Вольт амперная характеристика счетчика гейгера

Жесткая и падающая вольт-амперная характеристика

Статическая вольтамперная характеристика является зависимостью напряжения дуги от поступаемого сварочного тока при постоянном значении длины дуги. Эта характеристика напрямую зависит от источника питания. Существует три типа статических характеристик:

• падающая;
• жесткая;
• возрастающая.

Сварку, производимую в обычных условиях или с использованием аргона, характеризует первый тип вольтамперной характеристики. При этом используемый сварочный ток имеет небольшие значения силы тока (до 80 Ампер), позволяя получать сварные швы небольшого размера.

При возрастании силы тока, используемой при сварке в обычных условиях, процесс ионизации активизируется и при этом возрастает площадь получаемого сечения дуги, что значительно облегчает процесс сварки. При сварочной дуге в аргонной среде происходит интенсивная ионизация непосредственно самой газовой среды со значительным повышением температуры защитного газа.

Сварочная дуга, которая возникает при силе тока от 80 до 300 Ампер, характеризуется вторым типом, для которого свойственно сложение низких значений напряжения. При этом площадь получаемого сечения будет пропорциональна значению силы тока, используемого при сварке, что позволяет получать швы необходимого размера и соединять различные конструкции, выполненные из разнообразных материалов. Проводимость сварочной дуги при этом остается постоянной.

При сварке с силой тока, превышающей 300 Ампер, говорят о возрастающей вольтамперной характеристике. При этом возникающее напряжение увеличивается в результате скопления большого количества заряженных частиц на электроде, автоматически вызывая падение напряжений на катоде.

Таким образом, можно сказать, что для падающей статической вольтамперной характеристики свойственно увеличение силы тока при снижении напряжения. Для жесткой – характерна независимость напряжения от силы тока. Для возрастающей – свойственно увеличение напряжения при возрастающем сварочном электрическом токе.

В процессе ручной сварки электродом с легирующим покрытием характеристика будет падающей, при возрастании силы тока она будет переходить в жесткую. При сварке с использованием флюса или в углекислой среде жесткая статическая характеристика будет переходить в растущую. При неизменной силе тока напряжение может меняться только от длины дуги.

Сенсоры на полевых транзисторах и на приборах с отрицательной ВАХ. Газоразрядные сенсоры

10.2. Сенсоры на элементах с отрицательной ВАХ

Известен целый ряд полупроводниковых элементов , вольтамперная характеристика (ВАХ) которых имеет участок с отрицательным наклоном.

10.2.1. Туннельные диоды

Это, например, туннельные диоды и тиристоры . ВАХ туннельного диода показана на рис. 10.8. Участок АВ с отрицательным наклоном возникает в нём вследствие того, что на узкой границе раздела вырожденных областей полупроводника — и -типа при определенных условиях у свободных электронов появляется возможность прямого туннельного перехода из одной области в другую. Одним из этих условий является подача на туннельный диод достаточно большого обратного напряжения.

Такой сенсор может быть чувствительным ко всем внешним факторам, которые влияют на создание условий переключения. Особенно чувствительным он становится вблизи критической рабочей точки . В частности, туннельные диоды в состоянии, близком к точке , применяют для выявления слабых электромагнитных колебаний (1-10 мВ) с частотами до сотен ТГц. Благодаря наличию отрицательного участка ВАХ одновременно с обнаружением происходит и значительное усиление таких сигналов за счет внешнего источника энергии.

10.2.2. Тиристоры

Тиристор – это четырехслойная полупроводниковая -структура с двумя или тремя выводами, показанная на рис. 10.9, а. Участок ВАХ с отрицательным наклоном ( рис. 10.9, б ) возникает благодаря специфическому взаимодействию трех рядом расположенных -переходов [ [ 242 ] ]. В неактивном состоянии (на участке О – А) тиристор ведет себя как полупроводниковый диод, включенный в обратном направлении, поскольку всегда один из -переходов смещен в обратном направлении. Но, если напряжение на тиристоре превысит критическое значение , то в обратно смещенном -переходе начинается управляемый электрический пробой. Ток через тиристор возрастает, в результате чего при замкнутой электрической цепи происходит инжекция носителей заряда в обратно смещенный -переход из рядом расположенного открытого -перехода. Тиристор «открывается», его сопротивление резко падает. Он переходит на ветвь 2 вольтамперной характеристики и остается на ней, пока ток через него не станет меньше так называемого «тока удержания» .

