Электронные компоненты и биомедицинские сенсоры

1. ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ и БИОМЕДИЦИНСКИЕ СЕНСОРЫ

Курс лекций
Автор- ст. преподаватель кафедры
ЭТТ БГУИР Собчук Николай Сергеевич

2. ВВЕДЕНИЕ

3. Рассматриваемые вопросы

• .

4. фильтры

5. фильтры

6. Цель преподавания дисциплины

7. фильтры

8. фильтры

9. фильтры

10. фильтры

11. фильтры

12. Линии задержки

13. Линии задержки

14. Линии задержки

15. Линии задержки

16. Линии задержки

17. Линии задержки

18. Линии задержки

19. Линии задержки

20. Линии задержки

21. Линии задержки

22. Линии задержки

23. Линии задержки

24. Линии задержки

25. Линии задержки

26. Линии задержки

27. Линии задержки

28. Линии задержки

29. Линии задержки

30. Линии задержки

31. Линии задержки

32. Линии задержки

33. Линии задержки

34. Линии задержки

35. Линии задержки

36. Линии задержки

37. Линии задержки

38. Линии задержки

39. Линии задержки

40. Линии задержки

41. Линии задержки

42. Линии задержки

43. Линии задержки

44. Линии задержки

45. Линии задержки

46. Линии задержки

47.

• По виду вольт-амперной характеристики:
• линейные резисторы;
• нелинейные резисторы:
– варисторы — сопротивление зависит от приложенного
напряжения;
– терморезисторы — сопротивление зависит от температуры;
– фоторезисторы — сопротивление зависит от освещённости;
– тензорезисторы — сопротивление зависит от деформации
резистора;
– магниторезисторы — сопротивление зависит от величины
магнитного поля.
– мемристоры (разрабатываются) — сопротивление зависит
от протекавшего через него заряда (интеграла тока за время
работы).

48.

Эллипсометрический метод контроля тонкоплёночных структур
• Для однородной монохроматической плоской волны состояние
поляризации может быть определено с помощью двух угловых
величин: эллиптической разности фаз Δ между s- и pсоставляющими электрического вектора отражённой волны и
азимутом Ψ восстановленной линейной поляризации.
• Ψ = arctg¦rp¦/¦rs¦ = rctg(tgβo/tgβn);
• где rp = Еop /Еnp , rs = Еos /Еns - коэффициенты отражения p- и sволны (в общем случае, величины комплексные); βo и βn - углы,
характеризующие форму эллипса для падающей и отражённой
волны. Разность фаз Δ характеризует угол разворота осей
эллипса - α, а азимут Ψ - форму эллипса (соотношение осей
через угол β).

49. Эллипсометрический метод контроля тонкоплёночных структур

• Если ввести относительный коэффициент отражении r,
представляющий собой
отношение комплексных коэффициентов отражения
для p- и s-компонентов, то можно записать основное
уравнение эллипсометрии, связывающее воедино
отражающие свойства границы раздела с
эллипсометрическими параметрами Ψ и Δ :
• Δ= Ψ - π/2;
• Задача исследователя - найти точное соответствие
между интересующими его физическими величинами,
например, значениями толщин и показателями
преломления плёнки на известной подложке и
величинами измеряемых углов Ψ и Δ , т.е. определить
искомые параметры образца.

50. КОНДЕНСАТОРЫ

Конденса́тор (от лат. condensare —
«уплотнять», «сгущать» или от
лат. condensatio — «накопление») —
двухполюсник с определённым или
переменным значением ёмкости и малой
проводимостью; устройство для накопления
заряда и энергии электрического поля.

51.

• Конденсатор является пассивным электронным
компонентом.В простейшем варианте конструкция
состоит из двух электродов в форме пластин
(называемых обкладками), разделённых
диэлектриком, толщина которого мала по
сравнению с размерами обкладок (см. рис.).
Практически применяемые конденсаторы имеют
много слоёв диэлектрика и многослойные
электроды, или ленты чередующихся диэлектрика и
электродов, свёрнутые в цилиндр или
параллелепипед со скруглёнными четырьмя
рёбрами (из-за намотки).

52. ЁМКОСТЬ

• Ёмкость – ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА,
характеризующая способность конденсатора
накапливать электрический заряд. (q = CU).
• Ёмкость плоского конденсатора, состоящего из двух
параллельных металлических пластин площадью S
каждая, расположенных на расстоянии d друг от
друга, в системе СИ выражается формулой C = ε ε0
S/d, где ε— диэлектрическая проницаемость среды,
заполняющая пространство между пластинами (в
вакууме равна единице), ε0— электрическая
постоянная, численно равная 8,854187817·10−12
Ф/м. Эта формула справедлива, лишь когда d
намного меньше линейных размеров пластин

53. Обозначение конденсаторов на схемах

Описание
Обозначение по ГОСТ 2.728-74
Конденсатор постоянной ёмкости
Поляризованный (полярный) конденсатор
Подстроечный конденсатор переменной ёмкости
Варикап

54. номинальная ёмкость конденсаторов

• На электрических принципиальных схемах номинальная
ёмкость конденсаторов обычно указывается в микрофарадах (1
мкФ = 1·106 пФ = 1·10−6 Ф) и пикофарадах (1 пФ = 1·10−12 Ф), но
нередко и в нанофарадах (1 нФ = 1·10−9 Ф). При ёмкости не
более 0,01 мкФ, ёмкость конденсатора указывают в
пикофарадах, при этом допустимо не указывать единицу
измерения, то есть постфикс «пФ» опускают. При обозначении
номинала ёмкости в других единицах указывают единицу
измерения. Для электролитических конденсаторов, а также для
высоковольтных конденсаторов на схемах, после обозначения
номинала ёмкости, указывают их максимальное рабочее
напряжение в вольтах (В) или киловольтах (кВ). Например так:
«10 мкФ x 10 В». Для переменных конденсаторов указывают
диапазон изменения ёмкости, например так: «10 — 180». В
настоящее время изготавливаются конденсаторы с
номинальными ёмкостями из десятичнологарифмических
рядов значений Е3, Е6, Е12, Е24, то есть на одну декаду
приходится 3, 6, 12, 24 значения, так, чтобы значения с
соответствующим допуском (разбросом) перекрывали всю
декаду.

55. ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ

• Для получения больших ёмкостей
конденсаторы соединяют параллельно. При
этом напряжение между обкладками всех
конденсаторов одинаково. Общая ёмкость
батареи параллельно соединённых
конденсаторов равна сумме ёмкостей всех
конденсаторов, входящих в батарею.
• C=C1+C2+...+Cn.

56. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ

• При последовательном соединении конденсаторов заряды всех
конденсаторов одинаковы, так как от источника питания они
поступают только на внешние электроды, а на внутренних электродах
они получаются только за счёт разделения зарядов, ранее
нейтрализовавших
друг
друга.
Общая
ёмкость
батареи
последовательно соединённых конденсаторов равна
• или 1/C = 1 /C1 + 1/C2 + . . . + 1/Cn .
• Эта ёмкость всегда меньше минимальной ёмкости конденсатора,
входящего в батарею. Однако при последовательном соединении
уменьшается возможность пробоя конденсаторов, так как на каждый
конденсатор приходится лишь часть разницы потенциалов источника
напряжения. Если площадь обкладок всех конденсаторов,
соединённых последовательно, одинакова, то эти конденсаторы
можно представить в виде одного большого конденсатора, между
обкладками которого находится стопка из пластин диэлектрика всех
составляющих его конденсаторов

57. ПАРАМЕТРЫ

• Удельная ёмкость
• Конденсаторы также характеризуются удельной ёмкостью —
отношением ёмкости к объёму (или массе) диэлектрика.
Максимальное значение удельной ёмкости достигается при
минимальной толщине диэлектрика, однако при этом уменьшается
его напряжение пробоя.
• Плотность энергии
• Плотность энергии электролитического конденсатора зависит от
конструктивного исполнения. Максимальная плотность достигается у
больших конденсаторов, где масса корпуса невелика по сравнению с
массой обкладок и электролита. Например, у конденсатора EPCOS
B4345 с ёмкостью 12 000 мкФ, максимально допустимым
напряжением 450 В и массой 1,9 кг плотность энергии при
максимальном напряжении составляет 639 Дж/кг или 845 Дж/л.
Особенно важен этот параметр при использовании конденсатора в
качестве накопителя энергии, с последующим мгновенным её
высвобождением.

58. ПАРАМЕТРЫ

• Номинальное напряжение
• Другой не менее важной характеристикой конденсаторов
является номинальное напряжение — значение напряжения,
обозначенное на конденсаторе, при котором он может
работать в заданных условиях в течение срока службы с
сохранением параметров в допустимых пределах.
• Номинальное напряжение зависит от конструкции
конденсатора и свойств применяемых материалов.
Эксплуатационное напряжение на конденсаторе должно быть
не выше номинального. Для многих типов конденсаторов с
увеличением температуры допустимое максимальное
напряжение снижается, что связано с ростом тепловой скорости
движения носителей заряда и, следовательно, снижением
порога для электрического пробоя.

59. ПАРАМЕТРЫ

• Опасность разрушения (взрыва)
• Взрывы электролитических конденсаторов —
довольно распространённое явление. Основной
причиной взрывов является перегрев конденсатора,
вызываемый в большинстве случаев утечкой или
повышением эквивалентного последовательного
сопротивления вследствие старения (актуально для
импульсных устройств). В современных
компьютерах перегрев конденсаторов — также
очень частая причина выхода их из строя, когда они
стоят рядом с источниками повышенного
тепловыделения (радиаторы охлаждения).

60. ПАРАМЕТРЫ

61. ПАРАМЕТРЫ

62. ПАРАМЕТРЫ

• Для уменьшения повреждений других деталей и
травматизма персонала в современных конденсаторах
большой ёмкости устанавливают вышибной
предохранительный клапан или выполняют надсечку
корпуса (часто её можно заметить в виде креста или в
форме букв X, K или Т на торце цилиндрического корпуса,
иногда, на больших конденсаторах, она покрыта
пластиком). При повышении внутреннего давления
вышибается пробка клапана или корпус разрушается по
насечке, пары электролита выходят в виде едкого газа и,
даже, брызг жидкости. При этом разрушение корпуса
конденсатора происходит без взрыва, разбрасывания
обкладок и сепаратора.

63. Паразитные параметры

• Реальные конденсаторы, помимо ёмкости,
обладают также собственными
последовательным и параллельным
сопротивлением и индуктивностью. С
достаточной для практики точностью,
эквивалентную схему реального
конденсатора можно представить как
показано на рисунке, где все
двухполюсники подразумеваются
идеальными.

64. Паразитные параметры

65. Паразитные параметры

• C0 — собственная ёмкость конденсатора;
Rd — сопротивление изоляции конденсатора;
Rs — эквивалентное последовательное
сопротивление;
Li — эквивалентная последовательная
индуктивность.
• Зависимость модуля импеданса реального
конденсатора от частоты и формула
импеданса.

66. Паразитные параметры

• Электрическое сопротивление изоляции диэлектрика конденсатора,
поверхностные утечки Rd и саморазряд
• Сопротивление изоляции — это сопротивление конденсатора
постоянному току, определяемое соотношением Rd = U / Iут, где U —
напряжение, приложенное к конденсатору, Iут — ток утечки.
• Из-за тока утечки, протекающего через слой диэлектрика между
обкладками и по поверхности диэлектрика, предварительно
заряженный конденсатор с течением времени теряет заряд
(саморазряд конденсатора). Часто, в спецификациях на конденсаторы,
сопротивление утечки определяют через постоянную времени T
саморазряда конденсатора, которая численно равна произведению
ёмкости на сопротивление утечки:
• T = Rd C0
• T — это время, за которое начальное напряжение на конденсаторе,
неподключенном ко внешней цепи уменьшится в e раз.

