarele bobinate puternice (de la 5 la 1000W) au o 3

carcasă tubulară din ceramică, pe care se spiralizează sârma de nihrom (Ni-80%,Cr-20%) sau alte aliaje, care conţin Ni si Cr. La cele mai puternice rezistoare sârma este goală, si la puteri de 250W sunt acoperite cu o peliculâ de email vitrificat. Rezistoarele bobinate de precizie se fabrică cu puterea de la 0.05 la 5W. Ele au un corp, înăuntrul căruia se află o spirală de constantan (Cu 55%, Ni 45%) sau manganin (Cu 86%, Ni 2%, Mn 12%). Rezistoarele peliculare (de obicei 0.075 la 2W) conţin material rezistibil în formâ de peliculă, care este depusă pe un suport dielectric, în formă de cilindru. Rezistoarele peliculare se împart in: - rezistoare peliculare de carbon (materialul peliculei - carbon pirolitic); - rezistoare cu peliculâ de metal, si - metalodielectrice (pelicule de oxizi, sticle conductoare şi emailurilor). Rezistoarele de volum (de obicei 0.125 la 2W) prezintă în sine un amestec multicomponent polimerizat sau sinterizat la temperaturi mari, care conţin materialul-legăturâ şi componentele conductoare (rezistori compuşi). Rezistoarele variabile se împart in reglabile si ajustabile. Rezistoarele reglabile permit schimbarea repetată a rezistenţei în procesul funcţionării în aparaturâ. Rezistenţa rezistoarelor ajustabile se schimbă odată (tehnologic ) sau periodic în procesul funcţionării aparatului. Rezistoarele variabile de asemenea se fabrică bobinate, peliculare şi de volum. Construcţia rezistoarelor variabile este cu mult mai complicată decât a rezistoarelor fixe. Pe lângă elementul rezistiv (bobinat) şi a ieşirilor electrice la început şi capăt (iar în unele construcţii şi în punctele intermediare) rezistoarele variabile au un sistem mobil de schimbare a curentului. Sistemul mobil asigură o deplasare lină a contactului pe elementul rezistent si fixarea lui. Parametri de bază a rezistoarelor garantate de producător: 4

- Rezistenta nominala Rnom. Este rezistenţa, care se indicâ pe corpul rezistorului. Valoarea rezistenţei nominale se garantează cu o toleranţa prestabilită înintervalul temperaturii de lucru (de obicei de la -55 º la +70 ºC). - Deviaţia admisibiilă a rezistenţei (toleranţa) rezistorului:  = (R-Rnom)/Rnom *100% ,

(1)

unde R - rezistenţa reală a rezistorului. Valoarea toleranţei este însoţită de semnul „+” sau „ - „ , astfel valoarea reală a rezistenţei poate sa fie mai înalta sau mai joasă. Valoarea rezistenţei nominale este standardizată. Sunt expuse şire de rezistenţe: E6, E12, E24, E48, E96, E192. Cifra după litera E indică valoarea în fiecare interval zecimal. De exemplu rândul E6 conţine 6 valori: 1.0 ,1.5, 2.2, 3.3, 4.7, 6.8. Rezistenţa trebuie să ia valorile indicate, sau valorile care se primesc înmulţind cu 10n. Valoarea reală a rezistenţei poate să se deosebească de cele nominale în limita anumitor valori. Şirul de abateri admisibile, indicate în procente, de asemenea este standardizat. În tabelul 1 în calitate de exemplu sunt expuse cele mai folosite şire de valori nominale ale rezistenţei rezistoarelor și toleranţelor: Indicele Valoarea nominală, înmulțită cu 10n E6 1.0, 1.5, 2.2, 3.3, 4.7, 6.8 E12 1.0 , 1.5 , 2.2 , 3.3 , 4.7 , 6.8 1.2 , 1.8 , 2.7 , 3.9 , 5.6 , 8.2 E24 1.0 , 1.5 , 2.2 , 3.3 , 4.7 , 6.8 1.1 ,1.6 , 2.4 , 3.6 , 5.1 , 7.5 1.2 , 1.8 , 2.7 , 3.9 , 5.6 , 8.2 1.3 , 2.0 , 3.0 , 4.3 , 6.2 , 9.1

5

Tabelul 1 Toleranța, % ± 20 ±10 ±5

Pentru şire standarde sunt caracteristice următoarele proprietăţi: - in fiecare următor şir sunt incluse toate valorile precedente; - celor “mai dese” rânduri le corespund toleranţe mai mici; - valorile in şir sunt aranjate astfel, încit la variaţia maximă a rezistenţei în limita toleranţei, rezistenţa reală va fi mai aproape de valoarea nominală, decât cele de alături. La rezistoare de largă folosinţâ rezistenţa nominală este corelatâ în aşa mod, încât se primeşte aşa numita “scara fără pierderi”: rezistenţa nominală şi toleranţâ a unui rezistor se apropie de valorile rezistenţei din preajmâ. - Puterea nominalâ disipatâ Pnom. este acea putere, care poate fi disipată de rezistor în mediul ambiant la o presiune atmosferică normalâ. Puterea P, care este disipată de rezistor într-un circuit dat, este egală cu produsul dintre intensitatea curentului I si tensiunea U: P=UI Conform legii lui Ohm intensitatea curentului având rezistenta R, găsim formula pentru putere:

Р = I 2R = U 2/R.

(2)

- Coeficientul termic al rezistentei (CTR sau R ). Acest coeficient caracterizează sensibilitatea rezistentei la schimbarea temperaturii. CTR se exprimă în unităţi relative. Astfel încât dependenţa rezistenţei rezistoarelor de temperatura este foarte micâ, CTR se indică în milionimi în raport cu un grad (10e-6/ K). La momentul actual in multe manuale în loc de 10e-6 aprobată de simbolica americană ppm (Parts Per Million –“părţi la milion”). CTR se măsoară în acest caz în ppm/K. Valoarea CTR a rezistorului (în ppm/K) poate fi determinatâ din rezultatele măsurărilor dependenţei rezistentei de temperaturâ din formula:

R = (1/R)*(dR/dT)*10e6=(1/R)*(ΔR/ΔT)10e6, 6

(3)

unde R - rezistenta rezistorului la o temperature data; ΔRschimbarea rezistentei la schimbarea temperaturii ΔT. În rând cu parametrii expuşi, pentru rezistoare mai sunt reglamentat şi: tensiunea maximală între bornele acestuia (V), tensiunea de zgomot (μV/V), durata de funcţionarea fără defectări (ore), durata păstrării (ore), puterea maximala (W) etc. Pentru rezistoarele variabile sunt indicate de asemenea unele caracteristici si parametri speţifici: - caracteristica funcţională - dependenţa rezistenţei dintre contactul mobil şi cel fix a rezistorului de unghiul de rotire a sistemului mobil; - capacitatea de rezoluţie - care caracterizează reglarea cu caracter lin şi apreciază ca schimbarea minimă a rezistenţei la deplasarea contactului; - rezistenţa la frecări – se determină după numărul de rotiri a sistemului mobil, in timpul căreia parametrii rezistoarelor rămân in limita toleranţei; În afarâ de parametrii de bază toate rezistoarele au nişte parametri parazitari, aşa ca inductanţa si capacitatea, care limitează folosirea rezistoarelor la frecvenţe înalte. Inductanţa şi capacitatea in rezistoarele variabile este cu mult mai mare decât în cele fixe. Marcarea rezistoarelor. Pentru marcajul rezistoarelor se folosesc, de obicei, marcarea alfanumerică cu ajutorul literelor si cifrelor, care se depune pe corpul rezistorului şi se indicâ în documentaţie. Rezistoarele, fabricarea cărora a început în 1968 şi care continuă şi azi, sunt confecţionate după vechile denumiri. Exemple de simbolizări: МЛТ (OМЛТ, МУН) - rezistoare сu peliculă metalică, lăcuite, termorezistente; BC (OBC) - de înaltă stabilitate; БЛП– cu carbon - bor, lăcuit, de precizie; УЛМ – cu carbon, lăcuit, de dimensiuni mici; МОН – cu oxid de metal, de valoare omicâ micâ; 7

