книги из ГПНТБ / Аналоговые запоминающие и адаптивные элементы
..pdfНа рис. 8-1,г приведены спектральные характеристики элек трохимической ячейки с сернокислым электролитом для различ ных толщин медной пленки на поверхности электропроводного прозрачного электрода. Желательно, чтобы максимум спек тральной чувствительности фотоприемника находился здесь в диапазоне длин волн светового излучения 0,4—0,6 мкм.
Скорость дрейфа коэффициента пропускания светового по тока электрохимической ячейкой после записи составляла у испытанных образцов около 2—3% в неделю.
8-3. АЗЭ с использованием |
изменения положения границы фаз |
электрод—электролит |
|
Изменение светового потока, падающего на фотоприемник при пропускании тока через твердофазный электрохимический эле мент, может быть достигнуто за счет изменения положения границы фаз между непрозрачным электродом и прозрачным электролитом. В этом случае корпус элемента, по крайней мере на участке, где происходит считывание, выполняется прозрач ным и ему придается форма капилляра. В качестве электрохи мического преобразователя здесь обычно используется капил лярный ртутно-электролитический диод [Л. 185, 187]. При при менении калиброванных капилляров достигается высокая пропорциональность между массой ртути, перенесенной с элек трода на электрод и смещением границ фаз электрод — раствор,
x = |
Si^Iy{t)dt, |
|
|
(8-9) |
где |
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(8-10) |
|
— чувствительность |
по перемещению, |
причем у — плотность |
ме |
|
талла; 5 К — площадь |
поперечного сечения электрода в капилля |
|||
ре; |
т] — коэффициент |
выхода по току |
(/у , выбирается так, |
что |
бы |
Г) = 1). |
|
|
|
На рис. 8-2,а показана схема капиллярного ртутно-электро- литического диода с оптоэлектронным считыванием. Если пре небречь искажениями, обусловленными неодинаковостью длин электролитного зазора и щели диафрагмы, влиянием отраже ний от ртутных менисков и др., то время изменения освещенно сти фотоприемника от наибольшего до наименьшего значения
* = ^ - я к - |
( 8 - И ) |
222
Рис. 8-2. Капиллярный |
ртутно-электролитический |
запоминающий |
диод |
|||||
с оптозлектронным |
считыванием |
(а) |
и зависимость |
сопротивления |
|
|||
фотоприемника |
от времени [Л. |
208] |
при 1У=5 ма |
(б). |
|
|||
1 — |
источник света; |
2 — |
конденсор; |
3 — |
капиллярный |
диод; |
|
|
4 — |
диафрагма; |
5 — |
фотоприемник. |
|
|
|
|
где I — длина столбика электролита в междуэлектродном про межутке. Легко видеть, что ySl/2 = mM — масса ртути, перенесен ная с электрода на электрод за время t.
На рис. 8-2,6" представлена экспериментальная |
зависимость |
сопротивления фотоприемника от времени при |
постоянном |
управляющем токе. Отклонение характеристики |
от линейной |
по концам рабочего участка обусловлено искривлением границ фаз электрод — электролит и частично краев щели диафрагмы, рассеянием света на ртутных менисках, неравномерной чувст
вительностью фотоприемника |
по его |
активной поверхности |
и др. Начальное (наибольшее) |
значение |
сопротивления ограни |
чено здесь фоновым световым |
потоком. |
|
Для известных образцов ток управления может быть в пре делах 0,005—5 ма, а количество электричества, необходимое для осуществления максимального изменения светового потока, может составлять 0,01 — 1 к [Л. 209].
Капиллярные ртутно-электролитические запоминающие эле менты с оптозлектронным считыванием отличаются хорошей повторяемостью характеристик адаптации, практическим отсут ствием гистерезиса и очень малой температурной зависимостью. Наибольшее значение имеет поляризационная погрешность, свя занная с изменением распределения концентраций компонентов по объему электролита в капилляре при прохождении через диод тока управления [Л. 194, 239].