67. Паразитные параметры

Эквивалентное последовательное сопротивление — Rs
Эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС (англ. ESR), внутреннее
сопротивление)
обусловлено,
главным
образом,
электрическим
сопротивлением материала обкладок и выводов конденсатора и контакта(ов) между ними, а также учитывает потери в диэлектрике. Обычно ЭПС
возрастает с увеличением частоты тока, протекающего через конденсатор,
вследствие поверхностного эффекта.
В большинстве практических случаев этим параметром можно пренебречь,
но, иногда (напр., в случае использования электролитических конденсаторов
в фильтрах импульсных блоков питания), достаточно малое его значение
существенно для надёжности и устойчивости работы устройства. В
электролитических конденсаторах, где один из электродов является
электролитом, этот параметр при эксплуатации со временем деградирует,
вследствие испарения растворителя из жидкого электролита и изменения его
химического состава, вызванного взаимодействием с металлическими
обкладками, что происходит относительно быстро в низкокачественных
изделиях (см. Capacitor plague (англ.)).

68. Паразитные параметры

• Эквивалентная последовательная
индуктивность — Li
• Эквивалентная последовательная индуктивность
обусловлена, в основном, собственной
индуктивностью обкладок и выводов конденсатора.
Результатом этой распределенной паразитной
индуктивности является превращение конденсатора
в колебательный контур с характерной собственной
частотой резонанса. Эта частота может быть
измерена и обычно указывается в параметрах
конденсатора либо в явном виде либо в виде
рекомендованной максимальной рабочей частоты.

69. Паразитные параметры

• Тангенс угла диэлектрических потерь
• Тангенс угла диэлектрических потерь — отношение мнимой и
вещественной части комплексной диэлектрической
проницаемости. t g δ = ε i m ε r e = σ ω ε a .
• Потери энергии в конденсаторе определяются потерями в
диэлектрике и обкладках. При протекании переменного тока
через конденсатор векторы напряжения и тока сдвинуты на
угол φ = π 2 − δ , где δ — угол диэлектрических потерь. При
отсутствии потерь δ = 0. Тангенс угла потерь определяется
отношением активной мощности Pа к реактивной Pр при
синусоидальном напряжении определённой частоты.
Величина, обратная tg δ, называется добротностью
конденсатора. Термины добротности и тангенса угла потерь
применяются также для катушек индуктивности и
трансформаторов

70. Паразитные параметры

• Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ)
• ТКЕ — относительное изменение ёмкости при
изменении температуры окружающей среды
на один градус Цельсия (кельвин). ТКЕ
определяется так:
• T K E = ΔC/C /Δ T .
• где Δ C — изменение ёмкости, вызванное
изменением температуры на Δ T.Таким
образом, изменение ёмкости от температуры
(при не слишком больших изменениях
температуры) выражается линейной функцией

71. Паразитные параметры

Диэлектрическая абсорбция
Если заряженный конденсатор быстро разрядить до нулевого напряжения
путём подключения низкоомной нагрузки, а затем снять нагрузку и
наблюдать за напряжением на выводах конденсатора, то мы увидим, что
напряжение на обкладках снова появится как если бы мы разрядили
конденсатор не до нуля. Это явление получило название диэлектрическая
абсорбция (диэлектрическое поглощение). Конденсатор ведёт себя так,
словно параллельно ему подключено множество последовательных RCцепочек с различной постоянной времени. Интенсивность проявления этого
эффекта зависит в основном от свойств диэлектрика конденсатора.
Подобный эффект можно наблюдать практически на всех типах диэлектриков.
В электролитических конденсаторах он особенно ярок и является следствием
химических реакций между электролитом и обкладками. У конденсаторов с
твердым диэлектриком (например, керамических и слюдяных) эффект связан
с остаточной поляризацией диэлектрика. Наименьшим диэлектрическим
поглощением обладают конденсаторы с неполярными диэлектриками:
тефлон (фторопласт), полистирол, полипропилен и т. п.
Эффект зависит от времени зарядки конденсатора, времени закорочения,
иногда от температуры.
Количественное
значение
абсорбции
принято
характеризовать
коэффициентом абсорбции, который определяется в стандартных условиях.

72. Паразитные параметры

• Многие керамические материалы, используемые в качестве
диэлектрика в конденсаторах (например, титанат бария,
обладающий очень высокой диэлектрической проницаемостью
в не слишком сильных электрических полях) проявляют
пьезоэффект — способность генерировать напряжение на
обкладках при механических деформациях. Это характерно для
конденсаторов с пьезоэлектрическими диэлектриками.
Пьезоэффект ведёт к возникновению электрических помех, в
устройствах, где использованы такие конденсаторы при
воздействии акустического шума или вибрации на конденсатор.
Это нежелательное явление иногда называют «микрофонным
эффектом».
• Также подобные диэлектрики проявляют и обратный
пьезоэффект — при работе в цепи переменного напряжения
происходит знакопеременная деформация диэлектрика,
генерирующая акустические колебания, порождающие
дополнительные электрические потери в конденсаторе.

73. Паразитные параметры

• Самовосстановление
• Конденсаторы с металлизированным
электродом (бумажный и пленочный
диэлектрик) обладают важным свойством
самовосстановления (англ. self-healing,
cleaning) электрической прочности после
пробоя диэлектрика. Механизм
самовосстановления заключается в отгорании
металлизации электрода после локального
пробоя диэлектрика посредством
микродугового электрического разряда.

74. Классификация конденсаторов

• Основная классификация конденсаторов проводится по типу
диэлектрика в конденсаторе. Тип диэлектрика определяет основные
электрические параметры конденсаторов: сопротивление изоляции,
стабильность ёмкости, величину потерь и др.
• По виду диэлектрика различают:
• Конденсаторы вакуумные (между обкладками находится вакуум).
• Конденсаторы с газообразным диэлектриком.
• Конденсаторы с жидким диэлектриком.
• Конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком:
стеклянные (стеклоэмалевые, стеклокерамические,
стеклоплёночные), слюдяные, керамические, тонкослойные из
неорганических плёнок.
• Конденсаторы с твёрдым органическим диэлектриком: бумажные,
металлобумажные, плёночные, комбинированные —
бумажноплёночные, тонкослойные из органических синтетических
плёнок.

