Как измерить кожное сопротивление
Обновлено: 05.05.2024
Что будет, если в электронике каждый радиоэлемент будет враждовать с другим радиоэлементом? Или каскад будет воевать с каскадом? Тогда ни одна аппаратура не заработает. Поэтому, задача электронщика не просто подобрать радиоэлементы и спаять их, но и сделать так, чтобы все они дружили друг с другом и работали единой командой, выполняя определенную функцию.
Как раз для этих целей миротворцем в радиоэлектронике является самый простой и самый часто используемый радиоэлемент — резистор. Откройте любую схему или посмотрите на любую плату и увидите множество резисторов. Но почему именно резистор считается самым распространенным радиоэлементом на платах?
Все радиоэлементы имеют какое-то свое сопротивление, и у всех оно проявляется по разному. У некоторых радиоэлементов в состоянии покоя сопротивление может быть одно, а в рабочем состоянии — совсем другое. Некоторые радиоэлементы могут менять свое значение сопротивления в зависимости от напряжения, силы тока, температуры, солнечного света и тд. Для того, чтобы согласовать работу этих различных радиоэлементов как раз используют резисторы.
Как все это происходит? Дело в том, что один радиоэлемент обладает одним сопротивлением, а другой — другим сопротивлением. Чтобы правильно их подцепить к друг другу надо сделать согласование сопротивлений. По идее любой радиоэлемент или каскад имеет так называемое входное и выходное сопротивление. Обязательно читаем про входное и выходное сопротивление, иначе вы не поймете, о чем идет речь в этой статье. Суть согласования сопротивлений состоит в том, что мы должны согласовать выходное сопротивление одного каскада с входным сопротивлением другого каскада.
Почему надо согласовывать сопротивления
Давайте рассмотрим схему:
Если вы читали статью про входное и выходное сопротивление, то наверное помните, что любой источник сигнала имеет в своем составе внутреннее сопротивление (выходное сопротивление) и источник ЭДС, а любая нагрузка обладает входным сопротивлением.
Предположим, что у нас нет никакой нагрузки:
Что имеем в этом случае? Сила тока в цепи будет равняться нулю, так как у нас обрыв, а напряжение на клеммах будет равняться ЭДС. Или буквами: Iвх =0, Uвх=E. То есть в этом случае амплитуда сигнала будет такой, какой она должны быть.
Но что будет, если мы подсоединим нагрузку?
Для источника сигнала будет не айс. Ему придется поднатужиться, так как цепь стает замкнутой и в цепи начинает течь ток Iвх. Что же тогда случится с напряжением Uвх ? Оно будет больше или меньше, или вообще останется таким же? Ответ на этот вопрос прост: все зависит от входного сопротивления нагрузки Rвх . Если оно очень и очень большое, то сигнал почти не изменится. Он будет таким же, как и без нагрузки. Но если нагрузка будет обладать малым сопротивлением, в дело идет закон Ома для полной цепи:
I — сила тока, в Амперах
E — ЭДС источника, в Вольтах
R — сопротивление нагрузки, Ом
r — внутреннее сопротивление, Ом
Так, теперь давайте будем мыслить логически. Смотрим на схему…
Что будет, если нагрузка будет обладает маленьким входным сопротивлением Rвх ?
Во-первых, увеличится сила тока в цепи Iвх.
Во-вторых, так как сила тока в цепи стала большой из-за маленького сопротивления Rвх, следовательно, увеличится падение напряжения на выходном сопротивлении Rвых .
В-третьих, так как падение напряжения на сопротивлении Rвых увеличилось, то следовательно, на сопротивлении Rвх оно уменьшилось:
С законом Ома для полной цепи не поспоришь ;-) А что такое падение напряжения на Rвх? Это и есть Uвх. Значит делаем вывод: чем низкоомнее нагрузка, тем больше будет просаживаться сигнал напряжения. ]
Согласование сопротивлений для оптимальной передачи напряжения
Итак, из всего выше написанного делаем выводы. Что нам требуется для того, чтобы передать сигнал напряжения в нагрузку и чтобы он не просел? Ответ однозначный — как можно более высокоомную нагрузку. В идеале, чтобы был вообще обрыв). Ну а на практике стараются сделать так, чтобы Rвх > 10Rвых . Поэтому различные приборы, такие как генератор частоты, блок питания и различные источники питания делают как можно с меньшим выходным сопротивлением. Различные измеряющие приборы типа осциллографов и мультиметров делают как можно с бОльшим входным сопротивлением, чтобы не гасить амплитуду сигнала.
Согласование сопротивлений для оптимальной передачи тока
Смотрим внимательно на схему:
Так как мы не в состоянии поменять Rвых, то какое же надо подобрать сопротивление Rвх, чтобы сила тока в цепи была максимальной? Разумеется, как можно меньше. В идеале — ноль Ом. Этот метод согласования используется редко.