223
9
• • • • • • • • • • • • • • • •
Принципы
ппгтппяипа
пистриения
Электрохимических
АЗЭ U
^
9-1. АЗЭ и АЭ на основе
Схемы аналоговых запоминающих
элементов на основе твердофазных
канальных электрохимических триодов и капиллярных ртутно-электро-
литических |
триодов |
во многом сход- |
н ы м е ж д у |
с о б о й |
Одинаковы и |
методы считывания по выходному сопротивлению, которое в обоих случаях меняется при переносе ме талла в электрохимическом процес се и является функцией заряда, протекшего в цепи управления. Од нако различная физическая приро- д а выходных сопротивлений создает
существенные различия рабочих ха- триодов рактеристик триодов и областей их
целесообразного применения. Управление элементами обоих типов возможно как от источ
ника напряжения, так и от источника тока. Управление током обеспечивает более стабильную работу элемента, в частности значительно меньшую скорость дрейфа и меньшее влияние тем пературы. Такой же режим при управлении напряжением до стигается подключением последовательно в цепь управления добавочного сопротивления RROt>-
Для защиты от перенапряжений (опасных при длительном их воздействии) предусматривается ограничение напряжения на входе нелинейным шунтом (аналогично описанному в гл. 7), а в схемах с ТКЭ-триодами, кроме того, используется симметри рование тока управления в электроде считывания для улучше ния равномерности осаждения и снятия металла по длине этого электрода. Характерные варианты цепей управления изображе ны на рис. 9-1.
Основные различия |
аналоговых |
запоминающих |
элементов |
по виду характеристики |
вход — выход |
определяются |
различием |
схем включения по цепи считывания. |
На диаграмме рис. 9-2 |
дана классификация возможных структур схем, в основу кото рой положена эта особенность [Л. 241]. Под схемами с непосред ственным считыванием подразумеваются здесь простейшие схе мы, основанные на делении напряжений или разветвлении токов. По методу подключения цепи считывания электрохими ческого элемента можно различать непосредственное включение и включение через трансформатор.
Для сравнительной оценки схем далее приняты следующие параметры.
224
|
1) |
Кратность |
изменения выходного сигнала |
элемента |
(тока |
|||
в нагрузке): |
|
|
|
|
|
|||
|
|
/ в . , |
|
|
|
|
|
(9-1) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
/ и . м а к с , |
/н.мпп — соответственно наибольшее |
и наименьшее |
|||||
значение этого тока. |
|
|
|
|||||
|
Параметр |
k3l |
зависит от кратности изменения сопротивле |
|||||
ния |
считывания |
триода |
ксч. |
|
|
|||
|
2) |
Схемная |
чувствительность |
|
|
|||
|
|
V |
|
|
|
|
|
(9-2) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
/ н |
— ток |
в нагрузке; |
RC4— сопротивление считывания |
трио |
|||
да; |
qyi |
— входной заряд |
цепи управления элемента; qy2— |
вход |
||||
ной заряд |
цепи |
управления триода. |
|
|
Рис. |
9-1. |
Варианты схем |
цепей |
управления. |
|
а — с |
трансформаторным включением |
и с нелинейным шунтом |
(ограничительной |
||
цепочкой) |
из двух кремниевых |
диодов; |
|
6 — с |
нелинейным |
шунтом из двух |
кремниевых |
транзисторов, включенных |
по схеме |
|
диодов; |
в, г — схемы с КРЭ-триодом, |
с нелинейными |
шунтами. |
|
Часто входные цепи аналоговых запоминающих элементов построены так, что qylz=qj2 (если не учиты вать весьма малого тока утечки че рез ограничительные цепочки) и тогда
а / . |
(9-3) |
|
|
3) Абсолютная нелинейность |
|
# = 2 Д / / / Н . м а к с , |
(9-4) |
где AI—максимальное |
отклонение |
расчетной характеристики от пря мой линии, проведенной через точки минимального и максимального зна чения выходного сигнала.
