КоврижныхДВ_Лаб.практикум по мед.электронике

I.5. Рассмотрим пример применения переменного резистора для регулирования напряжения на нагрузочном резисторе, для чего соберите схему, изображенную на Рис. 1.6. Подобные схемы используются в выходных узлах физиотерапевтической аппаратуры для регулирования выходной мощности или силы тока в цепи пациента, во входных цепях диагностической аппаратуры для задания постоянной составляющей входного сигнала и т.д.

Рисунок 1.6. Электрическая схема резистивного делителя напряжения.

Установите напряжение на источнике питания 20 В. Изменяя относительное сопротивление потенциометра от 20% до 90%, измерьте выходное напряжение Uвых, которое определяется как падение напряжения на нагрузочном резисторе (Rнагр). Заполните Таблицу 1.4. По полученным данным постройте график зависимости выходного напряжения от сопротивления переменного резистора в процентах.

Таблица 1.4.

I.6. При постоянной температуре резистор является линейным элементом, т.е. его свойства не зависят от приложенного к нему напряжения и величины протекающего через него электрического тока, что, как видно из приведенных выше схем, нашло широкое применение в различных узлах электронной аппаратуры. Зависимость сопротивление резистора от температуры определило применение проводниковых резисторов как датчиков температуры. Материалы, из которых изготавливаются металлические датчики температуры, должны иметь высокий и стабильный температурный коэффициент сопротивления, а также устойчивые физические и химические свойства в области измеряемых температур [7, 15]. В наибольшей степени этим требованиям отвечают такие металлы, как платина, медь, никель. Температурная зависимость сопротивления меди близка к линейной и может быть приближенно описано следующей зависимостью:

Rt = R0 (1+αt),

где R0 и Rt — значения сопротивления при 0ºС и температуре t градусов Цельсия соответственно, α — температурный коэффициент сопротивления, t — температура по шкале

Цельсия.

Для меди α = 4,28 × 10–3 К–1.

11

Для никеля и платины температурная зависимость сопротивления может быть приближенно описана следующей зависимостью:

Rt = R0 (1+αt +βt2 ),

где R0 и Rt — значения сопротивления при 0ºС и температуре t градусах Цельсия соответственно, α и β — температурные коэффициенты сопротивления, t — температура по

шкале Цельсия.

Для платины α = 3,97 × 10–3 К–1, β = –5,85 × 10–7 К–2, для никеля α = 5,86 × 10–3 К–1,

β = 8 × 10–6 К–2. Как видно из температурных коэффициентов, наилучшими материалами для изготовления температурных датчиков являются медь и никель.

I.7. Для исследования зависимости сопротивления термодатчика от температуры соберите цепь, изображенную на Рис.1.2 (R = 50 Ом). Установите в свойствах резистора температурный коэффициент сопротивления для меди α (в окне установки свойств резистора ТС1, см. Рис. 1.3).

Рисунок 1.7. Установка температуры в свойствах резистора.

Установите напряжение питания в соответствии с Вашим вариантом и, изменяя температуру в свойствах резистора (закладка «Analysis Setup», см. Рис. 1.7), измерьте сопротивление резистора в диапазоне от 30ºС до 45ºС. Заполните Таблицу 1.5. Постройте график зависимости сопротивления R от температуры t.

Таблица 1.5.

I.8. Повторите п.7 для никелевого датчика температуры, введя в свойства резистора температурные коэффициенты α и β (в окне установки свойств резистора ТС1 и ТС2 соответственно, см. Рис. 1.3). Заполните таблицу, аналогичную Таблице 1.5. Постройте график зависимости сопротивления R от температуры t.

12

ЗАДАНИЕ ДЛЯ СРС. II Измерение импеданса биологических тканей.

Импеданс биологических тканей используется как при изучении физических свойств, состава и структуры тканей, так и при изучении изменений, связанных с физиологическими процессами в организме. Так как второе направление связано с отражением состоянием организма, то при выполнении электрофизиологических исследований этого типа необходимо учитывать, что составляющие импеданса биоткани можно считать постоянными только при плотностях тока, не превышающих 10 мкА/см2 (при больших величинах тока ткань ведет себя как нелинейный проводник тока). При этом принимается, что при постоянном значении импеданса физиологическое состояние не изменяется, а изменения импеданса связаны с изменением физиологического состояния [7].

Изучим зависимость импеданса биоткани от частоты на одной из моделей, описывающих с помощью эквивалентной электрической схемы наличие активных и реактивных свойств биологических тканей. Соберите схему, изображенную на Рис. 1.8. В данной эквивалентной электрической схеме RМ представляет сопротивление межклеточной жидкости, RЦП — сопротивление цитоплазмы и поляризационное сопротивление, СП — поляризационную емкость.

Рисунок 1.8. Эквивалентная электрическая схема биологической ткани.

Установите амперметр в режим измерения по переменному току (AC), как показано на Рис. 1.9.

Рисунок 1.9. Установка амперметра в режим измерения по переменному току.