75. Классификация конденсаторов

• Слюдяной герметичный конденсатор в
металлостеклянном корпусе типа «СГМ»
для навесного монтажа

76. Классификация конденсаторов

Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы. Такие
конденсаторы отличаются от всех прочих типов прежде всего большой
удельной ёмкостью. В качестве диэлектрика используется оксидный слой на
металлическом аноде. Вторая обкладка (катод) — это или электролит (в
электролитических конденсаторах), или слой полупроводника (в оксиднополупроводниковых), нанесённый непосредственно на оксидный слой. Анод
изготовляется, в зависимости от типа конденсатора, из алюминиевой,
ниобиевой или танталовой фольги или спечённого порошка. Время наработки
на отказ типичного электролитического конденсатора 3000—5000 часов при
максимально допустимой температуре, качественные конденсаторы имеют
время наработки на отказ не менее 8000 часов при температуре 105 °С.
Рабочая температура — основной фактор, влияющий на продолжительность
срока службы конденсатора. Если нагрев конденсатора незначителен из-за
потерь в диэлектрике, обкладках и выводах, (например, при использовании
его во времязадающих цепях при небольших токах или в качестве
разделительных), можно принять, что интенсивность отказов снижается вдвое
при снижении рабочей температуры на каждые 10 °C вплоть до +25 °C. При
работе конденсаторов в импульсных сильноточных цепях (например, в
импульсных источниках питания) такая упрощённая оценка надёжности
конденсаторов некорректна и расчёт надёжности более сложен.

77. Классификация конденсаторов

• Твердотельные конденсаторы — вместо
традиционного жидкого электролита
используется специальный
токопроводящий органический полимер
или полимеризованный органический
полупроводник. Время наработки на отказ
~50000 часов при температуре 85°С. ЭПС
меньше чем у жидко-электролитических и
слабо зависит от температуры. Не
взрываются.

78. Классификация конденсаторов

• Кроме того, конденсаторы различаются по возможности изменения
своей ёмкости:
• Постоянные конденсаторы — основной класс конденсаторов, не
меняющие своей ёмкости (кроме как в течение срока службы).
• Переменные конденсаторы — конденсаторы, которые допускают
изменение ёмкости в процессе функционирования аппаратуры.
Управление ёмкостью может осуществляться механически,
электрическим напряжением (вариконды, варикапы) и температурой
(термоконденсаторы). Применяются, например, в радиоприёмниках
для перестройки частоты резонансного контура.
• Подстроечные конденсаторы — конденсаторы, ёмкость которых
изменяется при разовой или периодической регулировке и не
изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют
для подстройки и выравнивания начальных ёмкостей сопрягаемых
контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей схем,
где требуется незначительное изменение ёмкости.

79. Классификация конденсаторов

• Керамический подстроечный конденсатор

80. Классификация конденсаторов

• Кроме того, конденсаторы различаются по возможности изменения
своей ёмкости:
• Постоянные конденсаторы — основной класс конденсаторов, не
меняющие своей ёмкости (кроме как в течение срока службы).
• Переменные конденсаторы — конденсаторы, которые допускают
изменение ёмкости в процессе функционирования аппаратуры.
Управление ёмкостью может осуществляться механически,
электрическим напряжением (вариконды, варикапы) и температурой
(термоконденсаторы). Применяются, например, в радиоприёмниках
для перестройки частоты резонансного контура.
• Подстроечные конденсаторы — конденсаторы, ёмкость которых
изменяется при разовой или периодической регулировке и не
изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют
для подстройки и выравнивания начальных ёмкостей сопрягаемых
контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей схем,
где требуется незначительное изменение ёмкости.

81. Классификация конденсаторов

• В зависимости от назначения можно условно разделить
конденсаторы на конденсаторы общего и специального
назначения. Конденсаторы общего назначения
используются практически в большинстве видов и
классов аппаратуры. Традиционно к ним относят
наиболее распространённые низковольтные
конденсаторы, к которым не предъявляются особые
требования. Все остальные конденсаторы являются
специальными. К ним относятся высоковольтные,
импульсные, помехоподавляющие, дозиметрические,
пусковые и другие конденсаторы.
• Также различают конденсаторы по форме обкладок:
плоские, цилиндрические, сферические и другие.

82.

• Краткое обозначение!Типы конденсаторов:
БМ - бумажный малогабаритный
БМТ - бумажный малогабаритный теплостойкий
КД - керамический дисковый
КЛС - керамический литой секционный
КМ - керамический монолитный
КПК-М - подстроечный керамический малогабаритный
КСО - слюдянной опресованный
КТ - керамический трубчатый
МБГ - металлобумажный герметизированный
МБГО - металлобумажный герметизированный однослойный
МБГТ - металлобумажный герметизированный теплостойкий
МБГЧ - металлобумажный герметизированный однослойный
МБМ - металлобумажный малогабаритный
ПМ - полистироловый малогабаритный
ПО - пленочный открытый
ПСО - пленочный стирофлексный открытый

83. Классификация конденсаторов

84. Раздел 2. КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ

85. Тема 1.

86. Рассматриваемые вопросы

• .

87. 1.1

88. Задачи технической диагностики

• Диагностика - это отрасль знаний, включающая в себя теорию и
методы организации процессов диагноза, а также принципы
построения средств диагноза.
• Когда объектами диагноза являются объекты технической природы,
говорят о технической диагностике.
• Чтобы более четко увидеть область, охватываемую технической
диагностикой, рассмотрим три типа задач по определению состояния
технических объектов.
• К первому типу относятся задачи по определению состояния, в
котором находится объект в настоящий момент времени. Это - задачи
диагноза.
• Задачами второго типа являются задачи по предсказанию состояния. в
котором окажется объект в некоторый будущий момент времени. Это
- задачи прогноза (от греческого «прогнозис» - предвидение,
предсказание).
• Наконец, к третьему типу относятся задачи определения состояния, в
котором находился объект в некоторый момент времени в прошлом.
По аналогии можно говорить, что это задачи генеза (от греческого «генезис» - происхождение, возникновение, процесс образования).