КЛМ – compus, lăcuit, de megaohmi; ПЭВ – bobinat, emailat; СПО – rezistenţa variabilă de volum; ТВO- termorezistent, rezistent la umiditate, de volum etc. Din 1968 pentru rezistoarele noi a fost introdusâ marcarea alfanumerică. Litera indică grupa fabricaţiilor: - C-rezistori fixe (de la cuvântul “rezistenţa”), - CП-rezistori variabili, - HC-seturi de rezistenţe. Cifra care stă după litera, înseamnă tipul rezistorului în dependenţa de materialul rezistent: 1- nebobinat, cu carbon, cu peliculă subţire; 2- nebobinat, cu oxid de metal; 3- nebobinat, pelicular, compus; 4- nebobinat, compus, de volum; 5- bobinat; 6nebobinat, cu peliculă subţire, metalizat. După primă cifra după apostrof se pune a doua cifra (cifre), care arată numărul de înregistrare a elaborării rezistorului. Din anul 1980 s-a introdus un nou sistem de marcare a rezistoarelor la care: - prima litera (litere) înseamnă subclasa rezistorului (Prezistoarele fixe, PП-rezistoare variabile, HP-set de rezistoare); - al doilea element al simbolului - cifra care arată grupa rezistorului după materialul rezistiv (1- nebobinate; 2- bobinate; - al treilea element al simbolului - cifra după apostrof arată numărul de înregistrare a elaborării acestui rezistor. De exemplu, P1-33 –rezistor fix nebobinat înregistrat sub numărul 33.nMarcajul convenţional complet al rezistoarelor constă din notarea scurtă (urmărită mai sus), tipul de construcţie, semnificaţia celor mai importanţi parametri si caracteristici a rezistoarelor, influenţa factorului climatic şi notarea documentului la furnizare. De exemplu, marcarea P1-33- И- 0.25W- 100kΩ 20% A 0.467. 027.TУ înseamnă un rezistor fix nebobinat cu numărul de înregistrare 33, de puterea 0.25W, rezistenţa nominală 8

de 100kΩ, valoarea toleranţei de 2%, grupa după tensiunea de zgomot A, notat in documente 0.467.0270.TУ. Majoritatea rezistoarelor care se fabrică au marcaj, de la care se citesc direct tipul, puterea nominala, rezistenţa si toleranţa. De exemplu, rezistorul fix bobinat de tipul C5-5 cu puterea de 8W, având rezistenţa de 68Ω şi toleranţa de 1% au pe corp următoarea notare: C5-5-8-68Ω. Astfel din exemplul dat, dimensiunea puterii nominale nu se indică deoarece puterea totdeauna se exprimă în W. Aceasta se referă şi la rezistoarele de mica putere de exemplu: MЛT-0.25 -10Ω+-10% (rezistor de tipul MЛT cu puterea de 0.25W). Rezistenţa nominală la notarea completă constă din cifre si notare unităţii de măsură (Ω-ohmi, kΩ-kiloohmi, MΩ-megaohmi, GΩ-gigaohmi, TΩ-teraohmi). De exemplu 220Ω; 150kΩ; 2.2M; 8.2GΩ; 1TΩ. În scopul micşorării numărului de simboluri pe rezistor deseori la notarea rezistentei se introduc multiplicatori notaţi prin litere. Literele latine R, K, M, G, T, corespund multiplicatorilor: 1, 10e3, 10e6, 10e9, 10e12 (rar în transcripţia rusă pentru însemnarea 1Ω in loc de R se pune E, si corespunzător pentru gigaom Г). Rezultatul decodării unui astfel de notaţii tot timpul se indicâ in omi. De exemplu: 0.1Ω=R10 sau E10; 1Ω=1R0 sau 1E; 5.6Ω=5R6 sau 5E6; 330Ω=330R sau 330E; 1kΩ=1k0; 3.3kΩ=3k3; 2.2MΩ=2M2; 2.2MΩ=2M2; 6.8GΩ=6G8 sau 6Г8. Încă o formă de însemnarea rezistenţei nominale a rezistoarelor produse in străinătate este notarea cu patru cifre. În acest cod primele trei cifre exprimă partea semnificativă a nominalului rezistorului, şi a patra înseamnă puterea 10e, la care se înmulţeşte partea semnificativă, pentru a obţine valoarea finală în Ω. De exemplu: 3332 corespunde cu 33310²Om sau 33,3 kOm; 9510 corespunde 95110° sau 951Om; 8251 corespunde 82510=8,25 kOm ş.a.m.d. 9

În corespundere cu normativele internaţionale CEI62 ale toleranţilor admisibile, în locul cifrelor pot fi codificate cu litere (tab. 2). Tabelul 2 Codificarea simbolizărilor a toleranţilor rezistenţei Toleranţa Codificarea simbolilor

±0.05 ±0.1 ±0.25 ±0.5 A

B

C

D

±1

±2

±5

±10

F

G

H

J

Alt des răspândit sistem de marcaj al rezistorului este codificarea în culori. Pe rezistor în acest caz se trasează inele de diferite culori, formând un cod, cu care se codificâ valoarea nominală şi toleranţa (codificarea cu 4 sau 5 inele). Mai puţin răspândită codificare cu 6 inele se codificâ încă şi valoarea lui CTR, fig 1.

Fig.1. Marcarea rezistoarelor cu cod de culori 10

Datele în corespundere cu marcarea în culorii şi cifre a rezistenţei nominale, valoarea multiplă, toleranţele şi CTR sunt date în tab. 3. Tabelul 3 Culori Rezistenţe nominale, Om ale CTR 1-ma 2-ua 3-ia Multi Toleraninelelor ppm/K ţa,  cifră cifră cifră - plu Argintiu 10-2 ±10 -1 Auriu 10 ±5 Negru 0 1 200 Cafeniu 1 1 1 10 ±1 100 Roşu 2 2 2 102 ±2 50 3 Oranj 3 3 3 10 15 Galben 4 4 4 104 25 Verde 5 5 5 105 ±0.5 6 Albastru 6 6 6 10 ±0.25 10 Violet 7 7 7 107 ±0.1 5 8 Sur 8 8 8 10 ±0.05 1 Alb 9 9 9 109 -

2. Descrierea standului de laborator. Cercetarea rezistoarelor fixe de diferite tipuri se produc cu ajutorul schemelor, demonstrate în fig.2. Rezistoarele R1, R2…R10 sudate pe o placă textolit de sticlâ pot să conecteze pe rând cu un comutator SA la un Ohmmetru PR (multimetru de tipul DT – 830B). Rezistoarele cercetate pot fi amplasate în termostat şi conectate la schemâ cu ajutorul fişei amplasată în spatele termostatului. Temperatura termostatului se reglează cu manivelă reostatului şi se măsoară cu ajutorul termometrului.