Согласование сопротивлений для оптимальной передачи мощности
Теперь вопрос ставится так: как передать максимальную мощность от источника нагрузке? Если вы не забыли, мощность выражается формулой: P=IU. Так и напрашивается ответ, что Rвх должна быть равна нулю. Но тогда у нас все напряжение упадет на Rвых ! Получается, что на сопротивлении Rвх =0 Ом у нас будет падать также 0 Вольт. То есть мощность, выделяемая на Rвх будет равна 0 Ватт.
Если поставить Rвх очень большим, то у нас сила тока в цепи будет крохотной, что в результате опять же мощность, выделяемая на Rвх будет минимальной.
Так как я не силен в дифференциалах и интегралах, за нас физики и математики уже все посчитали. Оказывается, чтобы передать максимальную мощность в нагрузку, надо чтобы выполнялось простое равенство:
Заключение
Как видите, ничего сложного в согласовании сопротивлений нет. Из всех трех видов согласования чаще всего используется именно согласование по напряжению. Согласование по мощности и по току следует использовать с большой осторожностью, так как в этом случае на сопротивлении Rвых будет падать большая мощность, что приведет к нагреву источника и даже к его выходу из строя.
Определение зависимости сопротивления кожи от внешних воздействий. Изучение методик измерения сопротивления. Схемы подключения электродов при измерении сопротивления тела человека. Описание блоков и программное обеспечение измерительного устройства.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 13.05.2014 |
| Размер файла | 64,5 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Новосибирский государственный технический университет
Кафедра систем сбора и обработки данных
по дисциплине «Системы сбора и обработки данных»
Измерение сопротивления кожи человека на постоянном токе
1. Зависимость сопротивления кожи от внешних воздействий
2. Методики измерения сопротивления кожи
3. Схемы подключения электродов при измерении сопротивления тела человека
4. Требования к разрабатываемому прибору
5. Структурная схема разрабатываемого устройства
6. Характеристики блоков измерительного устройства
7. Программное обеспечение прибора
Список использованной литературы
В электрофизиологических исследованиях важное внимание уделяется изучению электрических явлений в живом организме, которые проявляются, в частности, в изменении так называемых пассивных электрических свойств биологических тканей: импеданса, проводимости, емкости, диэлектрической проницаемости. Любые функциональные и патологические изменения в исследуемых системах и органах сказываются на параметрах электрических сигналов, которые являются результатом электрофизиологических исследований. [1] измерительный сопротивление кожа электрод
Электрическое сопротивление различных тканей тела человека неодинаково: кожа, кости, жировая ткань, сухожилия и хрящи имеют относительно большое сопротивление, а мышечная ткань, кровь, лимфа и особенно спинной и головной мозг -- малое. По сравнению с другими тканями кожа обладает очень большим удельным сопротивлением, которое является главным фактором, определяющим сопротивление тела человека в целом. [2]
Строение кожи имеет сложную структуру, в которой можно выделить два основных слоя: эпидермис и дерму, каждый из которых, в свою очередь состоит из нескольких слоев. Основной вклад в электрическое сопротивление кожи вносит наружный слой эпидермиса - роговой слой.
Сопротивление кожи, следовательно, и тела в целом резко уменьшается при повреждении ее рогового слоя, наличии влаги на ее поверхности, интенсивном потовыделении и загрязнении.
В инженерно-психологических и медико-биологических исследованиях, особенно при оценке уровня психоэмоциональной напряженности оператора (пациента), широко применяются электрофизиологические показатели состояния человека. Так, кожно-гальваническая реакция (КГР) широко используется для изучения вегетативной нервной системы, определения особенностей психофизиологических реакций и исследования черт личности. [3]
1. Зависимость сопротивления кожи от внешних факторов
Также немаловажным является влияние различных внешних факторов на изменение значения сопротивления кожи, а, следовательно, на внесение дополнительных погрешностей в результат измерения.
Повреждение рогового слоя-- порезы, царапины, ссадины и другие микротравмы могут снизить сопротивление тела человека до значения, близкого к значению его внутреннего сопротивления (500-700 Ом), что безусловно увеличивает опасность поражения человека током.
Увлажнение кожипонижает ее сопротивление даже в том случае, если влага обладает большим удельным сопротивлением. Так, например, увлажнение сухих рук сильно подсоленной водой, снижает сопротивление тела на 30-50%, а дистиллированной водой-на 15-35%. Объясняется это тем, что влага, попавшая на кожу, растворяет находящиеся на ее поверхности минеральные вещества и жирные кислоты, выведенные из организма вместе с потом и кожным салом, и становится более электропроводной. При длительном увлажнении кожи наружный слой ее разрыхляется, насыщается влагой, в результате чего сопротивление его почти полностью утрачивается. Таким образом, работа сырыми руками или в условиях, вызывающих увлажнение каких-либо участков кожи, создает предпосылки для тяжелого исхода в случае попадания человека под напряжение.
Загрязнение кожиразличными веществами, в особенности хорошо проводящими ток (металлическая или угольная пыль, окалина и т.п.), сопровождается снижением ее сопротивления, подобно тому как это наблюдается при поверхностном увлажнении кожи. Кроме того, токопроводящие вещества, проникая в выводные протоки потовых и сальных желез, создают в коже длительно существующие токопроводящие каналы, резко понижающие ее сопротивление. Таким образом, токарь по металлу, шахтер и лица других специальностей, у которых руки загрязняются токопроводящими веществами, подвержены большей опасности поражения током, чем лица, работающие чистыми руками.
