книги из ГПНТБ / Аналоговые запоминающие и адаптивные элементы
..pdfса, малой погрешностью преобразования вход — выход, незави симостью выходной величины от тока управления, меньшей за висимостью от температуры.
Рассматриваемый капиллярный ртутно-электролитический аналоговый запоминающий элемент представляет собой твердо фазный электрохимический триод (КРЭ-триод) с линейным вы ходным сопротивлением, управляемым входным зарядом. Эле мент состоит из трех капилляров 4—6 с впаянными в их свобод ные концы выводами 1—3 (рис. 6-12,а). Другие концы капилля ров открыты в общую камеру 7, образующую вместе с ними изо лирующую герметическую оболочку, залитую электролитом. Ко роткий капилляр со ртутью 6 (как видно из рис.) служит элек тродом считывания.
Остальные два капилляра заполнены ртутью частично, что позволяет осуществлять электролитический перенос ртути с одного рабочего электрода на другой во всем рабочем диапа зоне элемента. Электролитом служит применяемый в ртутных кулонметрах водный или спиртовой раствор солей ртути с добавкой из
бытка |
постороннего |
электролита. |
Так |
как удельное |
сопротивление |
применяемого электролита почти на два порядка превышает удельное со противление ртути, то при электро литическом переносе ртути с одного рабочего электрода на другой соот ветственно изменяется значение вы ходного сопротивления между лю быми из двух рабочих электродов 1, 2 и электродом считывания 3 за счет изменения длины столбиков_ элек тролита в капиллярах.
Для1 считывания на электроды 2 и 3 (или 1 и 3) можно подавать пе ременный ток с частотой, от десят ков герц до сотен килогерц и более или импульсные сигналы с различ ной длительностью и частотой сле дования.
Сопротивление считывания на переменном токе в простейшей схе ме рис. 6-12,6 при достаточно боль шой для выбранной частоты вели чине разделительной емкости (кон-
Рис. |
6-13. |
Характеристики |
|||
управления |
КРЭ-триода |
|
|||
при |
различных |
значениях |
со |
||
противления |
/ ? Д о б , |
выражен |
|||
ного |
в |
долях |
Z y = |
2 I 3 |
|
(сопротивления |
триода |
|
|||
по |
цепи |
управ |
|
|
|
ления). |
|
|
|
|
|
202
денсатор Ср ) определяется выражением:
Z C 4 (/со) |
fc z « . ( / m ) ^ . ( / " ) - f » ( / " ) |
+ ^ |
) t |
|
( 6 .46) |
|
где Zi2 (/co)—сопротивление по цепи управления |
КРЭ-триода |
|||||
(иначе, |
Zy (/co)). |
|
|
|
|
|
Рисунок 6-13 показывает влияние на характеристику управ |
||||||
ления |
триода добавочного сопротивления RR05, |
включенного |
||||
в цепь |
управления. Кривые |
построены в предположении, что |
||||
£ с ч . м а к с ( / с о ) |
= Zy (/co). |
|
|
|
|
|
6-6. Основные |
характеристики капиллярного |
ртутно-электролитического |
триода |
|||
В отличие от ТКЭ-триода сопротивления всех электродов рас сматриваемого элемента малы по сравнению с остальными со противлениями, что существенно упрощает его эквивалентную электрическую схему (рис. 6-14,а). Для цепи считывания триода, пренебрегая сопротивлением электролита в общей камере
Z c n (/to) = |
R T + -j |
р |
, |
. _ |
|
(6-47) |
где |
|
|
|
|
|
|
Z x . n ( H = 1 4 = ( l - / ) |
|
|
|
|
(6-48) |
|
И |
V со |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/?1 = / ? э « + 2 Л р , |
|
|
|
|
(6-49) |
|
причем |
— сопротивление |
растекания |
между электродом и ка |
|||
мерой с |
электролитом или |
столбиком |
электролита |
и-камерой |
||
с электролитом; /?э л |
— сопротивление |
электролита в |
капилляре; |
|||
RKC — сопротивление квазистационарной диффузии; Zx .n — сопро тивление нестационарной диффузии; А — концентрационная по стоянная; Сд.с •—емкость двойного слоя.