11

Fig. 2. Schema pentru măsurarea dependenţei de temperatură ai rezistenţei rezistoarelor cercetate Cercetarea rezistorului bobinat de mare putere de tipul ПЭВ10 se efectueazâ cu ajutorul schemei, indicatâ în fig. 3. În calitatea de aparate de măsurat (PA, PV1 şi PV2) se folosesc multimetre de tipul DT-830B. Pentru alimentarea schemei se utilizează sursa de alimentare ce regleză tensiunea curentului continuu (U≤50B).

Fig. 3.Schema pentru măsurarea dependenţei detemperatură a rezistenţei rezistorului bobinat de mare putere 12

Temperatura rezistorului cercetat se determină cu ajutorul termocuplului TC, amplasat în interiorul corpului rezistorului şi se calculează după formula T = Tcam + 25Ut (mV), unde Ut- forţa electromotoare termice a termocuplului în mV, măsurată cu milivoltmetru PV2. Pe o machetă aparte sunt instalate rezistoarele variabile R1… R4. În jurul fiecărui este trasată scara cu unităţi unghiulare. Bornele de ieşire ale rezistoarelor sunt unite cu jacurile, ce servesc pentru conectarea multimetrului la ridicarea caracteristicilor funcţionale ale rezistoarelor. 3. Ordinea efectuării lucrării. 1. Se scoate din termostat setul de rezistoare şi se înscriu marcarea lor în tab. 4. Se face decodarea rezistenţelor nominale, toleranţelor şi puterilor nominale (dacă acestea sunt indicate).

N

Tipul de rezistor

Rnom,Ω (după marcare)

Rnom,Ω măsurat

Tabelul 4 Toleranţâ, Pnom, % W

1 2 … 1 0 2. Se măsoară rezistenţele rezistoarelor R1…R10 la temperatura de cameră. Pentru aceasta conectăm la jacurile corespunzătoare pe macheta (fig.2) ohmmetrul (multimetru DT-830V), amplasăm placa cu rezistoare în termostat, şi le conectăm la fişa înăuntrul termostatului, producem măsurările rezistenţei rezistoarelor în 13

poziţiile 1…10, folosind comutatorul SA. Rezultatele se introduc în tab. 5. Tabelul 5 T,

R1

0

C

R,

Ω

αR, ppm/ 0 C

R2 R,

Ω

αR, ppm/ 0 C

…

R10 R,

Ω

αR, ppm/ 0 C

20 30 40 50 60 70 80 90 100

3. Conectaţi termostatul şi cercetaţi dependenţa rezistenţelor rezistoarelor de temperatură în intervalul de la temperatura de cameră până la 100°C peste fiecare 20°C. Rezultatele măsurărilor se introduc în tab. 5. De calculat αR a rezistoarelor cercetate. 4. Ridicaţi şi construiţi caracteristica voltampericâ (CVA) a rezistorului de mare putere ПЭВ – 10. Pentru aceasta asamblaţi schema prezentată în fig. 7.3, conectând multimetrele în calitate de miliampermetru şi voltmetru, respectiv şi sursa de alimentare reglată de tensiunea curentului continuu (după indicaţiile inginerului). Luaţi datele pentru CVA, măriţi valoarea tensiunii U peste 5V prin intermediul blocului de alimentare şi potenţiometrului R1 până la valoarea, la care curentul ce trece prin rezistorul R2 nu depăşeşte (!) 200 mA. Odată cu luarea datelor pentru CVA este necesar de aflat temperatura rezistorului R 2 cu ajutorul termocuplului TC, sudura fierbinte a cărui este introdus în interiorul rezistorului, iar sudura rece se conectează la milivoltmetru PV2. Trecerea la altă măsurare se efectuează numai 14

după stabilizarea indicaţiilor aparatelor de măsurat. Rezultatele măsurărilor se introduc în tab.6. Tabelul 6 Temperatura P, W rezistorului R2, I, mA U, V R, Ω disipată de R2 °C

Conform datelor din tab.6 calculaţi valoarea rezistenţei rezistorului R2 şi construiţi dependenţa rezistenţei de temperatură. De asemenea construiţi dependenţa temperaturii de puterea disipată P = U·I. Din graficul R 2 = f(T) calculaţi valoarea maximă a αR în diapazonul de temperatură studiat. 5. Determinaţi capacitatea de rezoluţie a rezistoarelor variabile R1...R4. Pentru aceasta fixaţi cursorul rezistorului variabil în poziţia din mijloc şi măsuraţi rezistenţa nominală Rn a rezistorului între bornele de la margine, după aceasta măsuraţi rezistenţa stabilită RS1 între o bornă din mijloc şi una de la margine. După aceasta schimbaţi unghiul cursorului a sistemului mobil şi măsuraţi rezistenţa RS2. Capacitatea de rezoluţie se calculează după formula: R 

R S 1  RS 2  100% , Rn

(4)

6. De luat datele şi de construit caracteristica funcţională    R  ,  f  Rn  n 

(5)

a rezistoarelor variabile R1...R4. Conectaţi multimetru în calitate de ommetru la unul din rezistoarele variabile şi măsuraţi rezistenţa lui la diferite valori a

15

unghiului  de la 0° până la limită a sistemului mobil de măsurare n peste fiecare 20...40°. Rezultatele măsurărilor fixaţi în tab.7. Tabelul 7 γ, grd /n R1 R1/R1n ...... ......

0

40

80

120

160

180

220

După datele din tab.7 construiţi curba dependenţei

260

...

   R   f  Rn  n 

a rezistoarelor cercetate pe un singur grafic. 4. Conţinutul dării de seamă. 1. Schema instalaţiei de laborator. 2. Tabelele 4...7 cu rezultatele măsurărilor. 3. Decodificarea marcărilor rezistoarelor cercetate. 4. Graficele dependenţilor de temperatură a rezistenţei şi α R , graficele dependenţei R2=f(T), T = f(P) a rezistorului de mare putere R2. 5. Graficele caracteristicilor funcţionale a rezistoarelor variabile. 5. Întrebările de control. 1. Clasificarea rezistoarelor. 2. Marcarea rezistoarelor. 3. Parametri de bază a rezistoarelor (fixe şi variabile ). 4. Tipul caracteristicilor funcţionale a rezistoarelor variabile. 6. Bibliografie. 16

1. Рычина Т. А., Зелинский А. В. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы. –М.: Радио и связь, 1989. 2. Резисторы: Справочник / под ред. И. И. Четверткова и В. М. Терехова. М.: Радио и связь, 1991. 3. Drâgulescu N., Miroiu C., Moraru D. A,B,C... Electronica în imagini: Componente pasive. Ed. Tehnica, Bucureşti, 1990. 4. Ianculescu R. Manual radioamatorului începâtor.Bucureşti: Ed. Tehnicâ, 1989. Surse electronice pentru suport la calcul. 1. http://www.radiant.su/rus/articles/?action=show&id=335 2. www.cxem.net/sprav/sprav12.php 3. www.radiant.su/rus/articles/?action=show&id=335 4. www.asc-development.ru/markirovka.html 5. www.asc-development.ru/markirovka-11.html 6. http://orionsp.cn.ua/page.php?pageId=2 7. http://www.softportal.com/get-8757-predeleniesoprotivleniya-rezistora-po-tsvetovoj-markirovke.html 8. http://www.loadboard.ru/index.php? option=com_content&view=article&id=232:resistor&cati d=51:utiliti&Itemid=79 9. http://www.soft-v3.ru/elektronika-radio/opredeleniesoprotivleniya-rezistora-po-tsvetovoy-markirovke-11.html 10. http://zenway.ru/page/gresistor 11. http://www.texnic.ru/program/progr-color.htm 12. http://radio-stv.ru/radio_tehnologii/izuchenie-radioprogramm/opredelenie-elementov-po-tsvetu-i-kodu