На рис. 10.9, в показана типичная схема применения тиристора . Если напряжение на тиристоре близко к напряжению переключения , то он становится очень чувствительным к влиянию ряда внешних факторов. Он может, например, открыться вследствие воздействия внешнего света (такие сенсоры называют фототиристорами ), под действием ионизирующей радиации, при повышении температуры или при появлении на его управляющем электроде слабого электрического сигнала .

10.2.3. Z-резисторы

В работах [ [ 219 ] , [ 220 ] , [ 319 ] ] предлагаются полупроводниковые сенсоры на основе так называемых Z-резисторов . Их функционирование основано на явлении «управляемой прыжковой электропроводности», открытом в конце 1980-х г.г. [ [ 162 ] ]. Оно приводит к тому, что Z-резисторы имеют L-подобную ВАХ, показанную на рис. 10.10. На участке 1 полупроводниковый Z-резистор ведет себя как обычный резистор. Электрический ток в нем распределяется по всему объему. Но, когда напряжение достигает критического значения , то в наиболее узких участках между островками начинается электрический пробой, и весь ток стягивается в «шнур» вдоль цепочки наиболее близко расположенных локальных «островков» с повышенной концентрацией носителей заряда. Величина сопротивления и напряжение на Z-резисторе резко падают. Он переходит в режим 2. Увеличение силы тока в этом режиме в результате локального разогрева приводит к пропорциональному увеличению поперечного сечения токового «шнура» при практически неизменном падении напряжения.

Если Z-резистор находится в режиме 1 под напряжением, близким к напряжению переключения, то он становится очень чувствительным к влиянию разных внешних факторов и может быть использован как чувствительный сенсор со значительным внутренним усилением сигналов.

На этой основе созданы, например, высокоэффективные температурные сенсоры – так называемые «Z-термисторы», которые в диапазоне температур от –40 С до +120 С можно довольно просто настроить на разные режимы работы: амплитудный, частотный, импульсный или пороговый [ [ 220 ] , [ 221 ] ]. Это позволяет реализовать чувствительные и экономичные устройства контроля и регулирования температуры в очень компактном исполнении. Для примера на рис. 10.11 слева показано увеличенное изображение Z-термистора размером 0,2 мм в миниатюрном теплоизолирующем керамическом зажиме.

Если таким крохотным температурным сенсором провести по телу человека, то можно зарегистрировать изменения температуры в десятые и даже в сотые доли градуса. Это – настоящая находка для врачей при термодиагностике щитовидной и молочной желез, артритов, остеохондрозов и т.п. При лечении детского энуреза сенсор на ночь приклеивают на область мочевого пузыря ребенка. Когда пузырь наполняется, температура его несколько повышается. Сигнал от Z-термистора включает миниатюрный пьезоэлектрический зуммер, прикрепляемый к уху, который своевременно будит ребенка.

На рис. 10.11 справа показан пример применения Z-термистора для экспериментальных исследований физиологических процессов в цветах растений.

Созданы также Z-сенсоры, чувствительные к магнитному полю, к ультрафиолетовому излучению, и т.д. [ [ 319 ] ].

10.3. Газоразрядные сенсоры

Свои электрические свойства под действием внешних воздействий могут изменять не только твердые тела, но и газы. Известно, что электропроводность газов очень зависит от степени их ионизации. Поэтому электропроводность газов особенно чувствительна, прежде всего, к тем внешним факторам, которые изменяют степень их ионизации. На рис. 10.12 показана упрощенная принципиальная электрическая схема первых газовых сенсоров ионизирующей радиации.

В заполненной газом ионизационной камере имеются 2 электрода, на которые подано напряжение. Если под действием ионизирующей радиации в газовой среде появляются ионы и электроны, то положительно заряженные ионы летят к катоду, а отрицательно заряженные ионы и электроны – к аноду. В электрической цепи возникает ток, величина которого измеряется прибором, откалиброванным в единицах интенсивности радиации.

Напряжение между электродами выбирается таким, чтобы практически все ионы вытягивались на электроды, не успевая рекомбинировать.