89.

90.

91.

92.

93.

94.

95.

96.

97.

98.

99.

100.

101.

102.

103.

104.

105.

106.

107.

108.

109.

110.

111.

112.

113.

114.

115.

116.

117.

118.

119.

120.

121.

122.

123.

124.

125.

126.

127.

128.

129.

130.

131.

132.

133.

134.

135.

136.

137.

138.

139.

140.

141.

142.

143.

144.

145.

146.

• Трансформатор
(от
лат.
transformo
—
преобразовывать) — статическое (не имеющее
подвижных частей) электромагнитное устройство,
предназначенное для преобразования посредством
электромагнитной индукции системы переменного тока
одного напряжения в систему переменного тока обычно
другого напряжения при неизменной частоте и без
существенных потерь мощности.
• Трансформатор
может
состоять
из
одной
(автотрансформатор) или нескольких изолированных
проволочных, либо ленточных обмоток, охватываемых
общим магнитным потоком, намотанных, как правило,
на магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного
магнито-мягкого материала.

147.

• Автотрансформатор
—
вариант
трансформатора, в котором первичная и
вторичная обмотки соединены напрямую, и
имеют за счёт этого не только
электромагнитную
связь,
но
и
электрическую.
Обмотка
автотрансформатора
имеет
несколько
выводов (как минимум 3), подключаясь к
которым,
можно
получать
разные
напряжения.

148.

• Преимуществом автотрансформатора является более высокий
КПД, поскольку лишь часть мощности подвергается
преобразованию — это особенно существенно, когда входное и
выходное напряжения отличаются незначительно. Недостатком
является отсутствие электрической изоляции (гальванической
развязки) между первичной и вторичной цепью. В
промышленных сетях, где наличие заземления нулевого
провода обязательно, этот фактор роли не играет. Зато
существенным является меньший расход стали для сердечника,
меди для обмоток, меньший вес и габариты, и в итоге —
меньшая стоимость. Особенно эффективен автотрансформатор
в случаях, когда необходимо получить вторичное напряжение,
не сильно отличающееся от первичного.

149.

• Импульсный трансформатор —
трансформатор, предназначенный для
преобразования импульсных сигналов с
длительностью импульса до десятков
микросекунд с минимальным искажением
формы импульса.

150.

• Основное применение заключается в передаче
прямоугольного электрического импульса
(максимально крутой фронт и срез, относительно
постоянная амплитуда). Он служит для трансформации
кратковременных видеоимпульсов напряжения,
обычно периодически повторяющихся с высокой
скважностью. В большинстве случаев основное
требование, предъявляемое к ИТ заключается в
неискажённой передаче формы трансформируемых
импульсов напряжения; при воздействии на вход ИТ
напряжения той или иной формы на выходе желательно
получить импульс напряжения той же самой формы, но,
быть может, иной амплитуды или другой полярности.

151.

• Разделительный трансформатор —
трансформатор, первичная обмотка которого
электрически не связана со вторичными
обмотками. Силовые разделительные
трансформаторы предназначены для повышения
безопасности электросетей, при случайных
одновременных прикасаний к земле и
токоведущим частям или нетоковедущим частям,
которые могут оказаться под напряжением в случае
повреждения изоляции. Сигнальные
разделительные трансформаторы обеспечивают
гальваническую развязку электрических цепей.

152.

• Пик-трансформатор — трансформатор,
преобразующий напряжение
синусоидальной формы в импульсное
напряжение с изменяющейся через каждые
полпериода полярностью.

153.

154.

155.

156.

157. Понятия в области технического диагностирования

Согласно ГОСТ 20911-89 устанавливаются следующие термины и определения
основных понятий в области технического диагностирования и контроля
технического состояния объектов.
Объект технического диагностирования (контроля технического
состояния) - изделие и (или) его составные части, подлежащие
(подвергаемые) диагностированию (контролю).
Техническое состояние объекта (техническое состояние) - состояние, которое характеризуется в определенный момент времени, при
определенных условиях внешней среды значениями параметров,
установленных технической документацией на объект.
Техническая диагностика (диагностика) - область знаний, охватывающая
теорию, методы и средства определения технического состояния объектов.
Техническое диагностирование (диагностирование) - определение
технического состояния объекта.
Примечания. Задачами технического диагностирования являются: контроль
технического состояния; поиск места и определение причин отказа
(неисправности); прогнозирование технического состояния. Термин
«Техническое диагностирование» применяют в наименованиях и
определениях понятий, когда решаемые задачи технического
диагностирования равнозначны или основной задачей является поиск места
и определение причин отказа (неисправности).

158. Виды, алгоритмы и модели технического диагностирования

Рабочее техническое диагностирование (рабочее диагностирование) - диагностирование,
при котором на объект подаются рабочие воздействия.
Тестовое техническое диагностирование (тестовое диагностирование) диагностирование, при котором на объект подаются тестовые
воздействия.
Экспресс-диагностирование - диагностирование по ограниченному
числу параметров за заранее установленное время.
Система технического диагностирования (контроля технического
состояния) или система диагностирования (контроля) – совокупность средств, объекта и
исполнителей, необходимая для проведения диагностирования (контроля) по правилам,
установленным в технической документации.
Алгоритм технического диагностирования (контроля технического состояния) совокупность предписаний, определяющих последовательность действий при проведении
диагностирования (контроля).
Диагностическое обеспечение - комплекс взаимоувязанных правил,
методов, алгоритмов и средств, необходимых для осуществления диагностирования на всех
этапах жизненного цикла объекта.
Диагностическая модель - формализованное описание объекта, необходимое для решения
задач диагностирования.
Примечание. Описание может быть представлено в аналитической. табличной, векторной,
графической и других формах.
Диагностический (контролируемый) параметр - параметр объекта,
используемый при его диагностировании (контроле).