17

Lucrarea de laborator Nr. 2 Cercetarea caracteristicilor condensatoarelor Scopul lucrării: familizarea cu clasificarea, construcţiile şi parametrii principali a condensatoarelor fixe de diferite tipuri şi cercetarea stabilităţii lor în funcţie de temperatură. Determinarea legii de variaţie a capacităţii condensatoarelor variabile 1. Datele principale despre condensatoare Condensatorul este un element discret al tehnicii electronice care posedă capacităţi concentrate, adică "condensează" sarcini electric şi este format din electrozi separaţi de dielectric. Electrozii (plăcile) condensatorului se numesc armăturile şi dielectricul care separă – garnitură. Sarcina condensatorului Q şi energia acumulată în el W, depind de tensiunea U şi capacitatea C conform relaţiei: Q = CU,

W = CU 2 / 2.

(1)

Condensatoarele se clasifică: - după caracterul de variaţie a capacităţii - capacitatea fixă, variabilă, ajustabilă, la care se schimbă la reglarea aparaturii, şi speciale, capacitatea cărora poate fi schimbată la diferite acţiuni externe ( temperatură, tensiunea electrică sau mecanică etc.); - după mărimea nominală a tensiunii - de tensiune joasă (Umin < 1600V) şi de tensiune înaltă (Umax ≥ 1600V); - după genul tensiunii - destinate pentru lucrări cu tensiune alternativă, continue ori pulsatilă şi în regimul de impulsuri; - după tipul dielectricului utilizat – cu dielectric in formă de gaz (cu aer, în vid), cu dielectric in forma lichidă, cu dielectric solid neorganic (cu sticlă, sticlă-ceramică, cu mică, ceramice), cu dielectric organic (cu hîrtie, peliculare etc.), cu dielectric oxidat 18

(lichide, uscate şi solide, oxid-semiconductoare condensatoare electrolitice); - după tipul electrozilor (cu folie, cu plăci, cu electrozi metalizate şi combinate). Condensatoarele se mai deosebesc prin abaterea iniţială a capaciţăţii, stabilităţii de temperatură-frecvenţă, în dependenţa de forma constructivă (cilindric, ţevi, discuri). În tab. 1 este prezentată clasificarea condensatoarelor după tipul dielectricului şi denumirile vechi, care în prezent se produc şi se utilizează. Clasificarea condensatoarelor dupâ tipul dielectricului Ceramice de tensiune joasă (< 1600 V) Ceramice de tensiune înaltă (≥1600 V) Cu sticlă Sticlă - ceramice Cu sticlă - email Peliculare cu straturi subţiri cu dielectricul anorganic Сu mică de mică putere

Simbolica scurtatâ

condensatorului

К10

КМК, КЛГ, КМ, КП, КД, КТ, КО etc..

К15 К21 К22 К23

КВИ, КВЦ - СКМ, СКМ-Т -

К26 К31

КСО, СГМ, ОСГ etc.. КБП, ОПБТ, КБПС-Ф

Сu mică de mare putere Cu hîrtie cu folii metalice pentru tensiune nominală pînă la 2000 V Cu hîrtie cu folii metalice pentru tensiune nominală pînă la 2000 V Cu hîrtie metalizatâ

К32

Oxid – electrolitice cu aluminiu

К50

19

Tabelul 1 Simbolica anterioarâ a

К40 К41 К42

МБГВ, МБМ, МБГЧ etc.. КЭ, КЭГ ЭГЦ

Oxid – electrolitice cu tantal, cu niobium etc. Volum- poroase Oxid – semiconductor Cu strat electric dublu (ionistoare) Cu aеr De vid Cu polistiren: cu armătura de folie меtalizate Cu politetrafluoretilenă ( fluoroplast, teflon) Cu poliester (polietilentereftalat, lavsan, mailar) Cu poliester (lavsan, mailar) cu folie Сu dielectric combinatat (mixt) Cu peliculă de lac Cu policarbonat Cu polipropilen

К51 К52 К53 К58 К60 К61

ЭТ ЭТО

К70 К71

ОППТ, ПМ -

К72

ФГТИ, ФТ

К73 К74 К75 К76 К77 К78

ПКГИ, ПКГТ -

В,КВ,ВВ,ВМ

Condensatoarele fixe au urmâtoarele caracteristici constructive: plană cu plăci şi cu spirală (bobinată), mai rar - cilindrică. Ca regulă, condensatoarele din ceramică, sticlă - emal şi sticlă ceramice se produc mono - sau multistrat, de forma patratică sau rotundă a plăcilor (forma de disc). Construcţia bobinată se practică pentru condensatoarele cu hîrtie, hîrtie metalizată, peliculare şi cele electrolitice. Mai detaliat se poate face cunoştinţă cu construcţia şi parametrii condensatoarelor în literatura recomandată. Simbolizarea scurtată a condensatoarelor tehnicii electronice conţine trei elemente: - o literă sau două: K – condensator fix, KП – variabil, KT – ajustabil, KC – de set (ansamblu), KH – neliniar; 20

- două cifre care indică tipul dielectricului al condensatorului, de exemplu: 10 – condensatoare ceramice de tensiune joasă, 15 – condensatoare ceramice de tensiune înaltă, K21 – condensatoare cu sticlă etc. şi indice convenţionalâ care determină destinaţie condensatorului (П, Ч, У, И ); - o cifră – două, care indică numărul de ordine în producere. De exemplu, simbolul K10-У-5, însemnă condensatorul fix ceramic de tensiune joasă destinat pentru lucrări în circuite de curent continuu şi alternativ (У- universal), 5 - numarul de ordine în producere). Simbolizarea completă a condensatoarelor constă din patru elemente: Primul element – simbolizarea scurtată, al doilea - valorile parametrilor şi caracteristicilor de baza, al treilea- însemnarea executârii climatice (pentru unele tipuri), al patrulea – însemnare documentului pentru furnizare. De exemplu, simbolizarea K15-25-680пΦ±10%-П120НМ-В ОЖО460.130ТУ înseamnă: condensatorul fix, ceramic, de tensiune joasă, capacitatea nominală 680 pF, toleranţa ±10%, grupa stabilităţii de temperatură П120, fără "scinţilaţii capacităţii"(НМ), executare pentru orice climat (B), corespunde condiţiilor tehnice ОЖО460.130ТУ . Pentru condensatoare de mici dimensiuni se foloseşte indicaţia prin cod. Codul conţine cifre ce indică valoarea nominală a capacităţii; litera indică unitatea de măsurare a capacităţii şi concomitent poziţia virgulei fracţiei zecimale (de exemplu, 1520pF codifică 1H52), toleranţa ±5%- prin litera И;-20% ÷ +100% prin A. Se foloseşte şi sistemul de cod colorat, aici culoarea acoperirii corpului indică semnul CTC, dar culoarea semnului cod - indică valoarea CTC (vezi L. 2; 4). La condensatoarele de dimensiuni mici unitatea de masură nu se indică; capacitatea lor se exprimă în picofarade cu cod numeric, unde primele două cifre sunt semnificative, ultima cifră arată 21