13

Изменяя частоту на генераторе, исследуйте дисперсию импеданса — зависимость импеданса эквивалентной электрической схемы биологической ткани от частоты. Электрический импеданс рассчитывается как отношение приложенного напряжения к величине электрического тока: Z = U/I. Заполните Таблицу 1.6.

Таблица 1.6.

Постройте график зависимости импеданса от частоты. При построении графика зависимости желательно применять программные средства (например, Microsoft Excel), необходимо установить логарифмический тип шкалы для осей частоты и импеданса.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1.Опишите интерфейс программы Electronics Workbench.

2.Объясните основные правила работы с программой.

3.Как собрать схему из последовательно и параллельно включенных элементов?

4.Как подключить к элементам цепи вольтметр и амперметр?

5.Как изменить свойства элемента цепи?

6.Зависимость сопротивления резистора от температуры. Применение терморезисторов в медицине и медико-биологических исследованиях.

7.Как определяется реактивное сопротивление катушки индуктивности и конденсатора?

8.Как определяется импеданс?

9.Эквивалентная электрическая схема биологической ткани. Ограничения при измерении импеданса биологической ткани.

Подготовьте реферат на одну из тем:

1.Методы защиты от поражения электрическим током при эксплуатации электромедицинской аппаратуры

2.Методы измерения импеданса биотканей.

3.Электроемкостные методы физиологических исследований.

3. Методы регистрации биоэлектрических потенциалов.

5.Классификация и типовые конструкция надкожных и подкожных электродов.

6.Регистрация кожно-гальванической реакции по Тарханову и Фере.

7.Емкостные датчики в медико-биологических исследованиях. Устройство и применение.

8.Индуктивные датчики в медико-биологических исследованиях. Устройство и применение.

9.Электронные пикфлоуметры, пневмотахометры и компьютерные спирометры.

14

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА.

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ЛЮСТРЫ ЧИЖЕВСКОГО И АППАРАТА ДЛЯ ГАЛЬВАНИЗАЦИИ

Цель лабораторной работы: исследование вольт-амперной характеристики полупроводникового диода и схем его применения для обеспечения напряжения смещения, умножения и ограничения, а также выпрямления и стабилизации напряжения. Знакомство с принципиальными схемами люстры Чижевского и аппарата для гальванизации.

Теоретическая подготовка:

Для подготовки к данной работе повторите теоретический материал по теме «Электронно-дырочный переход и полупроводниковые диоды» [10; сс. 117–126].

В медицинской технике полупроводниковые диоды как нелинейные элементы с односторонней проводимостью применяются для выпрямления переменного напряжения, а также в схемах смещения, стабилизации, ограничения и умножения напряжения, измерения температуры (термодатчики), создания зависимых от напряжения емкостей (конденсаторов), а фото- и светодиоды применяются для обеспечения гальванической развязки, для снятия временной зависимости оптической плотности биологической ткани (например, оптоэлектронный пульсоксиметрический датчик), для создания напряжения с шумовым спектров (например, в аппаратах для флюктуаризации) и т.д.

Порядок выполнения работы:

I Изучение вольт-амперной характеристики полупроводникового диода.

I.1. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода будет исследоваться на примере диода 1N4001 (обратное напряжение лавинного пробоя составляет 49,9В). Для получения прямой ветви ВАХ необходимо собрать схему, имеющую следующий вид:

Рисунок 2.1. Схема для изучения прямой ветви ВАХ диода.

I.2. Обращайте внимание на полярность подключения вольтметра и амперметра. В библиотеке элементов 1n выберите модель 1N4001. Чтобы схема начала функционировать,

нажмите кнопку в верхнем правом углу окна программы или нажмите комбинацию клавиш <CTRL+G>.

15

I.3. Изменяя значение напряжения питания от 0 до 1 В с интервалом 0,1 В, снимите зависимость тока диода (IД) от напряжения диода (UД) и заполните Таблицу 2.1.

Таблица 2.1

I.4. Для снятия обратной ветви ВАХ необходимо собрать схему, имеющую следующий вид:

Рисунок 2.2. Схема для изучения обратной ветви ВАХ диода.

I.5. Обращайте внимание на полярность подключения вольтметра и амперметра. В данной схеме исследуется обратное напряжение, следовательно, и напряжение и токи находятся в области отрицательных значений. Изменяя напряжения питания от 0 до 50 В, снимите зависимость тока диода (IД) от приложенного напряжения (UД). Заполните Таблицу 2.2.

Таблица 2.2

16

I.6. По полученным данным (Таблицы 2.1 и 2.2) постройте вольт-амперную характеристику полупроводникового диода 1N4001, при этом данные Таблицы 2.1 используйте для построения прямой ветви ВАХ (первая четверть), а данные Таблицы 2.2 — для обратной ветви ВАХ (третья четверть). При этом следует в положительной и отрицательной частях координатных осей использовать разный масштаб.

II Изучение зависимости падения напряжения на полупроводниковом диоде от приложенного напряжения.