В так называемых » пропорциональных счетчиках «, предназначенных для выявления и измерения интенсивности мягкого рентгеновского и нейтронного излучений, создается значительно более высокая напряженность электрического поля между электродами. Она выбирается такой, чтобы образовавшийся ион или электрон на пути своего свободного пробега в газе успел настолько ускориться электрическим полем, чтобы при следующем столкновении с нейтральной молекулой или с атомом газа он ионизировал их. При таких условиях возникает лавина электронов, электрический ток быстро нарастает и усиливается в тысячи раз. Такие газовые сенсоры работают в импульсном режиме.

Еще более широко известны так называемые » счетчики Гейгера-Мюллера » – сенсоры для подсчета числа ионизирующих частиц, пролетающих сквозь счетчик за единицу времени. На рис. 10.13 показано, как устроен такой сенсор .

Как правило, он имеет форму металлической трубки, на оси которой расположена металлическая проволока – анод. Трубка помещена в баллон с инертным газом. Электрическое поле внутри трубки еще сильнее, чем в пропорциональных камерах. Поэтому, когда через тонкое окошечко в трубку проникает ионизирующая частица, ионизирует атомы газа, и возникают носители заряда, то очень быстро (за наносекунды) развивается лавинный процесс, и на выходе схемы появляется импульс тока. Чтобы импульсы были короткими, и их можно было подсчитывать с высокой частотой, к инертному газу прибавляют органические молекулы, которые способствуют быстрому «гашению» лавинного процесса. А к источнику высокого напряжения подключают резистор большого номинала, на котором при возникновении импульса тока падает большое напряжение, в результате чего напряжение на аноде трубки снижается и становится недостаточным для продолжения лавинного пробоя.

Краткие итоги

Устройство и физика работы полевого транзистора позволяют использовать его как элемент, чувствительный к изменениям электрического заряда или потенциала на вентильном электроде (затворе). Эти изменения могут быть обусловлены влиянием разнообразных внешних факторов, которые нужно контролировать. КМДП (КМОП) технология группового изготовления на одном кристалле кремния «комплементарных» (взаимно дополняющих) -канальных и -канальных транзисторов позволила совместить малое потребление мощности с высоким быстродействием, с очень малыми размерами элементов и создавать интегральные схемы с уровнем интеграции порядка миллиона элементов на одном кристалле. Совместное применение фотодиодов и МДП транзисторов позволило создать и организовать массовый промышленный выпуск высокоразрешающих, быстродействующих светочувствительных КМДП матриц для восприятия черно-белых и цветных изображений, содержащих до 3-5 млн. пикселей. Для восприятия цветных изображений используют фотодиоды с красным, желто-зеленым и синим светофильтрами либо разницу в поглощении кремнием света разных длин волн. Благодаря этому фотодиоды , сформированные в кремнии на разной глубине, преимущественно воспринимают свет разных длин волн и позволяют хорошо различать цвета даже без светофильтров.

Благодаря своей простой структуре, отработанной технологии изготовления и вытекающей из этого сравнительной дешевизне на рынке видеосенсоров до сих пор еще удерживают свои позиции также и светочувствительные линейки и матрицы на приборах с зарядовой связью (ПЗС).

Хорошие возможности для применения в качестве сенсоров предоставляют полупроводниковые приборы, имеющие участки с отрицательным наклоном ВАХ – туннельные диоды , тиристоры , Z-резисторы и др. При работе вблизи точки переключения они становятся очень чувствительными к влиянию ряда внешних факторов и могут, например, переключиться при воздействии внешнего света, под действием ионизирующей радиации, при повышении температуры или при появлении на управляющем электроде слабого электрического сигнала .

Продолжают применяться и электрические газовые сенсоры, особенно для выявления и измерения радиоактивных ионизирующих излучений ( счетчики Гейгера-Мюллера , пропорциональные счетчики ) и дешевые газоразрядные сенсоры.

Порядок снятия вольт-амперной характеристики (ВАХ)

Перед подачей напряжения на испытательную установку рукоятка управления ЛАТРом должна находиться в крайнем положении, соответствующем нулевой величине напряжения на выходе. Затем, после включения питания, нужно размагнитить железо трансформатора.

Для этого рукояткой управления ЛАТРом ток через обмотку несколько раз плавно увеличивают до номинальной величины и снова опускают до нуля.