puterea N a numărului 10N. De exemplu: marcarea "223" pe corpul condensatorului indică capacitatea 22·103 pF = 22 nF = 0.022μF. Parametrii de bază a condensatoarelor sunt: capacitatea nominală Cn; abaterea capacităţii de la capacitatea nominală (toleranţa) ΔC; coeficientul termic al capacitatii CTC; tensiunea nominală Un; rezistenţa izolaţiei Riz; coeficientul de absorbţie a sarcinii Ka; constanta de timp de încărcare automată a condensatorului τc; tangenta pierderilor dielectrice tgδ; intervalul temperaturilor de lucru ∆T etc. Capacitatea nominală Cn este valoarea capacităţii pentru care un condensator concret este contat. Unitatea de măsură a capacităţii electrice în sistemul SI este farada (F). În circuitele electronice capacitatea condensatoarelor, ca regulă, e mai mică decît un farad (1F) de aceea se folosesc alte unitaţi: picofarada (1pF=10 -12 F), nanofarada (1 nF = 10-9 F = 1000 pF) şi microfarada (1 μF = 10 -6 F = 1000 nF = 106 pF). Pentru orice tip de condensator capacitatea Cn se alege din rânduri de valori standardizate (ca şi pentru rezistoare), aplicare mai largă au rîndurile E6, E12, E24. Condensatoarele se deosebesc prin capacitatea nominală Cn şi cea adevărată - C a . Această capacitate se măsoară la temperaturi şi frecvenţe concrete. Abaterea capacităţii condensatorului (toleranţa) ∆C se calculează după formula: C  Cn C  a ·100%. (2) Cn Valorile toleranţei sunt limitate de standard şi pot fi indicate pe corpul condensatorului în % sau prin cod (litera sau semnul de culoare). Coeficientul de temperatură a capacităţii CTC caracterizează instabilitatea de temperatură a capacităţii şi se determină prin relaţia:  C  ТКЕ 

1 dC 1 C    C dT C T

22

.

(3)

Diferenţa de temperatură la determinrea CTC condensatoarelor cu temperatura maximă de lucru >60oC trebuie să fie nu mai mică de 40oC. Se consideră, că CTC se exprimă în părţi pe milion la un grad Kelvin: 10-6 K-1 = 1ppm/K. Pe condensatoarele cu hîrtie şi electrolitice toleranţa se indică la marcarea pe corp în procente, de exemplu: ±5%; ±10%; ±20%. Condensatoarele din ceramică, ca regulă, au cu atît mai mare ∆C, cu cît mai mare este Cn. Pentru ele sînt folosite două moduri de însemnare a toleranţei. Pentru condensatoarele cu dependenţă de temperatură a capacităţii prezisă şi monotonă, adică cu valoarea lui CTC cunoscută, sunt introduse grupe de termostabilitate ce sunt indicate pe corpul condensatorului impreună cu capacitatea nominală a condensatorului. Pentru această grupă de condensatoare pentru tot intervalul temperaturilor de lucru CTC poate fi dat ca mărime constantă. CTC se exprimă şi în formă mai prescurtată, atunci, în loc de semnul „minus” şi „plus”, se marchează M şi П. Exemplu: CTC= -220 ppm/K înseamnă M220 (sau R); CTC = +120 ppm/K - П120 (sau A), etc., tab. 2. Таbelul 2 Simbolizarea condiţională CTC a condensatoarelor ceramice, cu sticlă, cu sticlă - email şi sticlă - ceramică de frecvenţă înaltă Valoarea nominalâ a CTC, (ppm/К)

+100

+33

0

–47

–75

–150

–750

–1500

Simbolizarea condiţioalâ a grupei CTC

П100

П33

МП 0

М47

М75

М150

М750

М1500

Codul literal a CTC (normele CEI )

A

B

G

H (–33)

L

P

U

-

23

Indicarea grupei de termostabilitate a condensatoarelor cînd în intervalul de temperatură variaţia capacităţii nu poartâ un caracter monoton ( αc la inceput creşte, dupa ce- scade, sau invers ), se începe cu litera H. După litera H este indicat un număr cu două cifre, ce indică toleranţa în procente, tab. 3. Tensiunea nominala Un este tensiunea la care permite condensatorul poate lucra pe parcursul duratei de funcţionare. Rezistenta izolatiei Riz - este rezistenţa care opune condensatorul curentului de scurgere la aplicarea tensiunii continuu la terminalele condensatorului Uo: Riz=Uo/Isc. Calitatea izolaţiei condensatorului de mare capacitate se apreciază cu constanta de timp de încărcare automat: τc = Cn·Riz. Valorile τc constituie Таbelul 3 Grupele stabilităţii termice ale condensatoarelor ceramice cu CTC nedeterminat ±70 Toleranţa, ∆С, % Simbolizarea condiţioalâ a grupei toleranţei Simbolizarea internaţionalâ a grupei toleranţei (normele CEI )

±10 %

±20 %

±30%

±50%

%

Более ±70%

Н10

Н20

Н30

Н50

Н70

Н90

2B

2C

2D (+20% ... -30%)

2E (+20% … -55%)

-

2F (+30% . … -80%)

aproximativ: pentru condensatoarele cu hîrtie – 2000 s, cu hîrtie metalizată - 200 s, ceramice- 75-250 s, oxid-electrolitice - 10-100 s, cu polistiren- 3·104 s, cu fluoroplast- 108 s. Ur Coeficientul de absorbire al sarcinii Ка = ·100% , ( 4 ) U0 unde Uo - tensiunea la armăturile condensatorului după incărcare pe parcursul timpului t1, U r - tensiunea care apare la armăturile 24

condensatorului după timpul t2, dupa ce el a fost scurtcircuitat de timp t3. Ca regula Ka se determină prin t1=3-15 min, t2=3-10 min, t3=2-5 s. Tangenta unghiului de pierderi tgδ caracterizează pierderile dielectrice în condensator, puterea cărora Pa=U2ωctgδ. Valorile minimale tgδ sunt caracterizate pentru condensatoarele cu fluoroplast, ci maximale - pentru condensatoarele electrolitice. Intervalul temperaturilor de lucru ∆T caracterizează limetele schimbării temperaturii mediului înconjurător, pentru care parametrii condensatorului rămîn în limitele admisibile în întreaga durată de functionare a condensatorului. Limita inferioară pentru majoritatea condensatoarelor este –60 oC, dar limita superioară -pentru condensatoarele cu hîrtie +70÷85 oC, ceramice - +85 oC, pentru oxid - semiconductor – +85÷125 oC, cu fluoroplast, cu sticlă şi sticlă - ceramice – +200 oC. Condensatoarele conţin o inductanţă parazitară, ce limitează utilizarea lor la frecvenţe înalte. Din cauza existentei inductanţei parazitare condensatoarele posedă o frecvenţă de rezonanţă: f r  1 / 2 π LC . Penru frecvenţe mai mari ca frecvenţa de rezonanţă rezistenţa condensatoarelor devine inductivă, de aceea se recomandă să fie utilizate la frecvenţe mai mici decît frecvenţa de rezonanţă. Condensatoarele de frecvenţă joasă cu capacităţi constante sunt utilizate în circuite de curent continuu, alternativ şi pulsatil în calitate de condensatoarele reglabile, de blocare, de filtre. La această grupă de condensatoare se referă condensatoarele cu hîrtie, cu hîrtie metalizată, peliculare cu lavsan şi unele ceramice. Multe condensatoare de frecvenţa joasă cu capacitaţi destul de mari (de pînă la zecimi de microfarade), cu cresterea capacităţii condensatoarelor cresc şi dimensiunile lor. Conform construcţiei condensatoarele de frecvenţă joasă sunt de cîteva tipuri. Ca dezavantaje pentru condensatoarele cu hîrtie si cu hîrtie metalizată sunt pierderile mari de energie şi nestabilitrate mare a parametrilor 25