Влияние места приложения электродов на сопротивление тела человека
Место приложения электродов оказывает влияние потому, что сопротивление кожи у одного и того же человека неодинаково на разных участках тела. Кроме того, различным (хотя и в незначительных пределах) оказывается и внутреннее сопротивление за счет изменения длины пути тока по внутренним тканям организма. Разница в значениях сопротивления кожи на разных участках тела объясняется рядом факторов, в том числе:
а) различной толщиной рогового слоя кожи;
б) неравномерным распределением потовых желез на поверхности тела;
в) неодинаковой степенью наполнения кровью сосудов кожи.
Наименьшим сопротивлением обладает кожа лица, шеи, рук на участке выше ладоней и в особенности на стороне, обращенной к туловищу, подмышечных впадин, тыльной стороны кисти руки.
В Институте неврологии АМН СССР в качестве нормы приняты следующие показатели для ЭСК (в килоомах); лоб - 10, шея - 35, ладонь - 20, живот - 525, бедро - 525, колени - 400. [4]
Влияние значения тока на сопротивление тела человека
Увеличение тока,проходящего через тело человека, сопровождается усилением местного нагрева кожи и раздражающего действия на ткани. Это в свою очередь вызывает рефлекторно, т. е. через центральную нервную систему, быструю ответную реакцию организма в виде расширения сосудов кожи, а следовательно, усиление снабжения ее кровью и повышение потоотделения, что и приводит к снижению сопротивления кожи в этом месте.
Зависимость сопротивления тела человека от значения приложенного напряжения.
Повышение напряженияUh,приложенного к телу человека, вызывает уменьшение в десятки раз полного сопротивления тела человекаzhкоторое в пределе приближается к наименьшему значению сопротивления внутренних тканей тела (примерно 300 Ом). Многочисленные опыты подтверждают характер этой зависимости, хотя значения сопротивлений, полученные при замерах разными авторами, обычно сильно различаются. Объясняется это главным образом разными условиями опытов (которые производились с животными и трупами людей и лишь в пределах безопасных токов-- с живыми людьми), а также индивидуальными особенностями испытуемых.
Уменьшениеzhс ростом приложенного напряжения происходит в основном за счет уменьшения сопротивления кожи и объясняется ростом тока, проходящего через кожу, и пробоем рогового слоя кожи под влиянием приложенного напряжения.
Пробой рогового слоя кожи возможен, если напряженность возникшего в нем электрического поля превысит его пробивную напряженность,равную, как показывают опыты, 500--2000 В/мм. Поскольку сопротивление рогового слоя резко преобладает над сопротивлением всей остальной цепи тока в теле человека, с некоторым приближением можно считать, что напряжение, подведенное к телу человека, практически целиком прикладывается к роговому слою (точнее, к двум последовательно включенным слоям). При этом допущении нетрудно определить напряжение, которое, будучи приложено к телу человека вызывает пробой рогового слоя, т.е. пробивное напряжениеUпр, В,
Где dр--толщина рогового слоя, мм.
Так, приdp=0,05 мм иЕпр=500 -2000 В/мм получим:Uпр=50 - 200В.
Следовательно, пробой рогового слоя кожи возможен при напряжении около 50В и выше. Исследования подтверждают это предположение. В частности, опыты, проведенные над трупами людей, показали, что напряжение около 200 В всегда вызывает пробой наружного слоя кожи.
Влияние рода и частоты тока на сопротивление тела человека
Опыты показывают, что сопротивление тела человека постоянному току больше, чем переменному любой частоты. Приf=0сопротивление имеет наибольшее значение, с ростом частотыzhуменьшается (за счет уменьшения емкостного сопротивления) и в пределестановится равным внутреннему сопротивлению телаRВ.
Зависимость сопротивления тела человека от площади электродов
Площадь электродовSоказывает непосредственное влияние на полное сопротивление тела человека: чем большеS, тем меньшеzh.Рис. 3 подтверждает эту зависимость. Вместе с тем он показывает, что с ростом частоты зависимостьzhотSуменьшается, и при частоте 10 - 20 кГц влияние площади электродов утрачивается полностью. Из выражений для расчета zhтакже видно, что при больших частотах, например 10 - 20 кГц, первое слагаемое под корнем приобретает значение, близкое к нулю,azhстановится равнымRВ.
Влияние длительности протекания тока на сопротивления тела
Длительность протекания тока заметно влияет на сопротивление кожи, а следовательно, наzhв целом за счет усиления со временем кровоснабжения участков кожи под электродами, потовыделения и т. п. Опыты показывают, что при небольших напряжениях (до 20 - 30 В) за 1- 2 мин сопротивление понижается обычно на 10 - 40% (в среднем на 25%), а иногда и больше. При увеличении напряжения, а следовательно, при росте тока через тело человека сопротивление тела снижается быстрее, что объясняется, по-видимому, более интенсивным воздействием на кожу тока большего значения. [5]
Так, например, замеры, произведенные в США во время одной электрической казни, показали, что сопротивление тела человека, равное 800 Ом в момент включения под напряжение 1600 В, снизилось через 50 с до 516 Ом, т. е. на 35%. [4]
Влияние параметров окружающей среды на сопротивление кожных покровов человека
Физические раздражения,возникающие неожиданно для человека: болевые (уколы и удары), звуковые, световые и пр. - могут вызвать на несколько минут снижение сопротивления тела на 20 - 50%.