159. Понятия в области контроля технического состояния

• Контроль технического состояния (контроль) - проверка
соответствия значений параметров объекта требованиям
технической документации и определение на этой основе
одного из заданных видов технического состояния в данный
момент времени.
• Примечание. Видами технического состояния являются,
например. исправное, работоспособное, неисправное,
неработоспособное и т. п. в зависимости от значений
параметров в данный момент времени.
Термин «Контроль технического состояния» применяется, когда
основной задачей технического диагностирования является
определение вида
технического состояния.
• Контроль функционирования - контроль выполнения объектом
части или всех свойственных ему функций

160. Виды технических состояний

Работоспособное состояние (работоспособность) - состояние
оборудования, при котором значения всех параметров, характеризующих
способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям
нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной)
документации.
Неработоспособное состояние (неработоспособность) - состояние
оборудования, при котором значение хотя бы одного параметра,
характеризующего способность выполнять заданные функции, не
соответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской
(проектной) документации.
Исправное состояние (исправность) - состояние объекта, при котором он
соответствует всем требованиям нормативно-технической и
(или) конструкторской (проектной) документации.
Неисправное состояние (неисправность) - состояние объекта, при
котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативнотехнической и (или) конструкторской (проектной) документации.
Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособного
состояния оборудования.

161. 1.2 Роль технической диагностики и контроля качества на этапах жизненного цикла ЭС

162. Этапы жизненного цикла ЭС

• В производстве ЭС методы технической
диагностики являются научной основой
решения проблем управления и обеспечения
её качества.
• Жизненный цикл ЭС состоит из следующих
этапов: разработка, производство и
эксплуатация.
• Это требует организации проведения
диагностических процедур на каждом этапе
жизненного цикла.

163. Техническая диагностика на различных стадиях жизненного цикла ЭС

164. Комплекс задач технической диагностики

• Несмотря на различное состояние объектов и
разнообразие возможных нарушений задачи
технической диагностики решаются на единой
методической основе. На каждом этапе формирования
свойств объекта решается комплекс следующих задач:
- оптимального планирования контрольно-измерительных
операций;
- выполнения контрольно-измерительных операций и
диагностических процедур;
- анализа состояний объекта и диагностики причин
нарушения работоспособности;
- разработки рекомендаций по обеспечению качества и
надежности.

165. Анализ отказов

Для принятия решения по обеспечению и управлению качеством продукции
на всех стадиях её разработки, производства и применения большую роль
играет знание природы отказов, т.к. благодаря анализу отказов выявляют
недостатки конструкции, технологии изготовления и применения, определяют
механизмы и причины отказов.
• Анализ отказов - это завершающий этап технического диагностирования
разрабатываемых, изготавливаемых или используемых изделий. Он должен
решать следующие общие и частные задачи:
- установление видов отказов на этапах разработки, производства,
испытаний и эксплуатации;
- обобщение данных по отказам, изучение их количественных
изменений во времени, классификация и систематизация видов отказов;
-составление гипотез о механизме отказа и его причинах, проведение
исследований для подтверждения этих гипотез;
• Из вышесказанного видно, что техническая диагностика является одним из
основных звеньев в общей цепи разработки и совершенствования
конструкции и технологии изготовления изделия, а также в цепи контроля и
управления качества продукции производственного предприятия.

166. Влияние условий эксплуатации ЭС

Анализ условий эксплуатации различного оборудования и систем
промышленных объектов указывает на наличие естественных факторов,
оказывающих разрушающее воздействие на элементы оборудования.
К ним относятся механический и гидроабразивный износ, молекулярномеханическое изнашивание, коррозия и эрозия, объемное или упругое
деформирование материала, образование, микротрещин в результате усталости материала, релаксация и деструкция металлов.
Дополнительно к этому имеются субъективные факторы, способствующие
ускоренному выходу из строя отдельных деталей и узлов. Это некачественное
изготовление и монтаж оборудования, работа с нагрузками выше
допустимых, несоблюдение технологии технического обслуживания и
ремонта.
Своевременное обнаружение неисправностей и развивающихся дефектов изза влияния указанных факторов возможно на основе методов
технической диагностики. Она также изучает признаки дефектов, методы
и средства, при помощи которых устанавливается диагноз, т. е. делается
заключение о причине возникновения и месторасположения дефекта.

167. Теоретическая база технической диагностики

168. Теоретические основы диагностики

• Теория распознавания в составе технической
диагностики включает разделы, связанные с
построением диагностических моделей, правил
принятия решений об отнесении объектов к
определенным классам состояний, алгоритмов
распознавания состояний.
• Теория контролепригодности связана с разработкой
методов и
средств получения диагностической информации об
объекте, проверки его состояния и поиска возникших в
нем дефектов. Под контролепригодностью понимают
приспособленность объекта к оценке технического
состояния с заданной достоверностью при
минимальных затратах труда, времени и средств.

169. Возможности оптимизации диагностики

Возможность оптимизации алгоритмов диагноза определяется следующими
обстоятельствами. Число элементарных проверок, достаточных для решения
конкретной задачи диагноза, как правило, меньше числа всех допустимых (т.
е. физически возможных и реализуемых) элементарных проверок данного
объекта. Разные элементарные проверки могут требовать разных затрат на их
реализацию и давать разную информацию о техническом состоянии объекта.
Кроме того, одни и те же элементарные проверки могут быть реализованы в
различных последовательностях.
Поэтому для решения одной и той же задачи диагноза (например,
для проверки исправности) можно построить несколько алгоритмов диагноза.
различающихся между собой либо составом элементарных проверок. либо
последовательностью их реализации, либо, наконец, тем и
другим вместе, и поэтому, возможно, требующих разных затрат на их
реализацию.
Эффективность процессов диагноза определяется не только качеством
алгоритмов диагноза, но и в большой степени качеством средств
диагноза.
Средства диагноза могут быть аппаратурными или программными,
внешними или встроенными, ручными, автоматизированными или
автоматическими, специализированными или универсальными.