Aceste condensatoare au o rezistenţa de izolaţie relativ mică şi rigiditatea dielectrică se micsoreaza în procesul de degradare. În această privinţă condensatoarele peliculare şi ceramice de frecvenţă joasă se deosebesc evident de condensatoarele cu hîrtie şi cu hîrtie metalizată. Se produc condensatoare de frecvenţă joasă cu capacitate de la sute de picofarade pînă la zecimi de microfarade. Pentru condensatoarele de înalta frecvenţă sunt caracteristice piederi neînsemnate, stabilitate înaltă şi precizie a parametrilor, dimensiuni şi masa mici. Aceste condensatoare sunt utilizate în circuitele generatoarelor şi radioamplificatoarelor etc. Capacitatea nominală a condensatoarelor de înaltă frecvenţă constitue de la unităţi – sute picofarade, cu toate că unele condensatoare au capacitatea aproape 1μF. La condensatoarele de inaltă frecvenţă se referă condensatoarele peliculare cu fluoroplast, cu polistizol, ceramice, cu mică, cu sticlă, sticlă - email, sticlă -ceramică. Condensatoarele electrolitice şi oxid - semiconductor. Aceste condensatoare au ca dielectric un strat subţire de oxid pe metal, ce serveste ca o armătură (anod). A doua armătură (catod) – electrolit (în condensatoarele electrolitice) sau un strat de semiconductor – bioxidul de mangan ( în condensatoarele oxid- semiconductoare) ce este depus pe stratul de oxid. Anozii se fabrică din folie de aluminiu, tantal sau niobiu. Terminalele acestor condensatoare au polaritatea anumită: anod – pozitivă, catod – negativă. Sunt condensatoare electrolitice, în care ambele armături conţin un strat de oxid. La aceleaşi valori de tensiune nominală si capacităţi dimensiunile condensatoarelor cu tantal şi cu niobiu sunt mai mici decît dimensiunile condensatoarelor cu aluminiu. Condensatoarele cu tantal şi cu niobiu pot funcţiona la temperaturi mai mari, capacităţile lor variază mai puţin la schimbarea temperaturii, chiar si curenţii de scurgere sunt mai mici. Condensatoarele electrolitice şi oxid - semiconductor au capacităţi mari şi pot să ajungă pîna la mii de microfarade. Aceste condensatoare se utilizează în filtrele de netezire ale redresoarelor şi în circuite de audiofrecvenţă în calitate de condensatoare de 26

blocare şi de divizare, de asemenea în amplificatoarele de audiofrecvenţă în calitate de condensatoare de trecere. Dezavantajele condensatoarelor electrolitice sunt: nestabilitatea parametrilor, curentul de scurgere mare, dependenţa capacităţii de temperatură, intervalul de frecvenţă limitat. Condensatoarele variabile sunt caracterizate prin dependenţa capacităţii de unghiul de rotaţie a armăturilor mobile (rotor) faţă de armăturile imobile (stator), aici variază mărimea ariei de acoperire a plăcilor, dar interstiţiu şi permitivitatea dielectrică ramîn neschimbate. Dependenţa capacităţii de unghiul de rotaţie a rotorolui faţă de stator ( legea de variaţie a capacităţii ) poate fi lineară, logaritmică, de asemenea poate fi dependenţa de variaţie pentru frecvenţă variabilă linear, pentru lungime de undă variabilă linear. În condensatoarele cu capacitatea variabilă ca dielectrici se folosesc pelicule organice si ceramica de înaltă frecvenţa. Condensatoarele ceramice se deosebesc cu dimensiuni mai mici. Condensatoarele variabile pot fi cu o secţie sau cu mai multe. În condensatoarele cu mai multe secţii plăcile rotorului în toate sectiile se rotesc sincronic şi capacitatea oricărei secţii se schimbă la fel. Este cunoscut, că tensiunea pe condensator in timpul proceselor tranzitorii in circuitele RC cu sursa de tensiune continuă se descriu printr-o funcţie exponenţiala. Condensatorul neîncărcat fiind conectat la sursa de tensiune Un se încarcă, şi tensiunea pe condensator creşte în procesul de incarcare dupa legea exponenţială de la valoarea 0 la t =0, pînă la Un pentru t = ∞. Dependenţa tensiunii pe condensator faţă de timpul încărcării Uc = f(t) se exprimă prin formula: Uc (t) = Uп [1 – exp (– t/τ)],

(5)

unde τ = RC – constanta de timp a circuitului de încărcare (descărcare).

Dacă la inceputul procesului de descărcare (t=0) condensatorul a fost încărcat pîna la tensiunea U0, dar la terminarea procesului 27

descărcat pînă la zero, atunci dependenţa Uc = f(t) se va exprima prin relaţia: U(t) = U0 exp (– t/τ).

(6)

2. Descrierea standului de laborator Cercetarea condensatjarelor fixe de diferite tipuri C1, C2, ... , C10 se produce cu ajutorul schemei, prezentată în fig. 1.

Fig. 1. Schema pentru cercetarea dependenţei de temperatură a capacităţii condensatoarelor. Condensatoarele sunt montate pe o placă comună şi se află în termostat. Terminalele condensatoarelor se conectează la circuitul de măsurare cu ajutorul fişei, amplastă în spatele termostatului. La luare de cunoştinţa cu aspectul general al condensatoarelor, cu particularităţiile de construcţie şi cu marcarea condensatoarele se extrag din termostat, după obţinerea informaţiei necesare – se introduc regulat în thermostat şi se conectează la fişă. Măsurarea capacităţii se efectuează cu măsurătorul PC de tip E7-15, la care 28

condensatorul cercetat se conectează cu ajutorul comutatorului SA, În acelaş timp, bornele de intrare ale aparatului E7-15 se conectează la jacurile corespunzătoare a machetei. Pentru cercetarea dependenţei capacităţii condensatorului de temperatură termostatul se conectează la reţeaua 220 V, temperatura căruia se reglează cu ajutorul reostatului şi se măsoară cu termometrul. Cercetarea procesului de încărcare şi descărcare a condensatorului se efectuează cu ajutorul schemei, prezentată în fig. 2.