Уменьшение или увеличение парциального давления кислородав воздухе по сравнению с нормой соответственно снижает или повышает сопротивление тела человека. Следовательно, в закрытых помещениях, где парциальное давление кислорода, как правило, меньше, опасность поражения током при прочих равных условиях выше, чем на открытом воздухе.
Повышенная температура окружающего воздуха(30 - 45 0 С) или тепловое облучение человека вызывает некоторое уменьшение значения полного сопротивления тела человека, даже если человек находится в этих условиях кратковременно (несколько минут), и при этом не наблюдается усиления потовыделения. Одной из причин этого может быть усиление снабжения сосудов кожи кровью в результате расширения их, что является ответной реакцией организма на тепловое воздействие.
Влияние различных внешних факторов вносит дополнительные погрешности в измерения сопротивления тела. Необходимо максимально устранить внешние факторы, влияющие на состояние кожи исследуемого (температура, влажность, повреждения и загрязнения рогового слоя); оптимально подобрать амплитудные характеристики измерительных токов, длительность исследования, подобрать форму и размер электродов.
2. Методики измерения сопротивления кожи
Можно четко выделить два метода регистрации кожно-гальванических реакций: по Тарханову (регистрация электрических потенциалов кожи) и по Фере (регистрация электрического сопротивления кожи). Оба метода, как показатели состояния организма, дают идентичные результаты, только латентный период изменения сопротивления кожи несколько выше, чем при изменении потенциалов кожи.
Кожа человека обладает некоторой устойчивостью к току и напряжению. Это сопротивление изменяется с эмоциональным состоянием тела. Схема измерителя сопротивления кожи, предложенная здесь, измеряет изменения в сопротивлении вашей кожи после изменений вашего психического состояния.
В расслабленном состоянии сопротивление, оказываемое кожей, достигает 2 мегаом или более, что снижается до 500 кОм или менее при слишком высоком эмоциональном стрессе. Снижение сопротивления кожи связано с увеличением кровотока и проницаемостью, за которыми следуют физиологические изменения во время сильного стресса. Это увеличивает электропроводность кожи. Эта схема полезна для контроля реакции кожи на методы релаксации. Он очень чувствителен и показывает реакцию во время внезапного стресса. Даже глубокий вздох даст ответ.
Измеритель сопротивления кожи
Схема использует чувствительный усилитель, чтобы чувствовать изменения в сопротивлении кожи. IC CA3140 (IC1) разработана как преобразователь сопротивления в напряжение, которое выдает переменное напряжение в зависимости от проводимости кожи. Он подключен как инвертирующий усилитель для генерации постоянного тока на кожу для измерения сопротивления кожи.
схема измерителя сопротивления кожи
Инвертирующий вход (контакт 2) IC1 подключен к заземлению (через предустановку VR1) и к одной из сенсорных панелей, а неинвертирующий вход (контакт 3) заземлен напрямую. Выходной сигнал от IC1 проходит через токоограничивающий резистор R1 ко второй сенсорной панели. R1 действует как резистор обратной связи вместе с кожей, когда сенсорные пластины контактируют с кожей. Таким образом, усиление IC1 зависит от обратной связи, предоставляемой R1, и от скина.
Схема работы тестера сопротивления кожи
В инвертирующем режиме IC1 положительное входное напряжение на его выводе 2 через сеть обратной связи делает его выход низким. Если в расслабленном состоянии оболочка обладает очень высоким сопротивлением, входное напряжение на контакте 2 уменьшается, а выход остается высоким. Таким образом, усиление IC1 варьируется в зависимости от тока, проходящего через кожу, что, в свою очередь, зависит от реакции кожи и эмоционального состояния.
В режиме ожидания сенсорные панели бесплатны. Поскольку отсутствует обратная связь с IC1, она дает высокую выходную мощность (около 6 вольт), о чем свидетельствует смещение измерительного прибора в правую сторону. Когда сенсорные панели закорочены кожей, цепь обратной связи завершается и выходное напряжение уменьшается до 4 вольт или менее в зависимости от сопротивления кожи.
Поскольку сеть обратной связи имеет фиксированный резистор (R1) и VR1 установлен на фиксированное значение сопротивления, ток, протекающий через него, зависит только от сопротивления кожи. Выходной сигнал от IC1 отображается на чувствительном измерителе с подвижной катушкой (измеритель VU). Изменяя предустановку VR2, вы можете настроить чувствительность измерителя.
Для удобства визуального наблюдения также имеется светодиодный дисплей. IC LM3915 (IC2) используется для логарифмического отображения через светодиодные индикаторы. Он может пропускать ток от контакта 18 до контакта 10 с каждым шагом 125 милливольт на своем входном контакте 5. С помощью VR3 вы можете регулировать входное напряжение IC2, а с помощью VR4 вы можете управлять яркостью светодиодов.