170. Роль статистической обработки и точности оборудования для диагноза

• Наличие объективных статистических данных о
вероятностях возникновения неисправностей, а также о
средних затратах на обнаружение, поиск и устранение
неисправностей, расширяет возможности эффективной
организации процессов диагноза.
• Сбор таких данных требует применения надежно
работающих внешних и встроенных аппаратурных
средств диагноза, обеспечивающих высокую точность
измерений и автоматическое документирование
данных. При этом будет гарантирована достоверность
результатов диагноза, сведено к минимуму влияние
субъективных факторов и упрощена статистическая
обработка результатов.

171. Тестовое и функциональное диагностирование

При диагностировании используют, в зависимости от типа объекта и
решаемых задач, тестовое диагностирование и функциональное
диагностирование. При тестовом диагностировании на объект подают
специально организованные тестовые воздействия от средств диагностики и
анализируют соответствующие реакции. Это применяется
при контроле работоспособности систем энергообеспечения, автоматики и
телемеханики, отдельных исполнительных механизмов.
При функциональном диагностировании тестового воздействия на
объект от средств диагностики не производится, а воспринимаются
только рабочие воздействия от самого объекта. Например, для насоса
измеряются и анализируются давления, потребляемая мощность, вибрация,
температура отдельных элементов и другие параметры,
которые используются в алгоритме функционирования машины. Здесь
также необходимо учитывать режим работы объекта.
При диагностировании необходимо определять количественные
показатели измеряемых параметров с оценкой погрешности на каждом
рабочем режиме. Когда поддержание фиксированных режимов работы
объекта затруднительно, диагностирование ведут при изменяющихся по
случайному закону режиме с определением характеристик случайных
функций контролируемых величин.

172. Параметрические и физические методы диагностики

В зависимости от природы контролируемых параметров объектов
контроля различают параметрические и физические методы диагностирования.
Параметрические методы базируются на контроле основных выходных и входных
параметров, а также внутренних параметров, характеризующих правильное или
неправильное функционирование объекта. Параметрические методы контроля
работоспособности основаны на измерении, соответствующем функциональном
преобразовании результатов измерений и оценке выходных и внутренних
параметров,
объектов контроля. Эти методы обеспечивают контроль объекта, как
при эксплуатации, так и в нерабочем состоянии. Параметрические методы - это
методы контроля работоспособности в целом станков и элементов технологической
системы (ТС) (оснастки. инструмента), а также отдельных элементов шпинделей,
направляющих и т. д. Отдельные элементы, как правило, контролируются в
нерабочих состояниях обьектов.
Физические методы основаны на контроле характеристик тех явлений в объекте,
которые являются следствием его правильного или неправильного
функционирования (нагрев, напряженно-деформированное состояние. магнитные,
электрические поля. шумы, вибрации и т. д.). Данные методы принято называть
методами неразрушающего контроля. Они основаны на использовании различных
физических явлений, сопутствующих работоспособным и неработоспособным
состояниям объектов, и могут быть разделены также на две группы. Одна из этих
групп методов используется для контроля деталей объектов при их нерабочем
состоянии, а вторая - при статических режимах работы объектов контроля.

173. 1.3 Виды и классификация технических состояний объектов диагностики

174. Определение технического состояния объекта диагноза

Под техническим состоянием (ТС) принимается состояние, которое характеризуется в
определенный момент времени, при определенных условиях внешней среды, значениями
параметров, установленных технической документацией на объект. Различают следующие
виды ТС, характеризуемые значением параметров объекта в заданный момент времени:
- исправное — объект соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или)
конструкторской документации;
- неисправное — объект не соответствует хотя бы одному из требований нормативнотехнической и (или) конструкторской документации;
- работоспособное — значения всех параметров, характеризующих способность объекта
выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или)
конструкторской документации;
- неработоспособное — значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность
объекта выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативнотехнической и (или) конструкторской документации;
- предельное — дальнейшая эксплуатация объекта технически невозможна или
нецелесообразна из-за несоответствия требованиям безопасности или неустранимого
снижения эффективности работы.
Понятие «исправное состояние» шире, чем понятие «работоспособное состояние». Если
объект исправен, он обязательно работоспособен, но работоспособный объект может быть
неисправным, так как некоторые неисправности устранимы.

175. Модель диагноза

Решением всех вопросов, связанных с определением состояния технических
объектов и характера его изменения с течением времени, занимается
техническая диагностика.(ТД)
Имеют место две основных задачи определения технического состояния во
времени - это задачи диагноза и прогноза. Поскольку знание состояния
объекта в текущий момент является обязательным как для прогноза, так и для
генеза, то техническая диагностика является основой для технической
прогностики и технической генетики.
В диагностике модель объекта диагноза представляют в виде функции
следующего вида:
Y = Y(Х,Z,t),
(1)
где Y, Х - векторы выходных и внутренних параметров объекта; Z - вектор
внешних условий и режимов эксплуатации; t - наработка за время
эксплуатации.
Такая модель определяет множество технических состояний объекта
диагноза: исправное, неисправное, работоспособное, неработоспособное,
нормального и предельного функционирования.

176. Множество технических состояний объекта диагноза

177. Подмножества состояний объекта

• Причинами ухудшения технического состояния объекта являются дефекты,
ошибки, деградационные процессы, нарушающие значения внутренних
параметров X; недопустимые внешние воздействия, выходящие за пределы
допусков значения вектора Z. События, приводящие к переходу изделия в
неисправное или неработоспособное состояние, называют соответственно
повреждением или отказом.
• Исходной информацией для определения технического состояния объекта
диагноза, а также для расчета его количественных показателей надежности
являются результаты измерения и контроля его параметров. Это определяет
тесную связь между технической диагностикой и метрологией.
• В ТД предполагается, что объект может находиться в конечном множестве
состояний К, которое можно разделить на два подмножества К1 и К2.
Подмножество К1 включает в себя все состояния, которые позволяют
выполнить объекту возложенные на него функции или решить поставленные
перед ним задачи, т.е. состояния работоспособности. Подмножество
состояний К2 включает в себя все состояния, соответствующие
возникновению в объекте неисправности, приводящей к потере им
работоспособности. Мощность подмножества К2 (или совокупность его
состояний) определяется количеством неисправностей, которые можно
обнаружить по соответствующим признакам.