Fig. 2. Schema pentru cercetarea procesului de

încărcare şi descărcare condensatorului Parametrii schemei: C = 1000 μF - condensatorul cercetat, R = 33 kΩ – rezistorul delimitat, Uп = 15 В - tensiunea sursei de alimentare a curentului continuu. Întrerupătorul S1 în poziţia 2 conectează circuitul de încărcare, în poziţia 1 - circuitul de descărcare a

condensatorului C. Comutatorul cu buton SB se foloseşte la determinarea tensiunii de restabilire Ur a condensatorului C încărcat anticipat pentru scurtcircuitarea lui pentru un timp scurt (la sursa tensiunii deconectată de la schema). În calitate de voltmetru se foloseşte multimetrul de tipul DT - 830B. În lucrarea de laborator se cercetează condensatorul variabil C var de tipul KПВ, terminalele cărui sunt conectate cu jacurile pe macheta pentru conectarea măsurătorului capacităţii PC. Pentru ridicarea dependenţei capacităţii condensatorului de unghiul rotirii rotorului С=ƒ(φ) pe machetă este depusă scara de la 0 pînă la 180° în 29

formă de semicerc, centrul căreia coincide cu axa de rotire a plăcilor

mobile ale rotorului. Valoarea necesară a unghiului φ se stabileşte prin rotirea manetei rotorului în jurul axei. 3. Ordinea efectuării lucrării 1. Se va scoate din termostat setul de condensatoare , se va familiriza cu construcţia şi cu marcarea condensatoarelor sau cu documentaţie de însoţire dacă ea există. Se vor măsura capacităţiile C1, C2, ..., C10 şi se va întocmi datele obţinute în tab.3. Toleranţa condensatoarelor se calculează după formula 1.

Nr ord

Marcarea condensatorului (denumirea convenţională)

С, F Tipul (μF, nF,pF) dielectricelui, Сn Сf construcţiei, marca măsu etc. tă rată

Tabelul 3 Toleranţa ΔС, % cal marca cu tă lată

1 2 … 10

2. Se vor ridica dependenţile de temperaturâ ale capacităţiilor condensatoarelor de diferite tipuri la încălzire pînă la 90 °C şi se vor construi graficile corespunzătoare. Pentru acest scop conectaţi măsurătorul E7-15, cuplaţi bornele lui de intrare la schema (fig. 1) şi după încălzirea aparatului se vor efectua măsurările capacităţii condensatoarelor (conform 30

indicaţiilor profesorului) peste fiecare 10°C, temperanura stabilă. Rezultatele se introduc în tab.4. T, 0

C

С1: tip condensatorului αC , С ppm/К

С2: tip condensatorului αC , С ppm/К

…

controlînd

Tabelul 4 С10: tip condensatorului αC , С ppm/K

20 30 40 50 60 70 80 90 3. În baza rezultatelor de măsurare din p.2 de calculat după formula (2) valorile CTC, luînd diferenţa de temperatură nu mai mică decît 40 °C.

Rezultatele calculelor se vor introduce în tab.4 şi pe baza lor se va determina grupa stabilităţii termice a condensatoarelor cercetate. 4. Se va ridica dependenţa tensiunii de timp Uc = f(t) în procesul încărcării şi descărcării condensatorului. Pentru acesta asamblaţi schema, prezentată în fig.2, păstrînd la conectare polarizarea tensiunii continuă U п = 15 V. Instalaţi comutatorul S1 în poziţia 2. Conectaţi sursa de alimentare a schemei şi, începînd de la momentul dat (t 1 =0), înregistraţi în tab.5 indicaţiile voltmetrului la încărcarea condensatorului pînă la tensiunea Uc≈ U п peste fiecare 15 s, de la min. al doilea – peste fiecare 60 s. După încărcarea condensatorului cercetaţi procesul de descărcare. Pentru acesta comutaţi comutatorul S1 în poziţia 1 şi, începînd de la momentul dat (t 2 =0), înregistraţi în tab.5 indicaţiile voltmetrului peste fiecare 15 s, și de la minimum a doua măsurare – peste fiecare 60 s, pînă la descărcarea completă. La începutul măsurării tensiunii la descărcare a condensatorului, deconectaţi sursa de alimentare U п .

31

Tabelul 5 t1 , c Uс, В (exper)

0

Încărcarea condensatorului 15 ……….

Uс, В (calcul) Descărcarea condensatorului t2 ,c Uс, В (exper)

0

15

……….

Uс, В (calcul)

5. Se va construi graficul dependenţei Uc = f(t) pentru procesele de încărcare şi de descărcare după rezultatele experienţei şi calcularea după formulele 3 şi 4. De măsurat R şi C, de calculat constanta de timp τ=RC şi de determinat valoarea experimentală τ ,folosînd graficul curbei de descărcare Uc = f(t), ca timpul după care tensiunea pe condensator se va micşora de e ori. 6. Se va determina coeficientul de absorbţie al condensatorului electrolitic de oxid cu aluminiu. În acest scop încărcaţi condensatorul C pe parcurs de 5 min., conectînd sursa de alimentare a schemei U п (fig. 2) şi comutatorul S1 în poziţia 2. Măsuraţi tensiunea condensatorului U 1 . După aceasta, deconectînd sursa de alimentare împreună cu firul de legătură de la schemă, imediat scurtcircuitaţi condensatorul C pentru 3 secunde, apasînd butonul SB. Peste 3 min. măsuraţi tensiunea U 2 la condensator şi calculaţi valoarea coeficientulului de absorbţie după formula: U2 Ка = ·100% . (7) U1 7. Se va ridica şi va construi dependenţa capacităţii condensatorului variabil de unghiul de rotaţie al rotorului С=ƒ(φ). Se va determina legea de variaţie a capaciţăţii. э

32

4. Conţinutul dării de seamă. 1. Schemele de măsurare ale parametrilor condensatoarelor. 2. Tabelurile 9.3, 9.4, 9.5 cu rezultatele măsurărilor. 3. Graficele dependenţilor C=ƒ(T), Uc = f(t), С=ƒ(φ). 4. Calculele parametrilor condensatoarelor ΔС, ТКЕ, τ, Ка. 5. Concluziile lucrării. 5. Întrebări pentru control. 1. Care element al tehnicii electronice se numeşte condensator? 2. Cum se clasifică condensatoarele? 3.Cum se indică convențional şi se marchează condensatoarele? 4. Prin ce parametri se caracterizează condensatoarele? 5.Explicaţi dependenţele de temperatură a capacităţii condensatoarelor cercetate. 6. Cum depinde tensiunea la condensator de timpul încărcării (descărcării)? 7. Ce înseamnă noţiunea „condensator variabil” sau „reglabil”? 8. Care lege de variaţie a capacităţii pot avea condensatoarele variabile? 9. Numiţi domeniile de aplicare ale condensatoarelor? 6. Bibliografie. 1. Рычина Т. А., Зеленский А. В. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы. –М.: Радио и связь, 1989. 2. Справочник по электрическим конденсаторам /Под ред. В. В. Ермуратского. - Кишинев: Штиинца, 1982. 3. Рычина Т. А. Электрорадиоэлементы. – М.: Сов радио, 1976. 4. Drăgulescu N., Miroiu C., Moraru D. A,B,C... Electronica în imagini: Componente pasive. Ed. Tehnica, Bucureşti, 1990. 5. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства: Справочник. Минск, 1994.

33

7. Surse pentru determinarea valorilor mărimilor fizice a componentelor electronice - http://cxem.net/sprav/sprav12.php, - http://ecursuri.wikispaces.com/file/view/marcarea+condensatoarelor.pdf, - www.digikei.com, - http://monitor.espec.ws/files/markirovka_160.pdf.