На практике схема обеспечивает считывание показаний счетчиков и светодиодную индикацию. Если светодиодный дисплей не нужен, IC2 можно опустить.
Сборка и тестирование
Соберите схему на печатной плате общего назначения и поместите в подходящий корпус с сенсорными накладками, наклеенными сверху, на расстоянии 5-10 мм. Сенсорные панели могут быть любого типа проводящих пластин, таких как алюминиевые или медные пластины, с размерами 1XC1 см2. Измеритель с подвижной катушкой может представлять собой небольшой измеритель VU с сопротивлением катушки 1 кОм и показаниями от 0 до 10 цифр.
После сборки схемы отрегулируйте пресеты так, чтобы выход IC1 составлял около 6 вольт. Ни один из светодиодов (LED1 – LED3) не светится в этом положении при открытых сенсорных панелях.
Теперь аккуратно коснитесь сенсорных панелей средним пальцем. Удерживайте палец, позволяя одной минуте сцепиться с подушками и расслабьте свое тело. Регулируйте VR3 до тех пор, пока не загорится зеленый светодиод (LED1) и индикатор не покажет полное отклонение. Отрегулируйте VR2, чтобы получить максимальное отклонение метра. Это указывает на нормальное сопротивление кожи, при условии, что тело полностью расслаблено.
Если у вас стресс или плохое самочувствие, сопротивление кожи уменьшается, загорается синий светодиод, за которым следует красный светодиод, а также отклонение индикатора в сторону нижней части. Короче говоря, красный светодиод и показания счетчика нуля указывают на то, что вы испытываете стресс, а зеленый светодиод и показания индикатора высокого уровня указывают на то, что вы расслаблены. Потренируйтесь в технике расслабления и понаблюдайте, насколько ваше тело расслаблено.
Предисловие
Ладно, начнем издалека… Как вы знаете, все электронные устройства состоят из блоков. Их еще часто называют каскады, модули, узлы и тд. В нашей статье будем использовать понятие «блок». Например, источник питания, собранный по этой схеме:
состоит из двух блоков. Я их пометил в красном и зеленом прямоугольниках.
В красном блоке мы получаем постоянное напряжение, а в зеленом блоке мы его стабилизируем. То есть блочная схема будет такой:
Блочная схема — это условное деление. В этом примере мы могли бы даже взять трансформатор, как отдельный блок, который понижает переменное напряжение одного номинала к другому. Как нам удобнее, так и делим на блоки нашу электронную безделушку. Метод «от простого к сложному» полностью работает в нашем мире. На низшем уровне находятся радиоэлементы, на высшем — готовое устройство, например, телевизор.
Ладно, что-то отвлеклись. Как вы поняли, любое устройство состоит из блоков, которые выполняют определенную функцию.
— Ага! Так что же получается? Я могу просто тупо взять готовые блоки и изобрести любое электронное устройство, которое мне придет в голову?
Да! Именно на это нацелена сейчас современная электроника ;-) Микроконтроллеры и конструкторы, типа Arduino, добавляют еще больше гибкости в творческие начинания молодых изобретателей.
На словах все выходит прекрасно, но всегда есть подводные камни, которые следует изучить, чтобы начать проектировать электронные устройства. Некоторые из этих камушков называются входным и выходным сопротивлением.
Думаю, все помнят, что такое сопротивление и что такое резистор. Резистор хоть и обладает сопротивлением, но это активное сопротивление. Катушка индуктивности и конденсатор будут уже обладать, так называемым, реактивным сопротивлением. Но что такое входное и выходное сопротивление? Это уже что-то новенькое. Если прислушаться к этим фразам, то входное сопротивление — это сопротивление какого-то входа, а выходное — сопротивление какого-либо выхода. Ну да, все почти так и есть. И где же нам найти в схеме эти входные и выходные сопротивления? А вот «прячутся» они в самих блоках радиоэлектронных устройств.
Итак, имеем какой-либо блок. Как принято во всем мире, слева — это вход блока, справа — выход.
Как и полагается, этот блок используется в каком-нибудь радиоэлектронном устройстве и выполняет какую-либо функцию. Значит, на его вход будет подаваться какое-то входное напряжение Uвх от другого блока или от источника питания, а на его выходе появится напряжение Uвых (или не появится, если блок является конечным).
Но раз уж мы подаем напряжение на вход (входное напряжение Uвх), следовательно, у нас этот блок будет кушать какую-то силу тока Iвх.
Теперь самое интересное… От чего зависит Iвх ? Вообще, от чего зависит сила тока в цепи? Вспоминаем закон Ома для участка цепи :
Значит, сила тока у нас зависит от напряжения и от сопротивления. Предположим, что напряжение у нас не меняется, следовательно, сила тока в цепи будет зависеть от… СОПРОТИВЛЕНИЯ. Но где нам его найти? А прячется оно в самом каскаде и называется входным сопротивлением.