Существуют |
два |
основных вари |
анта схем на |
основе ТКЭ-триодов |
|
с непосредственным |
преобразовани |
ем: 1) считывание заданным напря жением (последовательное включе ние нагрузки и цепи считывания триода, рис. 9-3,а) и 2) считывание заданным током (параллельное включение нагрузки и цепи считыва ния триода, рис. 9-3,6). В КРЭ-трио- дах сигнал считывания можно по давать как непосредственно в цепь считывания, так и в цепь управле ния.
При питании от источника на пряжения по цепи управления (рис. 9-3,в) получается схема, ана логичная известной схеме для резистивных делителей напряжения. Схемы со считыванием током, пока занные на рис. 9-3,6 и г, имеют оди наковые характеристики независимо от того, подается ли сигнал считы вания непосредственно в цепь счи тывания или через цепь управления.
eg |
со |
а |
5с |
га |
=т |
Е |
а- |
2 |
* |
§• |
I - |
|
|
СП |
|
|
S а. |
Л |
ее |
|
1— |
5 |
|
S |
X |
|
Рис. 9-2. Классификация схем считывания.
226
а) 6) в) г)
Рис. 9-3. |
Упрощенные |
варианты |
схем включения |
цепей |
|
считывания. |
|
|
|
|
|
а, б — для |
ТКЭ-триодов; |
в, г — для |
КРЭ-триодов; |
ЭХ — |
электрохимически |
изменяемое |
сопротивление. |
|
|
|
Основные характеристики схем с непосредственным преоб
разованием |
приведены в табл. 9 |
-1. Здесь |
1„—напряже |
|||
ние и ток |
питания |
цепи |
считывания триодов; |
^ с ч , Ясч.мако |
||
. Ясч.мин — активная |
составляющая |
сопротивления |
считывания и |
|||
.ее максимальное и минимальное |
значение; Хсч — реактивная |
со |
||||
ставляющая |
сопротивления |
считывания; п=/?н //\> с ч .М акс', |
tn — |
.макс-
На рис. 9-4 приведены характеристики управления аналого вых запоминающих элементов при включении цепи считывания по схемам с непосредственным преобразованием.
Меняя способ питания, параметры схемы и тип триодов,, можно в достаточно широких пределах изменять характеристи
ку |
управления. |
|
|
|
|
В случае необходимости получить |
относительно |
большую- |
|
величину сопротивления считывания |
применяют трансформа |
|||
торное включение ТКЭ-триода |
(так |
называемое |
включение- |
|
с |
вносимым сопротивлением). |
|
|
|
|
Трансформаторное включение |
может дать, кроме |
того, воз |
можность исключить гальваническую связь между цепями управления и считывания. Однако наличие потерь в трансфор маторе уменьшает кратность изменения выходного тока. Поэто му желательно использовать частоты считывания, при которых:
влияние потерь мало, или принимать |
специальные меры для: |
|
его |
уменьшения. |
|
|
Для трансформаторного включения цепи считывания элемен |
|
та, |
используя обычную эквивалентную |
схему трансформатора и |
227
Схемы с непосредственным преобразованием
Считывание напряжением
Характеристика
Питание через цепь управления (только для КРЭ-триодов)
Амплитудная |
характеристика |
R^Ra |
СЧ.макс —Ran) |
|
|
|
|
||
Фазовая |
характеристика |
|
|
|
Кратность |
|
|
|
|
Относительная чувствительность1 |
|
|
||
|
|
|
|
.макс "Ь ^сч (^сч.маке~т~^еч) I 2 |
Абсолютная |
нелинейность |
|
|
|
(только |
для |
КРЭ-триодов) |