После этого начинается процесс снятия ВАХ.

Оптимальным является работа в бригаде из двух человек. Один поднимает напряжение и фиксирует ток амперметра в нормируемых точках. Второй при этом снимает показания с вольтметра и записывает в заранее заготовленную таблицу.

Ток во вторичной обмотке нужно поднимать очень плавно.

Когда начинается участок насыщения, малому приращению напряжения от источника будет соответствовать резкое увеличение тока. На этом этапе нормируемые точки для измерения легко проскочить. Возвращать ручку ЛАТРа назад с целью снять показания вольтметра поточнее нельзя. Нужно плавно сбросить напряжение до нуля и начать процесс сначала.

Разрешается снимать не всю характеристику полностью, а ограничится для проверки лишь тремя ее точками. Поднимать напряжение на обмотке выше 1800 В не допускается.

По достижении конечной точки для измерений напряжение ЛАТРа плавно уменьшают до нуля, после чего проверочную установку отключают от сети.

Ещё одно интересносе видео о Ретоме 21 и снятии ВАХ с ТТ от профессионального энергетика:

Проверка ПН

Поскольку токовые характеристики всех инверторов завышены, ПН, указанный на шильдах инверторов, также не соответствует действительности. Чтобы представить, какой продолжительностью нагрузки обладают источники, рассчитаем их приблизительный режим работы. Для этого все аппараты будут нагружены их реальным максимальным током и помещены в термокамеру (при температуре 40 градусов). Исходя из времени, которое каждый источник сможет продержаться в тепловом контуре не отключаясь, сделаем выводы о реальном ПН.

Приходя в магазин за новым сварочным инвертором, сварщик-профессионал обращает внимание на ток длительной нагрузки, который указан на шильде. Цифры, указанные там, обозначают пороговые значения тока, которые сварщик может выставить на источнике не опасаясь отключения аппарата по перегреву независимо от времени работы. Неверные данные, обозначенные в графе ПН100% могут ввести сварщика в заблуждение и привести к вынужденным простоям в работе.

Результаты испытаний, полученных в термокамере

(максимальный ток инвертора в термокамере)

Время нахождения в камере до включения индикатора перегреваРеальное значение

ПН, % на макс. токе

Заявленное значение ПН, % на макс. токеРеальный ПН 100%

Где используются

У этих элементов имеется важное преимущество – устойчивость к обратному напряжению благодаря вакууму, поэтому они используются для преобразования переменного тока в постоянный:

• в лазерной индустрии;
• цифровой электронике;
• медицинском оборудовании;
• радио- и телеаппаратуре.

К недостаткам можно отнести сравнительно большие размеры и расход энергии на разогрев.

Вольт амперная характеристика счетчика гейгера

Полупроводниковым диодом называют нелинейный электронный прибор с двумя выводами. В зависимости от внутренней структуры, типа, количества и уровня легирования внутренних элементов диода и вольт-амперной характеристики свойства полупроводниковых диодов бывают различными. В данном разделе будут рассмотрены следующие типы полупроводниковых диодов: выпрямительные диоды на основе p-n перехода, стабилитроны, варикапы, туннельные и обращенные диоды.

Основу выпрямительного диода составляет обычный электронно-дырочный переход. Как было показано в главе 2, вольт-амперная характеристика такого диода имеет ярко выраженную нелинейность, приведенную на рисунке 4.1а, б, и описывается уравнением (4.1). В прямом смещении ток диода инжекционный, большой по величине и представляет собой диффузионную компоненту тока основных носителей. При обратном смещении ток диода маленький по величине и представляет собой дрейфовую компоненту тока неосновных носителей. В состоянии равновесия суммарный ток, обусловленный диффузионными и дрейфовыми токами электронов и дырок, равен нулю.

Рис. 4.1. Параметры полупроводникового диода:
а) вольт-амперная характеристика; б) конструкция корпуса

Для анализа приборных характеристик выпрямительного диода важными являются такие дифференциальные параметры, как коэффициент выпрямления, характеристичные сопротивления и емкости диода в зависимости от выбора рабочей точки.

4.1.1. Выпрямление в диоде

Одним из главных свойств полупроводникового диода на основе p-n перехода является резкая асимметрия вольт-амперной характеристики: высокая проводимость при прямом смещении и низкая при обратном. Это свойство диода используется в выпрямительных диодах. На рисунке 4.2 приведена схема, иллюстрирующая выпрямление переменного тока в диоде.