То есть, разобрав такой блок, внутри него мы можем найти этот резистор? Конечно же нет). Он является своего рода сопротивлением радиоэлементов, соединенных по схеме этого блока. Скажем так, совокупное сопротивление.
Как измерить входное сопротивление
Как мы знаем, на каждый блок подается какой-либо сигнал от предыдущего блока или это может быть даже питание от сети или батареи. Что нам остается сделать?
1)Замерить напряжение Uвх, подаваемое на этот блок
2)Замерить силу тока Iвх, которую потребляет наш блок
3) По закону Ома найти входное сопротивление Rвх.
Если у вас входное сопротивление получается очень большое, чтобы замерить его как можно точнее, используют вот такую схему.
Мы с вами знаем, что если входное сопротивление у нас большое, то входная сила тока в цепи у нас будет очень маленькая (из закона Ома).
Падение напряжения на резисторе R обозначим, как UR
Из всего этого получаем…
Когда мы проводим эти измерения, имейте ввиду, что напряжение на выходе генератора не должно меняться!
Итак, давайте посчитаем, какой же резистор нам необходимо подобрать, чтобы как можно точнее замерять это входное сопротивление. Допустим, что у нас входное сопротивление Rвх=1 МегаОм, а резистор взяли R=1 КилоОм. Пусть генератор выдает постоянное напряжение U=10 Вольт. В результате, у нас получается цепь с двумя сопротивлениями. Правило делителя напряжения гласит: сумма падений напряжений на всех сопротивлениях в цепи равняется ЭДС генератора.
В результате получается цепь:
Высчитываем силу тока в цепи в Амперах
Получается, что падение напряжения на сопротивлении R в Вольтах будет:
Грубо говоря 0,01 Вольт. Вряд ли вы сможете точно замерить такое маленькое напряжение на своем китайском мультиметре.
Какой отсюда вывод? Для более точного измерения высокого входного сопротивления надо брать добавочное сопротивление также очень большого номинала. В этом случае работает правило шунта: на бОльшем сопротивлении падает бОльшее напряжение, и наоборот, на меньшем сопротивлении падает меньшее напряжение.
Измерение входного сопротивления на практике
Ну все, запарка прошла ;-). Давайте теперь на практике попробуем замерить входное сопротивление какого-либо устройства. Мой взгляд сразу упал на Транзистор-метр. Итак, выставляем на блоке питания рабочее напряжение этого транзистор-метра, то есть 9 Вольт, и во включенном состоянии замеряем потребляемую силу тока. Как замерить силу тока в цепи, читаем в этой статье. По схеме все это будет выглядеть вот так:
А на деле вот так:
Итак, у нас получилось 22,5 миллиАмпер.
Теперь, зная значение потребляемого тока, можно найти по этой формуле входное сопротивление:
Выходное сопротивление
Яркий пример выходного сопротивления — это закон Ома для полной цепи, в котором есть так называемое «внутреннее сопротивление». Кому лень читать про этот закон, вкратце рассмотрим его здесь.
Что мы имели? У нас был автомобильный аккумулятор, с помощью которого мы поджигали галогенную лампочку. Перед тем, как цеплять лампочку, мы замеряли напряжение на клеммах аккумулятора:
И как только подсоединяли лампочку, у нас напряжение на аккумуляторе становилось меньше.
Разница напряжения, то есть 0,3 Вольта (12,09-11,79) у нас падало на так называемом внутреннем сопротивлении r ;-) Оно же и есть ВЫХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ. Его также называют еще сопротивлением источника или эквивалентным сопротивлением.
У всех аккумуляторов есть это внутреннее сопротивление r, и «цепляется» оно последовательно с источником ЭДС (Е).
Но только ли аккумуляторы и различные батарейки обладают выходным сопротивлением? Не только. Выходным сопротивлением обладают все источники питания. Это может быть блок питания, генератор частоты, либо вообще какой-нибудь усилитель.
В теореме Тевенина (короче, умный мужик такой был) говорилось, что любую цепь, которая имеет две клеммы и содержит в себе туеву кучу различных источников ЭДС и резисторов разного номинала можно привести тупо к источнику ЭДС с каким-то значением напряжения (Eэквивалентное) и с каким-то внутренним сопротивлением (Rэквивалентное).
Eэкв — эквивалентный источник ЭДС
Rэкв — эквивалентное сопротивление
То есть получается, если какой-либо источник напряжения питает нагрузку, значит, в источнике напряжения есть ЭДС и эквивалентное сопротивление, оно же выходное сопротивление.
В режиме холостого хода (то есть, когда к выходным клеммам не подцеплена нагрузка) с помощью мультиметра мы можем замерить ЭДС (E). С замером ЭДС вроде бы понятно, но вот как замерить Rвых ?
В принципе, можно устроить короткое замыкание. То есть замкнуть выходные клеммы толстым медным проводом, по которому у нас будет течь ток короткого замыкания Iкз.
В результате у нас получается замкнутая цепь с одним резистором. Из закона Ома получаем, что
Но есть небольшая загвоздка. Теоретически — формула верна. Но на практике я бы не рекомендовал использовать этот способ. В этом случае сила тока достигает бешеного значения, да вообще, вся схема ведет себя неадекватно.