6 + |
27п |
пренебрегая потерями в сердечнике и рассеиванием магнитного потока, можно написать:
^сч.маис
к 1 ^ с ч . макс |
к 1А с ч .макс |
и
VR
228
Питание через цепь считывания
— arctg
Rc4 + RH
•Ru Ru
Таблица 9-1
Считывание током
f~Ra
R(S4 +
- a r c t g ^ + a r c t g ^
+Rn)
^сч.мин (^сч.макс ~~Ь ^ н )
|
и |
|
|
/Ян |
|
|
|
|
(RC4 |
+ Ru)2 |
|
(Яеч + |
Я н ) 2 |
|
|
|
|
2[1 |
+ 2n + m — |
|
2[2гса |
+ n (1 + |
т) — |
_ |
|
|
|
1 + . « |
" * |
|
п-\- т |
|
|
|
|
—2Уг(т |
+ п)(1 |
+ п)\ |
—2nV(l+n) |
(т+п) |
J |
|
||
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
а = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/ с 1 / \ с ч . ь |
До- |
-; ifei — коэффициент трансформации; |
М |
||||
|
|
|
|
|
|
|||
индуктивность |
намагничивания; L — индуктивность рассеива |
|||||||
ния вторичной обмотки трансформатора. |
|
|
|
|||||
Для |
увеличения |
кратности изменения тока реактивную |
со |
ставляющую можно компенсировать включением в первичную цепь конденсатора (последовательно или параллельно первич ной обмотке трансформатора). Для получения высокой кратно-
16—382 |
229 |
|
|
|
Мостовые |
схемы |
||
Основные характеристики |
с одним |
триодом |
|
с |
двумя триодами |
|
|
|
|||||
Амплитудная характери |
U У |
( Л е ч - Л . ) * |
+ * с 2 „ |
1 ~ |
\RQ.4\ — ^ е ч г | |
|
стика |
||||||
|
|
|
|
|
||
|
2 |
RC4 + R3 |
+ |
|
|
|
|
- |
arctg * Ы 1 ^ * Я 2 » + |
Фазовая характеристика |
|
|
|
| |
-^сч |
| |
^СЧ1 + -^СЧ2 |
Re4 -}- R3 ~Т~ RH
Кратность |
|
R* |
|
|
|
|
|
||
Относительная |
чувстви |
/~ |
R3 |
|
2 (Лоч + |
Rz+R*)2 |
|||
тельность |
|
—
—
* |
Случай |
емкостной компенсации. |
" |
С л У ч а й |
* ' ^ с ч . м а к с - |
сти тока параметры триода и трансформатора надо выбирать так, чтобы значение р не попадало в область, приблизительно ограничиваемую пределами 0,02<|3<3. При малых р компенса ция обязательна.
Мостовые схемы включения цепи считывания дают малую нелинейность, большую чувствительность и хорошую симметрич ность характеристики управления. Обычно применяются мосто вые схемы с питанием от источника тока (см. рис. 9-5,а и б для КРЭ-триодов и рис. 9-6,а для ТКЭ-триодов). Сопротивления по
стоянных плеч моста выбираются для |
схемы, с ТКЭ-триодом из |
|
условия |
|
|
Rz — Ri^Ra', |
Дсч.мако |
(9-5) |
Характеристики мостовых и дифференциальных схем на ТКЭтриодах приведены в табл. 9-2. Принятые здесь обозначения:
230
Таблица 9-2
Дифференциальные схемы**
сдвумя триодами
2
arctg •
X ( #счг + о + Rk
X' — эквивалентное реактивное сопротивление половины вторич ной обмотки трансформатора; U2~—напряжение на вторичной обмотке трансформатора.
Для компенсации остаточного тока в мостовых схемах с од ним ТКЭ-триодом в плечо, смежное с рабочим, параллельно постоянному сопротивлению подключается конденсатор (см. рис. 9-6,а), емкость которого определяется по формуле
С — 1 |
{ х ™ \ |
|
|
/д_б\ |
|
'Меч |
V #сч / Ч ч = Я з " |
|
|
|
|
Амплитудная |
и фазовая |
частотная характеристики |
|
при компен |
|
сации: |
|
|
|
|
|
'«—Г |
* e , + /?,+*4 |
? , = a r c t g |
. |
(9-7) |
16* |
231 |