Рис. 4.2. Схема, иллюстрирующая выпрямление переменного тока с помощью диода [10, 20]

Рассмотрим, каков будет коэффициент выпрямления идеального диода на основе p-n перехода. Для этого рассчитаем по уравнению (4.1) коэффициент выпрямления К как отношение прямого тока к обратному току диода при значениях напряжения U = +-0,01 В; 0,025 В; +- 0,1 В; 0,25 В; +-1 B. Получаем:

(4.2)

Учтем, что величина β -1 при комнатной температуре составляет β -1 = 0,025 В. Результаты расчета приведены в таблице.

Как следует из таблицы и соотношения (4.2), при значениях переменного напряжения, модуль которого V_G меньше, чем тепловой потенциал kT/q, полупроводниковый диод не выпрямляет переменный ток. Коэффициент выпрямления достигает приемлемых величин при значениях V_G по крайней мере в 4 раза больших, чем тепловой потенциал kT/q, что при комнатной температуре Т = 300 К соответствует значению напряжения V_G = +-0,1 В.

4.1.2. Характеристическое сопротивление

Различают два вида характеристического сопротивления диодов: дифференциальное сопротивление r_D и сопротивление по постоянному току R_D.

Дифференциальное сопротивление определяется как

(4.3)

На прямом участке вольт-амперной характеристики диода дифференциальное сопротивление r_D невелико и составляет значение несколько Ом. Действительно, при значении прямого тока диода I = 25 мА и значении теплового потенциала kT/q = 25 мВ величина дифференциального сопротивления r_D будет равна r_D = 1 Ом. На обратном участке вольт-амперной характеристики диода дифференциальное сопротивление r_D стремится к бесконечности, поскольку в идеальных диодах при обратном смещении ток не зависит от напряжения.

Сопротивление по постоянному току R_D определяется как отношение приложенного напряжения V_G к протекающему току I через диод:

(4.4)

На прямом участке вольт-амперной характеристики сопротивление по постоянному току больше, чем дифференциальное сопротивление R_D > r_D, а на обратном участке — меньше R_D (4.5)

Используя характерное значение для обратного тока диода I = 25 мкА, получаем величину сопротивления диода в нулевой точке R_D0 = r_D0 = 1 кОм. На рисунке 4.3а приведена зависимость дифференциального сопротивления диода ГД402 от величины тока при прямом смещении.

4.1.4. Эквивалентная схема диода

С учетом полученных дифференциальных параметров можно построить эквивалентную малосигнальную схему диода для низких частот (рис. 4.3а, б, в). В этом случае наряду с уже описанными элементами — дифференциальным сопротивлением (рис. 4.3а) и емкостями диода (рис. 4.3б) необходимо учесть омическое сопротивление квазинейтрального объема базы (r_об) диода. Сопротивление квазинейтрального объема эмиттера можно не учитывать, поскольку в диодах эмиттер обычно легирован существенно более сильно, чем база.

Как определить напряжение и полярность

Светодиод пропускает ток только в одном направлении. Поэтому важно подключить устройство в схему правильно. Для этого нужно определить, который из выводов корпуса является катодом, а который анодом.

• Визуально – традиционно ножка катода короткая, а анода длинная. Катод имеет знак «минус», анод – «плюс». Можно найти катод и по-другому. Внимательно посмотрев через корпус, можно увидеть кристаллик на подставке. Вывод подставки и будет катодом.
• Подключение к источнику питания – выбирают устройство, напряжение которого не выше допустимого для светодиода напряжения. Обычно это батарейка или резистор. При правильном положении светодиод светится ярче.
• Использование мультиметра – выставляют шкалу на приборе в режим измерения сопротивления и прикасаются щупами к выводам светодиода. Контакт очень короткий. При обратном подключении мультиметр ничего не показывает, при правильном – замеряет сопротивление в районе 1,7 кОм.

Напряжение светодиода измерять не нужно. Это справочный параметр, он указывается в паспорте. Но если документ утерян, можно оценить напряжение с опрометью мультиметра. Для этого прибор настраивают на режим «проверка на обрыв» и поочередно щупами касаются выводов.