178. 1.4 Последовательность операций диагностирования состояний технических объектов

179. Этапы диагностирования

• Классификация состояний объекта позволяет
разделить процесс диагностирования на
следующие этапы :
- контроль состояния объекта и его
классификация;
- анализ работоспособности и
прогнозирование состояния объекта,
находящегося в подмножестве К1;
- обнаружение возникшей неисправности в
отказавшем объекте (т.е., находящегося в
подмножестве К2).

180. Основные этапы технической диагностики

181. Содержание этапов ТД

На первом этапе осуществляют классификацию состояния объекта, т.е.
устанавливают принадлежность объекта по состоянию к одному из подмножеств
К1 или К2.
На втором этапе проводят анализ состояний объекта, находящегося в
подмножестве К1, т.е. определяют, какое изменение состояний имеет место в
рассматриваемом случае и оценивают степень работоспособности объекта.
Анализ состояний объекта в подмножестве К1 позволяет установить характер
изменения степени его работоспособности во времени и в ряде случаев
предсказать момент перехода состояния объекта в подмножество К2, т.е.
осуществить прогнозирование состояния в будущем промежутке времени.
Качество или точность прогнозирования во многом определяется изученностью
условий эксплуатации и возможностью контроля показателей, характеризующих
изменение состояния объекта с течением времени.
На третьем этапе (обнаружение возникшей неисправности) определяют, в каком
из состояний подмножества К2 находится проверяемый объект. Вполне очевидно,
что в этом появляется необходимость, только если действительное состояние
объекта относится к подмножеству К2, а сам объект относится к классу
ремонтируемых объектов. Глубина обнаружения возникшей неисправности
(степень её локализации) зависит от степени ремонтируемости объекта. Если
объект не ремонтопригоден, то на практике в ТД ограничиваются только лишь
первым этапом - контролем.

182. 1.5 Измерения, контроль и испытания, как процедуры технической диагностики

183. Измерения и контроль

• Измерение - это процесс приема и преобразования результата
информации об измеряемой величине с целью получения
количественного результата, его сравнения с принятой шкалой или
единицей измерения в форме, наиболее удобной для дальнейшего
использования человеком или машиной.
• Пользуются и другой формулировкой: измерение - это нахождение
значения физической величины опытным путем с помощью
специальных технических средств.
• Набор статистических данных в результате измерений параметров
объектов, их обработка и анализ позволяют установить нормы или
границы поля допуска и предел допустимой погрешности, которые
отражают в технической документации на технологический процесс
или на ЭС (в ТУ) и затем используются при производстве в целях
контроля.
• Контроль – это проверка соответствия параметров технологических
процессов, которые определяют качество ЭС, а также параметров
составных элементов и материалов этой продукции – слитков,
пластин, структур, кристаллов и т.д. – техническим требованиям (т.е.
нормам, установленным технической документацией).

184. Этапы контроля

• Всякий контроль проводится в два этапа:
• 1) получение информации о фактическом состоянии объекта,
признаках и показателях его свойств (первичная информация);
• 2) сопоставление первичной информации с установленными
требованиями, нормами, критериями, т.е. обнаружение соответствия
или несоответствия фактических данных ожидаемым. Информация о
расхождении фактических и требуемых данных является вторичной.
• В результате контроля получают качественную характеристику
параметра, его соответствие или несоответствие норме («годен» или
«негоден», «работоспособен» или «неработоспособен», «исправен»
или «неисправен»).
• Если полученная первичная информация имеет четко выраженное
числовое значение, то имеют дело с измерительным контролем.
Если первичная информация не имеет числового выражения, то – это
прямой контроль.

185. Виды контроля

В зависимости от стадий жизненного цикла ИЭТ и РЭА различают контроль на стадии
разработки, производственный и эксплуатационный контроль.
Контроль на стадии разработки, включающей предварительные научные исследования и
эксплуатации - это комплекс физико-химических исследований, проводимых с целью
создания новых материалов для ЭС разработка новых конструктивно-технологических
вариантов ЭС и технологических процессов их изготовления.
Производственный контроль - это контроль технологического процесса и его результатов на
стадии изготовления ЭС.
Эксплуатационный контроль включает в себя различные методы измерения параметров и
проверки на функционирование ЭС и её элементов, тестирования и испытания, а также
контроль условий эксплуатации изделий у потребителя.
Входной контроль - это проверка соответствия техническим требованиям основных
показателей качества материалов и комплектующих изделий, поступающих в производство
данного вида продукции.
Производственный операционный контроль осуществляется после каждой технологической
операции. Целью операционного контроля является выявление брака для изъятия или
исправления его на самых ранних технологических операциях. Это связано с тем, что
большое количество дестабилизирующих факторов, влияющих на проведение
технологических операций, приводит к тому, что после каждой из них только часть продукции
оказывается годной.
Выходной контроль осуществляется во время приемочных испытаний готовых изделий. По
результатам этого контроля принимается решение о пригодности продукции к поставке и
(или) применению по назначению.
Все это показывает, что контрольно-измерительные операции буквально пронизывают весь
технологический процесс изготовления ЭС.
Для определения предельных условий эксплуатации и выявления отказавших схем,
эксплуатируемых в этих условиях, проводят испытания ЭС.

186. Испытания

• Испытание - это экспериментальное определение
количественных и (или) качественных характеристик ЭС,
как результат воздействия на них внешних факторов.
Целью испытаний является проверка способности ЭС
выполнять свои функции и сохранять параметры,
указанные в ТУ, при воздействии различных внешних
факторов.
• Перед испытанием и после испытания проводят
контроль внешнего вида и электрических параметров
ЭС (контроль статических, динамических параметров и
функциональный контроль).
• Во время испытания контролируют параметры изделий
и режимы, указанные в ТУ.