II.1. Для изучения зависимости падения напряжения на диоде от приложенного напряжения, необходимо в цепь прямого подключения диода добавить нагрузочный резистор R.

Рисунок 2.3. Схема для изучения зависимости падения напряжения на диоде от приложенного напряжения.

II.2. Изменяя напряжение источника питания, исследуйте зависимость падения напряжения на диоде и тока в цепи от напряжения питания цепи. Заполните Таблицу 2.3.

Таблица 2.3

По полученным данным постройте графики зависимости падения напряжения на диоде и тока в цепи от напряжения источника питания.

17

II.3. Добавьте в схему еще один диод, как показано на Рис. 2.4 и измерьте падение напряжения на двух последовательно включенных диодах.

Рисунок 2.4. Схема для измерения падения напряжения на двух полупроводниковых диодах.

II.4. Для наблюдения динамического изменения формы сигнала после прохождения через полупроводниковый диод соберите схему, изображенную на Рис. 2.5 а.

Рисунок 2.5. Схема для наблюдения формы синусоидального сигнала после прохождения через диод (а), падения напряжения на диоде (б) и на двух параллельно включенных диодах (в).

Определите разность значений напряжений на источнике напряжения и на нагрузочном резисторе, сравните последнее с максимальным значением падения напряжения на диоде (см. данные в Таблице 2.3). Зарисуйте осциллограмму в тетради. Обратите внимание на отсутствие токов во время отрицательного полупериода сигнала.

Поменяв местами диод и резистор (Рис. 2.5 б), снимите зависимость падения напряжения на диоде. Зарисуйте осциллограмму в тетради.

Подключив два параллельных противоположно направленных диода (Рис. 2.5 в), исследуйте зависимость падения напряжения на двух параллельных диодах. Зарисуйте осциллограмму в тетради.

Сделайте выводы о возможности применения диодов для обеспечения смещения напряжения и ограничения напряжения.

18

ЗАДАНИЯ ДЛЯ СРС.

III Схемы умножения напряжения на диодах и конденсаторах.

III.1. Схема, иллюстрирующая применение конденсаторов и полупроводниковых диодов для удвоения напряжения изображена на Рис. 2.6. Соберите схему и сравните напряжение на источнике сигнала и напряжение на нагрузочном резисторе. Занесите полученные результаты в тетрадь.

Рисунок 2.6. Схема для изучения удвоения напряжения.

III.2. Схема учетверения напряжения приведена на Рис. 2.7. Сравните выходное напряжение с напряжением на источнике сигнала. Занесите полученные результаты в тетрадь.

Рисунок 2.7. Схема для изучения учетверения напряжения.

Приведенные выше схемы умножения напряжения широко применяются в озонаторах и ионизаторах воздуха. Например, схема, изображенная на Рис. 2.7 представляет собой узел учетверения напряжения, расположенный после повышающего трансформатора в схеме люстры Чижевского. Выходное напряжение приложено к электроэффлювиальной "люстре", напряжение на которой превышает 25 кВ.

IV Стабилизация и ограничение напряжения с помощью полупроводниковых стабилитронов.

IV.1. Применение стабилитронов основано на использовании явления лавинного пробоя. В

программе Electronics Workbench стабилитрон обозначается значком , и для стабилизации напряжения используется обратное подключение. Работа полупроводникового стабилитрона будет изучена на примере стабилитрона 1N4733 из библиотеки 1n (напряжение пробоя 5,1 В). Снимите ВАХ указанного стабилитрона аналогично пп. 1–6. Изменяя обратное напряжение до 6 В (от 5 В до 6 В с шагом 0,1 В), экспериментально определите напряжение пробоя. Постройте в тетради ВАХ стабилитрона 1N4733.

19

IV.2. Для изучения стабилизации постоянного напряжения с помощью стабилитрона соберите схему, изображенную на Рис. 2.8. Подобная схема без стабилизатора была рассмотрена в Лабораторной работе № 1 (см. Рис. 1.6), поэтому значения приложенного к нагрузочному резистору напряжения следует использовать из Таблицы 1.4.

Рисунок 2.8. Схема для изучения стабилизации напряжения с помощью стабилитрона.

IV.3. Изменяя с помощью потенциометра R1 приложенное к нагрузочному резистору R2 напряжение, исследуйте зависимость выходного напряжения на R2 от приложенного нестабилизированного напряжения. Заполните Таблицу 2.4. Постройте график зависимости выходного стабилизированного напряжения от входного нестабилизированного.

Таблица 2.4.

IV.4. Диоды и стабилитроны в медицинской технике применяются не только для стабилизации напряжения в блоках питания, но и, например, для защиты входов электрокардиографа от повышенных входных напряжений (например, при работе дефибрилляторов). На Рис. 2.9 приведена простейшая схема двустороннего ограничения напряжения с помощью стабилитронов.

Рисунок 2.9. Схема для изучения ограничения переменного напряжения с помощью двух последовательно включенных стабилитронов.

20