В(6-47) членом, обусловленным проводимостью двойного
слоя, можно пренебречь, так как на низких и средних частотах
юСд.е < |
1 . |
1 |
|
Яке ' |
2 Х . П ( / С 0 ) |
||
|
|||
а на высоких |
частотах |
||
|
Г |
2 |
|
203
|
|
|
|
|
|
||СД.СЗ |
||
0- |
zxnl |
|
|
|
|
|
|
-0 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
*ксз |
|
|
|
|
|
|
Рис. |
6-14. |
Эквивалентная |
||
|
4 c 2 |
|
|
электрическая |
схема |
|
||
|
|
|
КРЭ-триода |
(а), |
амплитудная |
|||
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
частотная |
характеристика |
|||
2 |
*ХП2 |
к эл2 |
KP2 |
по |
цепи |
считывания |
|
|
0 - |
|
|
(точки — |
эксперимент, |
||||
|
|
|
сплошная |
линия |
—1 |
расчет |
||
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
при |
\у\=2 |
и 8=0,01) |
(б) |
|
|
|
|
|
и |
зависимость |
|
|
|
0,8
0,6
J |
I |
I |
L |
j |
10° Ю1 I 0 2 103 |
Ю+ |
Ю5 |
ГЦ |
|
6) |
|
|
|
|
a; |
ф с ч ( ю ) ОТ | Y | |
При (0 = |
<|)0 д? |
|
|
(в). |
|
|
|
|
ом |
|
|
|
|
800 |
|
|
|
|
70Q |
|
|
|
|
600 |
У 9с |
|
|
|
400 |
|
|
|
|
500 |
|
|
|
|
300 V- |
|
|
|
|
200 |
h |
|
|
|
100 |
|
|
12 |
|
о |
|
||
|
|
|
||
|
|
10 |
15 |
20 |
0 0,2 0,4 0,6 0,8 в)
Рис. 6-15. Экспериментальные характеристики управления для испытанного КРЭ-триода, снятые без термостабилизации образца.
1,2 — условные |
номера |
образцов |
|||
(кривые |
|
сняты |
при |
|
случайном |
начальном |
состоянии |
|
|||
ртутных рабочих |
|
электродов; |
|||
/у=0,4 |
ма; кружками |
|
помечены |
||
точки |
при |
прямом |
ходе, |
||
крестиками |
— при |
|
обратном). |
||
204
Тогда амплитудная частотная характеристика для цепи считы вания КРЭ-триода примет вид:
! + 1 + |
2 | Y 1* У о |
(6-50) |
||
(1 + |
s |
У^у+i |
||
где |
|
|
|
(6-51) |
|
|
|
|
|
(Параметр б характеризует ход частотной характеристики |
в об |
|||
ласти малых частот, параметр | у | — с п а д |
ее |
в области |
более |
|
высоких частот.) |
|
|
|
|
На рис. 6-14,6 приведены экспериментальная и расчетная характеристики испытанного образца для случая, когда рабочий ртутный электрод, с которого производится считывание, практи чески полностью заполняет свой капилляр и соответственно ZC4 близко к наименьшему значению, а зависимость от Zx.u (а зна чит, и от /) наибольшая. На основной части рабочего участка, когда сопротивление измеряется сотнями ом, зависимость от
частоты во всем диапазоне от 101 до 10е гц не превышает |
± 5 % . |
|||||
|
Фазовая частотная характеристика триода, выраженная че |
|||||
рез те же относительные |
величины, |
имеет вид: |
|
|||
|
arctg 2 I Y I (2 + |
2 | т | » У « " |
|
|
(6-52) |
|
|
8 У a ) + |
(1 + S V<o ) 2 + |
1 |
|||
Максимальное значение |
сдвига |
фаз зависит |
только от парамет |
|||
ра |
На рис. 6-14, в приведена |
зависимость < p n W | |
= |
|||
опт
=/(lY|) .