Измерение выходного сопротивления на практике
Есть другой, более безопасный способ. Не буду повторяться, просто скопирую со статьи закон Ома для полной цепи, где мы находили внутреннее сопротивление аккумулятора. В той статье, мы к акуму цепляли галогенную лампочку, которая была нагрузкой R. В результате по цепи шел электрический ток. На лампочке и на внутреннем сопротивлении у нас падало напряжение, сумма которых равнялась ЭДС.
Итак, для начала замеряем напряжение на аккумуляторе без лампочки.
Так как у нас в этом случае цепь разомкнута (нет внешней нагрузки), следовательно сила тока в цепи I равняется нулю. Значит, и падение напряжение на внутреннем резисторе Ur тоже будет равняться нулю. В итоге, у нас остается только источник ЭДС, у которого мы и замеряем напряжение. В нашем случае E=12,09 Вольт.
Как только мы подсоединили нагрузку, то у нас сразу же упало напряжение на внутреннем резисторе и на нагрузке, в данном случае на лампочке:
Сейчас на нагрузке (на галогенке) у нас упало напряжение UR=11,79 Вольт, следовательно, на внутреннем резисторе падение напряжения составило Ur=E-UR=12,09-11,79=0,3 Вольта. Сила тока в цепи равняется I=4,35 Ампер. Как я уже сказал, ЭДС у нас равняется E=12,09 Вольт. Следовательно, из закона Ома для полной цепи высчитываем, чему у нас будет равняться внутреннее сопротивление r:
Заключение
С выходным сопротивлением все намного интереснее. Когда мы подключаем низкоомную нагрузку, то чем больше внутреннее сопротивление, тем больше напряжение падает на внутреннем сопротивлении. То есть в нагрузку будет отдаваться меньшее напряжение, так как разница осядет на внутреннем резисторе. Поэтому, качественные источники питания, типа блока питания либо генератора частоты, пытаются делать как можно с меньшим выходным сопротивлением, чтобы напряжение на выходе «не проседало» при подключении низкоомной нагрузки. Даже если сильно просядет, то мы можем вручную подкорректировать с помощью регулировки выходного напряжения, которые есть в каждом нормальном источнике питания. В некоторых источниках это делается автоматически.
При работе со сложными схемами нужно уметь определять характеристики их отдельных блоков и элементов. В частности, входное и выходное сопротивление. Важно знать, что они из себя представляют, как определяются и какую роль играют в работе устройства.
Понятие входного сопротивления для постоянного тока
Радиоэлектронные устройства могут быть не только относительно, но и очень сложными, состоящими из многих блоков. Однако независимо от сложности устройства, количества используемых в нем деталей, схему можно рассматривать в качестве совокупности простых частей с определенной разностью потенциалов на входе. На выходе блока имеется ещё два контакта, на которых также присутствует напряжение. В первом случае его называют входным, в другом — выходным. Сказанное можно пояснить следующим рисунком.
Устройство блока может быть достаточно сложным, но в рассматриваемом случае не принимаются во внимание особенности его конструкции. Фактически можно представить, что внутри как бы находится резистор с определенным активным сопротивлением, соответствующим измеренному.
Что такое внутреннее сопротивление при переменном токе
В предыдущем разделе было рассмотрено чисто активное сопротивление. При наличии в цепи только активного сопротивления фазы напряжения и тока совпадают. В реальных схемах обязательно присутствует реактивное сопротивление, которое делится еще на ёмкостное и индуктивное. Для постоянного тока его значение принято считать пренебрежимо малым и не принимать во внимание при расчёте параметров.
Если используется переменное напряжение на входе, тогда рассматривается полное сопротивление, состоящее из активного и реактивного. Их суммируют, используя правило прямоугольного треугольника. В этом случае один катет соответствует активному сопротивлению, второй — реактивному, а гипотенуза — полному или импедансу.
Важно учитывать, что в цепи с переменным током фаза напряжения сдвигается относительно фазы тока. Сдвиг фаз зависит от соотношения активного и реактивного сопротивлений конкретной цепи.
При отсутствии конденсаторов и катушек индуктивности в цепи емкостным и индуктивным сопротивлениями можно пренебречь и учитывать только активное. В этом случае ток будет следовать за напряжением, одновременно принимая нулевые и максимальные значения.
Если же в цепь включить катушку или конденсатор, создающих индуктивное или емкостное сопротивление настолько большого значения, что активное становится пренебрежимо малым, то сдвиг фаз будет равен π/2.
Так как реактивное сопротивление зависит от частоты поступающего сигнала, то чтобы более точно определить импеданс, необходимо узнать нужные параметры при двух различных частотах.
Следует принимать во внимание, что входное полное сопротивление линии может быть различным в отличающихся температурных условиях. Характер и величина отличий зависит от конкретного устройства рассматриваемого блока. Также требуется учитывать обратное влияние самой процедуры измерения на электрические параметры схемы.
При использовании параллельной схемы введения ОС входное сопротивление уменьшается и при отрицательной, и при положительной ОС. При небольшом сопротивлении в цепи ОС оно может составлять десятые, и даже тысячные доли Ома.