Lucrarea de laborator Nr.3

34

Cercetarea dependenţei de temperatură a conductibilităţii electrice a semiconductoarelor Scopul lucrării: Studierea fenomenului fizic a conductivităţii electrice în materialele semiconductoare, aplicarea schemei de măsurare a conductivităţii electrice, cercetarea dependenţei de temperatură a conductivităţii electrice, determinarea regiunilor cu conductivitate electrică intrinsecă şi extrinsecă şi lărgirea benzii interzise în diverse materiale semiconductoare. 1. Cunoştinţe generale Proprietatea de bază a materialului la aplicarea unui cîmp electric din exterior este conductibilitatea electrică, adică, capacitatea de a conduce curent electric sub acţiunea tensiunii electrice continuu.  Dacă materialul se află într-un cîmp electric cu intensitatea E , atunci particulele încărcate libere din material, adică purtătorii   mobili de sarcini electrice, sub acţiunea forţei F  q E ( unde q este sarcina particulei) capătă o acceleraţie în direcţia vectorului  E (pentru purtătorii care au sarcină pozitivă q), sau în direcţia opusă ( pentru purtătorii care au sarcina negativă q). Apariţia unei astfel de mişcări ordonate în spaţiu (spre deosebire de cea termică haotică) al sarcinilor electrice este curentul electric în material. Pentru cazul cînd în material există purtători mobili de sarcină numai de un tip, densitatea curentului electric j reprezintă cantitatea de sarcină electrică care este transferată într-o unitate de  timp prin unitatea de secţiune perpendiculară pe vectorul E , şi se determină prin expresia :   (1) j  qN V , unde N este numărul de purtători mobili de sarcini electrice ce se află într-o unitate de volum, sau concentraţia purtătorilor mobili de 35



sarcină, m-3 ; V este viteza medie în mişcarea ordonată a purtătorilor mobili de sarcină (viteza de drift) obţinută în timpul parcursului liber sub acţiunea cîmpului electric exterior. Dacă sub acţiunea intensităţii cîmpului electric se schimbă numai direcţia mişcării purtătorilor mobili de sarcină şi v ED3). Cu cît este mai mare concentraţia impurităţii cu atît este mai mare temperatura epuizării. Semiconductorul, în care banda de impurităţi se suprapune cu banda de conducţie şi ΔED≈0, este numit degenerat (curba pentru ND3 în fig.2,a şi d). Formulele pentru concentraţia purtătorilor mobili în semiconductor, dopat cu impurităţi acceptoare, se obţin analogic. Ele au acelaşi aspect ca şi pentru semiconductorul de tip n, dacă în loc de NC vom scrie NV, în loc de ΔED - ΔEA şi în loc de ND - NA, adică :  E A  p  NaNv exp   . (14)  2kT  45

Dependenţa ln(p)=f(1/T) este absolut analogică curbelor pentru semiconductorul de tip n (fig.2). 2.2. Dependenţa de temperatură a mobilităţii purtătorilor de sarcină Electronii şi golurile de conducţie sunt supuse împrăştierii (dispersiei), adică îşi schimbă direcţia şi viteza mişcării la ciocnire cu nodurile reţelei cristaline, defectele reţelei, atomii de impuritate. Viteza de drift, aceasta înseamnă că şi mobilitatea purtătorilor de sarcină, este strîns legată cu lungimea parcursului liber în cristal:



e e l 0  * , m* m u

(15)

unde m* este masa efectivă a purtătorilor de sarcină. O valoare mare a mobilităţii poate fi condiţionată de o masă efectivă mică a purtătorilor de sarcină şi de o valoare mare a timpului de deplasare liberă sau mai precis a timpului de relaxare  0 . Timpul de relaxare este determinat de procesele de împrăştiere a electronilor aflaţi în mişcare în semiconductor şi depinde de temperatură, concentraţia impurităţii Nimp şi intensitatea cîmpului electric E. În semiconductoare cu reţeaua atomică cristalină împrăştierea purtătorilor mobili de sarcină are loc în principal pe oscilaţiile termice ale reţelei cristaline şi pe impurităţile ionizate. Aceste două mecanisme de dispersie aduc la apariţia a două porţiuni în dependenţă de temperatură a mobilităţii (fig. 3). Dispersia pe baza oscilaţiilor termice ale reţelei cristalinte joacă un rol dominant la temperaturi ridicate, unde mobilitatea

 T  T 3 / 2 , 46

(16)

adică mobilitatea se micşorează la creşterea temperaturii. Micşorarea mobilităţii μ la creşterea temperaturii T se explică prin creşterea numărului de ciocniri ale purtătorilor mobili de sarcină în unitatea de timp cu nodurile reţelei cristaline, adică, cu micşorarea timpului parcursului liber. Această lege a variaţiei a lui μ în raport cu T va compensa în formula (5) creşterea cu temperatura a mărimilor NC şi NV, care se determină conform relaţiilor: NC

 2mn* kT  2 h2 

3/ 2









şi

 2m P* kT N V  2 h2 

3/ 2







,

(17)

unde m*n şi m*p sunt masele efective ale electronului şi ale golului de conducţie în benzi, h este constanta lui Planck. În domeniul temperaturilor joase o valoare esenţială are o dispersie pe baza atomilor ionizaţi de impuritate Nimp şi mobilitatea μion~T3/2/Nion

,

(18)

adică mobilitatea creşte odată cu ridicarea temperaturii. Valoarea şi poziţia maximului curbei μ(T) depinde de concentraţia impurităţilor. Cu creşterea temperaturii maximul se deplasează în regiunea temperaturilor mai ridicate, iar toată curba - în jos, pe axa coordonatelor. La temperaturi foarte joase, cînd impurităţile sunt slab ionizate, împrăştierea purtătorilor mobili de sarcină are loc pe atomii neutri de impuritate. În prezenţa acestui mecanism de împrăştiere mobilitatea nu depinde de temperatură, dar se determină numai de concentraţia impurităţii. Mărirea concentraţiei impurităţii aduce la micşorarea valorii parcursului liber al purtătorilor şi, ca urmare, la scăderea mobilităţii lor. Mobilitatea purtătorilor de sarcină poate sa se deosebească de la o probă la altă probă de semiconductor în dependenţă de componenţa lui şi perfecţiunea structurii cristaline. 47

2.3. Dependenţa de temperatură a conductivităţii electrice a materialelor semiconductoare Conductivitatea electrică a semiconductorului, cum se vede din relaţia (5), se determină de concentraţia şi mobilitatea purtătorilor mobili de sarcină, valorile cărora depind de temperatură. Precum, pentru concentraţia purtătorilor mobili de sarcină este caracteristică dependenţa exponenţială de temperatură, pentru mobilitate dependenţa de putere (relativ slabă). De aceea, dependenţa de temperatură a conductivităţii electrice este asemănătoare cu dependenţa de temperatură a concentraţiei purtătorilor de sarcină (fig. 4).

Fig.3. Dependenţa de temperatura Fig.4. Dependenţa de a mobilităţii purtătorilor mobili de temperatură a conductivităţii sarcină într-un semiconductor care electrice întrun semiconductor conţine diverse concentraţii de cu diverse niveluri de dopare impurităţi. (ND1