Наибольшее значение |
|у| для данного элемента |
соответству |
||||
ет полному заполнению капилляра ртутью, т. е. ZC4.Nim. |
В |
реаль |
||||
ных |
элементах при этом |
обычно |у|<0,25, реактивной |
состав |
|||
ляющей в сопротивлении считывания и в сопротивлении |
триода |
|||||
по цепи управления |
можно пренебречь и принимать: |
|
|
|||
|
|
R, |
|
|
|
|
Тогда из |
(6-50) |
|
|
|
|
|
R |
|
2/?к 0 (2 + |
г К 5 " ) |
|
|
(6-53) |
R, + |
- (1 + s У at ) > + 1 |
|
|
|||
На рис. 6-15 приведены характеристики управления, снятые при соблюдении условия Д д 0 б > 2 у . Как видно из рисунка, зависимо
го^
сти практически линейны, а гистерезис (при записи |
и стирании) |
здесь отсутствует. Остаточное сопротивление у |
испытанного |
триода, обусловленное сопротивлением между электродом счи тывания и рабочим электродом, при полностью заполненном ртутью его капилляре, у испытанного образца составляло не сколько десятков ом, кратность изменения zC4 — около 1 : 50.
Благодаря тому, что все электроды КРЭ-триода выполнены из одинакового материала высокой чистоты и с одинаковыми активными площадями, у них не наблюдается дрейфа как при' хранении в отключенном состоянии, так и при непрерывном мно
гочасовом считывании переменным током. При этом в отличие |
|
от ТКЭ-триодов не оказывает влияния и внешнее |
сопротивление |
цепи управления и цепи считывания. Измерения, |
проведенные |
в диапазоне длительностей импульсов от нескольких миллисе кунд до долей микросекунды, показали возможность неразрушающего считывания униполярными импульсами при достаточ ной скважности.
В отличие от считывания переменным током [Л. 237] при считывании короткими импульсами удается просто избежать
влияния тока управления |
на выходной параметр элемента |
|
[Л. 243]. |
|
|
Температурный коэффициент выходного параметра этих трио |
||
дов в 2—2,5 раза меньше, чем у жидкофазных |
систем. |
|
Помимо рассмотренного резистивного, возможно применение |
||
других параметрических методов считывания |
(оптоэлектронного, |
|
емкостного, индуктивного, |
резонансного), |
обеспечивающих |
большее быстродействие элемента при заданной кратности из менения выходной величины [Л. 244].
В концентрационном диоде [Л. 176, 179, 193, 228], обладающем свой ством запоминания протекшего че рез него заряда, сохранение концен трации неосновных носителей в приэлектродных зонах обеспечивается пористой перегородкой, отделяющей электроды друг от друга и препят ствующей выравниванию концентра ций за счет диффузии и естествен ной конвекции.
Считывание записанной аналого вой информации осуществляется здесь по значению концентрацион ной э. д. с.
Элемент состоит из герметиче ской изоляционной оболочки в виде капилляра 1 (рис. 7-1,а), заполненной раствором и разгорожен
ной пористой |
перегородкой 2, |
и из двух |
инертных электродов 3. |
|
На рис. 7-1,6 |
показано обозначение такого диода на |
схемах. |
||
При прохождении тока через электролит между |
электродами |
|||
/ и 2 происходит перераспределение концентраций |
компонентов |
|||
электролита, |
что вызывает |
изменение |
разности |
потенциалов |
между электродами в зависимости от протекшего заряда. Время хранения значения протекшего заряда qY определяется гидроди намическим сопротивлением пористой перегородки.
Известно большое количество различных окислительно-вос становительных систем, которые могут быть применены для по строения жидкофазного элемента, различающихся как раствори телями, так и составами электролитов и обеспечивающих широ кий температурный диапазон [Л. 227]. Для обычных температур наиболее часто применяются водные растворы йодистого калия и йода [Л. 208].
При прохождении тока через диод на аноде происходит про цесс окисления
3 J - - 2 e - — Г , |
(7-1) |
а на катоде — восстановления |
|
J - + 2 e - — 3J - . |
(7-2) |
Используемые в таких элементах растворы имеют избыток йоди стого калия. Соответственно электропроводность раствора опре деляется наличием этой нейтральной соли; в растворе в боль-
207
шом количестве содержатся ионы J - и лишь в небольшом — ионы т з . Поэтому скорость электродных процессов определяется
восновном поступлением к катоду этого второго компонента. Концентрационная э. д. с. между электродами
£ с = £ т 1 п - £ - , |
(7.3) |
где ci и с% — концентрация потенциалопределяющих ионов, т. е. J~, в прикатодной и прианодной области (рис. 7-2,а), a
Er==~- |
— |
^r |
— эквивалентный потенциал. |
|
(7-4) |
|
" с о |
ill |
|
|
|
|
|
В случае |
равенства |
концентраций c i = C 2 = c ° |
Ес=0. |
После проте |
||
кания |
тока |
через |
диод концентрации ионов |
J~3 |
У каждого из |
|
электродов изменяются. После их усреднения в пределах каж
дой из двух |
камер |
|
|
|
||
€ * — с " ~ Л с ; |
\ |
|
|
|
(7-5) |
|
причем |
|
|
|
|
|
|
|
\ Гу (t) dt |
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
(S |
— площадь |
поперечного сечения капилляра |
и / — длина ка |
|||
меры;. |
|
|
|
|
|
|
|
Концентрационная э. д. с. определяется |
по |
уравнению |
|||
|
|
|
X |
|
|
|
c9nPSlth^-=^Ir{t)dt. |
|
|
(7-7) |
|||
|
|
|
6 |
|
|
|
Если объемы |
|
камер не равны (например, Vi^Vz), |
то |
изменени |
||
ем |
концентрации в большем объеме можно |
пренебречь и тогда |
||||
fie |
= 2 ^ 1 + ° _ ^ J . |
|
|
(7-8) |
||
При небольших значениях концентрационной э. д. с. |
(Ес^Е?), |
|||||
ограничиваясь |
двумя первыми членами разложения, |
получаем: |
||||
Ee |
= Sujfy(t)dt1 |
|
|
|
|
(7-9) |
|
о |
|
|
|
|
|
2 0 8
Рис. 7-1. Концентрационный диод.
-20
+20 |
|
+40 |
а) |
|
+60 |
J |
I |
J_ |
|
1,2 |
1,6 |
2,0 |
|
|
|
|
|
|
мккул |
Рис. |
7-2. |
Зависимость |
разно |
|||
сти |
потенциалов |
между |
||||
электродами |
|
диода от соот |
||||
ношения |
|
концентраций |
||||
в |
прикатодной |
и |
прианодной |
|||
области |
ci/c2 |
(а) |
и |
зависи |
||
мость э. д. с. |
считывания |
|||||
от заряда, |
протекшего |
через |
||||
диод на рабочем |
участке |
|||||
характеристики |
(б). |
|
||||
14—342 |
|
|
|
|
|
|
где
•2PJ |
(7-10) |
|
(п!)2 SI |
||
|
— чувствительность запоминающе го диода, определяемая как отноше ние выходного напряжения к заря ду, протекшему в цепи управления (см. экспериментальную кривую на рис. 7-2,6).
Чувствительность диодов этого типа находится приблизительно в об ласти 0,01 — 1 в/кул. Максимальное значение входного заряда определя
ется |
объемом камер |
(V—SI) |
и |
исходной концентрацией с0 ионов |
|||
в растворе |
|
|
|
qMSLKc = |
nFc°V. |
|
(7-11) |
Для обеспечения необходимой точ ности записи и считывания значе ния интеграла [в соответствии с (7-9)] время интегрирования долж но быть много больше времени пере ходного процесса или же считыва ние должно производиться по дости жении практически установившего ся значения э. д. с. Для простейшей конструкции диода с плоскими элек тродами верхний предел частот тока управления определяется при этом условием
D |
(7-12) |
|
Время установления Ес зависит от геометрических размеров камеры и электрода (а также от его конфи гурации и макроструктуры). Оно ко леблется в широких пределах, но да же у диодов наиболее совершенных систем измеряется десятками секунд.
209
Время хранения записанной аналоговой информации опреде ляется постоянной времени саморазряда (дрейфа)
т. |
|
|
|
|
|
|
(7-13) |
где 5„ — суммарная эквивалентная площадь |
поперечного сече |
||||||
ния |
капилляров |
в пористой |
перегородке; |
/к |
— толщина |
перего |
|
родки. |
|
|
|
|
|
|
|
У |
известных |
образцов т х р |
очень велико |
(например, |
при /„== |
||
= (J,1 |
см, |
1=1 см, S/S K =1*10 3 |
и £ > = 1 0 ~ 5 см'г/сек получим т х р = |
||||
= 107 |
сек). |
Поэтому концентрационные диоды при соответствую |
|||||
щем их исполнении и схемах включения могут сохранять уста новившееся значение Ес с допустимой ошибкой в течение не скольких месяцев.
Температурная погрешность концентрационных диодов вы сока, так как Ес пропорционально Т. Однако она может быть уменьшена примерно на порядок путем применения схем термо компенсации с термисторами, термостабилизации ячейки или использования термостабилизированных электролитов.
7-2. Основные характеристики концентрационных триодов и тетродов
Основным недостатком запоминающего концентрационного элек трохимического диода является практическая невозможность одновременной записи и считывания информации (требуется очень большое время ожидания).
Ьолее совершенен способ считывания, состоящий в использо вании зависимости предельного тока диффузии между выходны ми электродами от концентрации ионов в соответствующей каме ре. В качестве выходных электродов используется общий элек трод 2 (рис. 7-3,а), который служит анодом при накоплении не основных носителей, и электрод считывания 3 (1 — электрод управления), на который подается отрицательное смещение £ = .
Так как ток в выходной цепи /С ч ограничен сопротивлением нагрузки RB, ТО при достижении входным зарядом значения
(7-14)
о
наступает насыщение, при котором все падение напряжения между электродами 2 и 3 определяется только диффузией ионов в растворе. Предельный ток диффузии определяется активной площадью выходных электродов, расстоянием /23 (а при
210
S3 < c 52 — толщиной диффузионного слоя на электроде |
считыва |
|
ния б) и концентрацией ионов в интегральной камере |
сж |
|
nFDcBS3,2 |
(7-15) |
|
' пд - |
||
|
В этих условиях, обычно используемых в запоминающем эле менте,
/ C , = |
S/ f Iy(t)dt, |
(7-16) |
|
где |
|
|
|
S i |
= |
k^-\ceK-l\ |
|
|
|
'23 |
|
— |
чувствительность |
интегрирующего элемента; k — конструк |
|
тивная константа элемента. Следует иметь в виду, что зависи мость, выражаемая (7-16), справедлива, когда верхний предел спектра частот выходного сигнала существенно меньше п£)//2 2з- Напряжение смещения Е= выбирается в пределах 0,6—0,8 в, так как напряжение больше 0,9 в соответствует началу возник новения реакции восстановления ионов водорода и образования
газовой фазы.
Практическое применение в аналоговых запоминающих и адаптивных элементах получили концентрационные жидкофаз ные тетроды (ЖТ) [Л. 229—233], представленные наибольшим
iv |
|
|
. |
J L |
, 'сч |
| R P |
X |
ГМВЫХ 0 |
|||
|
|
|
|
sr \ |
.. |
Рис. |
7-3. |
Элементарная |
схе |
||
ма |
включения |
концентра |
|||
ционного |
|
запоминающего |
трио |
||
да |
(а) |
и |
простейшая |
экви |
|
валентная |
схема |
(б). |
|
||
15—382 |
|
|
|
|
|
числом конструкций и отличающие ся от других электрохимических эле ментов рассматриваемой группы большим быстродействием и боль шей чувствительностью. Здесь для уменьшения входного сопротивления применены более проницаемые перегородки, а для уменьшения скоро-
сти дрейфа (и улучшения таким образом сохранности информации) в интегральную камеру введен еще один — экранирующий — электрод, на который подано постоянное отри цательное смещение Е = от вспомо гательного источника напряжения. Значение £ = выбирается так, чтобы в цепи экранирующего электрода
211