Как измерить
При определении входных параметров блока его устройство не рассматривается, но при этом может возникнуть необходимость провести измерение входного сопротивления. Блок выглядит как чёрный ящик, имеющий две входных и две выходных клеммы. Наиболее простым решением является определение входного напряжения и силы тока. Для простоты можно предположить, что рассматривается постоянный ток. Определить входное электрическое сопротивление в этом случае можно способом, который описан далее.
Найти входное сопротивление можно, разделив напряжение на силу тока. Однако в рассматриваемом случае нужно понимать, что если напряжение подаётся с батареи, то на показания будет влиять внутреннее сопротивление источника тока.
Если в блоке используется конденсатор, то нужно учитывать, что через него ток проходить не будет. С другой стороны, для переменного тока он помехой не является. Для переменного тока в качестве входного сопротивления цепи рассматривается полное сопротивление (импеданс). Оно представляет собой векторную сумму активного (омического) и реактивного (индуктивного и ёмкостного) сопротивлений. Однако его значение будет отличаться при различных частотах. Поэтому процедура измерения является более сложной по сравнению с постоянным током. В этом случае может быть использована следующая схема.
В данной схеме применён генератор переменного тока, который расположен слева. Его соединяют с исследуемым блоком, подавая на него переменный ток. На одном из соединительных проводов ставится резистор с известным сопротивлением R.
Напряжение измеряют дважды — перед резистором и после него. Пусть его значение будет равно U1 и U2 соответственно. Как известно, при переменном входном токе I(вх) падение напряжения на этой детали составит U2 – U1. С другой стороны оно будет равно I(вх) × R. В результате может быть получена следующая формула:
Из этой формулы можно определить величину входного тока:
I(вх) = ( U2 − U1 ) / R.
На вход исследуемого блока поступает напряжение U2:
( U2 − U1 ) / R = U2 / R(вх).
Определяем значение сопротивления:
R(вх) = R × U2 / ( U2 − U1 ).
Все величины в правой части равенства являются известными или были измерены. Подставив их формулу, можно определить величину входного сопротивления схемы.
Применение описанного здесь способа позволяет точно вычислять входное сопротивление даже в тех случаях, когда оно очень велико.
Выходное напряжение
При рассмотрении упрощённой схемы блока видно, что у него имеется выходное напряжение. Оно появляется на контактах, указанных на изображении справа.
На рисунке показан идеальный источник тока, который, как предполагается, не имеет внутреннего сопротивления. Это означает, что может быть создан сколько угодно большой ток. Имеющийся на схеме резистор нарушает определенную идеальность, ограничивая величину тока при коротком замыкании.
Измерение выходного тока может быть выполнено следующим образом. Напряжение U является известной величиной. При коротком замыкании может быть измерен проходящий по контактам ток. Выходное сопротивление R(вых) определяется по закону Ома. Для его вычисления необходимо напряжение разделить на ток.
Однако этот способ неудобен, так как большой ток нарушает условия функционирования схемы и может привести к поломкам. Поэтому на практике между клеммами ставят дополнительный резистор с известной величиной сопротивления R и только после этого измеряют значение силы тока I и напряжения U2. Предварительно следует определить разность потенциалов U1 с помощью вольтметра. Исходя из закона Ома, получают следующую формулу:
R(вых) = ( U2 – U1 ) / ( U2 / R ).
Практическое применение
Понятие входного сопротивления играет важную роль при согласовании характеристик соединённых между собой блоков. Сказанное можно пояснить на следующем примере.
Предположим, что первым блоком является источник питания. Если к его клеммам присоединён следующий блок, то при практическом определении его входного сопротивления станет понятно, что оно немного меньше расчётной величины.
Это связано с наличием внутреннего сопротивления аккумулятора. Чем оно больше, тем искажение заметнее. Аналогичная ситуация наблюдается при соединении двух любых других блоков. Чтобы передача сопротивления проходила с минимальными потерями, необходимо, чтобы выходное сопротивление предыдущего блока было намного меньше входного у последующего.
С учетом этого обстоятельства необходимо уметь определять рассматриваемые величины, а при создании схемы обеспечивать их правильное соотношение. Если оно будет нарушено, то произойдёт значительное падение напряжения при передаче.
На практике обычно сталкиваются с очень большими значениями входных сопротивлений. В некоторых случаях они могут достигать 1 МОм. Это часто происходит при относительно небольшом входном напряжении. В результате сила рассматриваемого тока получается также небольшой.
В электронике входное и выходное сопротивление играют важную роль. Все качественные измерительные приборы стараются делать с очень высоким входным сопротивлением, чтобы оно минимально сказывалось на измеряемом сигнале и не гасило его амплитуду.
Что касается качественных источников питания, то их выпускают с очень небольшим выходным сопротивлением, чтобы при подключении низкоомной нагрузки напряжение на выходе «не проседало». Но даже если это случится, его можно подкорректировать вручную, используя регулировку выходного напряжения, присутствующую в каждом нормальном источнике питания.
Читайте также: