|
|
Корнев(ГАЛЬВАНИЗАЦИЯ). Лабораторная работа 1 изучение процесса гальванизации
Лабораторная работа № 1
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ГАЛЬВАНИЗАЦИИ
Цель работы: изучить процессы гальванизации и лекарственного электрофореза; ознакомиться с назначением и принципом работы аппарата для гальванизации; исследовать процесс выпрямления переменного тока.
При подготовке к лабораторной работе, прочитав материал лекций, рекомендуемую литературу и теоретическую часть методической разработки, дайте краткие письменные ответы на следующие вопросы:
Что такое гальванизация?
В чем заключается первичное действие постоянного тока на ткани организма? Каким явлением оно обусловлено?
В чем заключается вторичное действие постоянного тока на ткани организма?
Какой эффект – тепловой или раздражающий является основным при гальванизации?
Что такое лекарственный электрофорез?
Назначение аппарата для гальванизации. Зарисуйте структурную схему аппарата для гальванизации.
Назначение трансформатора в аппарате для гальванизации. На каком явлении основан принцип работы трансформатора?
Назначение выпрямителя в аппарате для гальванизации.
Какие устройства называются вентилями? Какой вид вентилей используется, как правило, в аппаратах для гальванизации?
Зарисуйте схемы прямого и обратного включения полупроводникового диода. При каком включении диод проводит ток (открыт), а при каком – не проводит ток (закрыт)?
R
I
н
а
b
U
2
U
1
+
(
–
)
U
н
11.
Какое выпрямление осуществляется в схеме:
(+)
Зарисуйте графики U2 и Iн.
Д1 I1
U
2
U
1
+
–)
(
–
(+)
U
2
R
н
I
н
Д
2
I
2
1
Какое выпрямление осуществляется в схеме:
Зарисуйте графики U2 и Iн.
Назначение сглаживающего фильтра в аппарате для гальванизации. Что представляет собой простейший сглаживающий фильтр? На каком процессе основана работа этого фильтра?
U
2
t
Т/2
Т
3
Т/
2
Т
2
t
Т/2
Т
Т/
3
2
2
Т
U
н
t
Т/2
3
2
Т/
Т
2
U
н
Т
На рисунке представлены графики напряжения на вторичной обмотке трансформатора U2 и на выходе сглаживающего фильтра Uн. Какой из графиков соответствует однополупериодному выпрямлению, а какой – двухполупериодному? Укажите промежутки времени соответсвующие заряду и разряду конденсатора.
Сколько процессов заряда и разряда конденсатора осуществляется в течение периода в случае подключения сглаживающего фильтра:
а) к однополупериодному выпрямителю;
б) к двухполупериодному выпрямителю?
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1. Гальванизация. Лекарственный электрофорез. Механизм действия
Гальванизацией называют лечебный метод воздействия на ткани организма постоянным током невысокого напряжения 40-60 В и небольшой силы до 20-50 мА (сила тока в 100 мА уже считается опасной для жизни).
При проведении гальванизации участок биологической ткани подключается к источнику постоянного тока с помощью контактно наложенных электродов через прокладку, смоченную водой или изотоническим раствором (для предотвращения химического ожога). Заряженные частицы (в основном – ионы), находящиеся в клетках и межклеточном пространстве участка биологической ткани, начинают перемещаться к электродам: положительные – к отрицательному электроду (катоду), отрицательные – к положительному (аноду). При этом часть ионов задерживается и накапливается у клеточных мембран (рис. 1). Таким образом, первичное действие постоянного тока на ткани организма заключается в накоплении заряженных частиц у мембран.
   +
–
Анод
Катод
–
–
–
–
–
–
–
–
+
+
+
+
+
+
+
+
Клето
ч
ные
мембраны
Рис. 1. Участок биологической ткани между электродами
Процесс смещения и накопления зарядов противоположных знаков в разных частях какой-либо структуры (в данном случае – клетки), называется поляризацией. Поэтому говорят, что первичное действие постоянного тока на ткани организма обусловлено явлением поляризации. В результате поляризации происходит изменение обычной концентрации заряженных частиц в клетке и межклеточном пространстве, что приводит, в свою очередь, к вторичному действию постоянного тока – изменению функционального состояния клеток в сторону возбуждения или торможения их деятельности. Когда сила тока превышает пороговое значение, возникает мембранный потенциал действия, который в виде нервного импульса поступает в соответствующие центры нервной системы. Под воздействием гальванизации усиливается регуляторная функция нервной системы. Постоянный ток, таким образом, оказывает раздражающее действие.
Так как сила тока, допустимая при гальванизации, относительно невелика, то тепловой эффект оказывается незначительным. Поэтому основной эффект при гальванизации – раздражающий.
Постоянный ток используют в лечебной практике также и для введения лекарственных веществ через кожу или слизистые оболочки.
Лечебный метод сочетанного воздействия на организм постоянного тока и вводимых с его помощью лекарственных веществ называется лекарственным электрофорезом. В этом случае прокладку электрода смачивают раствором лекарственного вещества, способного диссоциировать на ионы. Отрицательные ионы вводят с катода, положительные – с анода. Благодаря стимулирующему действию электрического тока выраженное терапевтическое действие лекарственных веществ, вводимых путем электрофореза, проявляется уже при относительно низких концентрациях, которые при обычных способах фармакотерапии оказались бы неэффективными.
2. Аппарат для проведения гальванизации и лекарственного электрофореза
Гальванизация и лекарственный электрофорез выполняются с помощью специального аппарата; структурная схема аппарата и графики напряжения на входе и выходе каждого блока приведены на рис. 2.
Трансформа-
тор
Выпрями-
тель
Сглаживаю-
щий
фильтр
С
Е
Т
Ь
U
t
U
t
U
t
U
t
п
а
ц
и
е
н
т
Рис. 2. Структурная схема аппарата для гальванизации
Назначение аппарата для гальванизации – преобразование переменного синусоидального тока с напряжением сети U = 220 B в ток близкий к постоянному с напряжением U = 40-60 B. Это преобразование осуществляется в несколько этапов.
На первом этапе с помощью трансформатора уменьшают напряжение с 220 В до требуемого 40-60 В. Рассмотрим устройство и принцип действия трансформатора.
Трансформатор – это статический электромагнитный аппарат, предназначенный для изменения величины переменного напряжения при неизменной частоте.
В трансформаторе имеется сердечник из ферромагнитного материала и две обмотки (рис. 3а). Обмотка, которая подключается к сети, называется первичной; обмотка, к которой подключается потребитель, называется вторичной. Первичная и вторичная обмотки имеют различное число витков, обозначаемое N1 и N2 соответственно.
 I
1
U
1
U
2
N
1
N
2
ε
1
ε
2
Ф
I
2
а) устройство трансформатора
1
UU2
б) условное обозначение в) графики напряжений U1 и U U2
U
1
t
Т/2
Т
3
Т/2
t
Т/2
Т
3
Т/2
2
трансформатора в схеме для понижающего трансформатора Рис. 3
Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Переменный ток I1, протекающий по первичной обмотке, создает переменный магнитный поток Ф, который наводит электродвижущие силы ε1 и ε2 в каждой из обмоток. Согласно закону электромагнитной
индукции Фарадея-Ленца: ε1 = −N1 dФ , ε2 = −N2 dФ . Тогда ε2 = N2 . Так как,
dt dt ε1 N1
согласно второму правилу Кирхгофа U1 ≈ε1 и U2 ≈ε2 , то U2 ≈ N2 . Если
U1 N1
N2 > N1, то U2 > U1; такой трансформатор увеличивает напряжение и называется повышающим. Если N2 < N1, то U2 < U1; такой трансформатор уменьшает напряжение и называется понижающим. В аппарате для гальванизации используется понижающий трансформатор. На рис. 3в приведены примерные графики напряжений U1 и U2 для понижающего трансформатора.
Следует отметить, что трансформатор в аппарате для гальванизации выполняет также еще одну очень важную функцию – обеспечение безопасности пациента при проведении процедуры. Так как между вторичной и первичной обмотками нет электрического контакта, то пациент, к которому подсоединены электроды от вторичной обмотки, не имеет электрического контакта с сетью, что существенно уменьшает вероятность электротравмы при каких-либо непредвиденных ситуациях.
На втором этапе с помощью выпрямителя осуществляют так называемое выпрямление переменного тока, т.е. преобразование переменного тока, изменяющегося по направлению в переменный ток, по направлению не изменяющийся. Основным элементом выпрямителя является вентиль – устройство с односторонней проводимостью, т.е. пропускающее ток только в одном направлении. Вентилями являются, в частности, электровакуумные и полупроводниковые диоды. В аппарате для гальванизации используются, как правило, полупроводниковые диоды.
–
–
+
+
–
+ р n –
+
+
–
р
n
–
+
а) прямое включение диода б) обратное включение диода Рис. 4
Полупроводниковый диод – это устройство с одним p–n переходом и двумя выводами. На рис. 4а и 4б схематически показаны прямое и обратное включения полупроводникового диода с указанием p- и n- областей и направлением движения дырок и электронов (основных носителей зарядов для этих областей); ниже приведены соответствующие условные обозначения в электрических схемах.
При прямом включении диода ток проходит через p–n переход (диод открыт), при обратном включении ток через p-n переход не проходит (диод закрыт).
Простейшей схемой для выпрямления переменного тока является схема с одним диодом (рис. 5а). Последовательно с вторичной обмоткой трансформатора включается диод Д и нагрузочный резистор сопротивлением Rн (при проведении процедуры гальванизации Rн – это сопротивление участка биологической ткани пациента).
U2
R
н
I
н
а
b
U
2
U
1
+
–)
(
(+)
U
н
Д
U
н
I
н
t
t
Т/2
Т
Т/2
3
Т/2
Т
Т/2
3
Т
2
а) б)
Рис. 5. Схема однополупериодного выпрямителя и графики процесса выпрямления
Полярность напряжения U2 меняется каждые полпериода. Полпериода в промежутки времени 0-Т/2, Т-3Т/2 и т.д. (рис. 5б) потенциал точки a – «+», потенциал точки b – «–», что соответствует прямому включению диода (рис. 5а). Диод открыт, и ток проходит через нагрузочный резистор. Следующие полпериода в промежутки времени Т/2-Т, 3Т/2-2Т и т.д. (рис. 5б) потенциал точки a – «–», потенциал точки b – «+», что соответствует обратному включению диода (рис. 5а). Диод закрыт, и ток через нагрузочный резистор не проходит (Iн=0). Так как напряжение на нагрузке Uн =IнRн (по закону Ома), то график этого напряжения по форме будет таким же, как и график Iн. Соответствующие графики приведены на рис. 5б.
Данная схема с одним диодом называется схемой однополупериодного выпрямителя.
Так как выпрямленный ток является периодическим негармоническим током, то он может быть представлен согласно теореме Фурье в виде суммы постоянной составляющей Iо (т.е. постоянного тока) и переменных гармонических составляющих Ikmax sin(kωt +ϕk ) , k=1, 2, …, ∞.
Степень выпрямления характеризуют коэффициентом пульсаций Kp, равным отношению амплитуды первой гармонической составляющей к постоянной составляющей: Kp = I1max /I0. Чем меньше коэффициент пульсаций, тем ближе выпрямленный ток к постоянному. Для однополупериодного выпрямления Kp=1,57.
Для уменьшения коэффициента пульсаций осуществляют двухполупериодное выпрямление.
В аппарате для гальванизации применяется схема двухполупериодного выпрямителя с двумя диодами и с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора (рис. 6а). Напряжения U2 на каждой половине вторичной обмотки трансформатора равны между собой.
В схеме двухполупериодного выпрямителя диоды работают поочередно. Одну половину периода открыт диод Д1, ток проходит по стрелке 1, следующую – диод Д2, ток проходит по стрелке 2, через нагрузочный резистор Rн ток проходит и в первую, и во вторую половину периода в одном и том же направлении (рис. 6а). Графики напряжения U2 и токов I1, I2 и Iн приведены на рис. 6б.
Для двухполупериодного выпрямления коэффициент пульсаций Кр=0,67, т.е. доля постоянной составляющей увеличивается по сравнению с однополупериодным выпрямлением в 1,57/0,67=2,34 раза.
U2
а)
Т/2 Т 3Т/2 2Т
б)
Рис. 6. Схема двухполупериодного выпрямителя и графики процесса выпрямления
Для дальнейшего приближения выпрямленного тока к постоянному,
т.е. для дальнейшего уменьшения коэффициента пульсаций, после выпрямителя включают так называемый сглаживающий фильтр, в составе которого могут быть конденсаторы, катушки индуктивности, резисторы или их сочетания. Энергия, накопленная в электрических полях конденсаторов и (или) магнитных полях катушек позволяет поддерживать ток в нагрузочном резисторе.
В простейшем случае сглаживающий фильтр представляет собой конденсатор C, включаемый параллельно нагрузке Rн (рис. 7а). При таком включении Uн= Uc, I = Ic+Iн.
Работа сглаживающего фильтра с конденсатором основана на процессе заряда и разряда конденсатора. Когда U2> Uc, диод Д открыт, и через конденсатор проходит ток Ic= I-Iн (рис. 7а). Конденсатор заряжается, напряжение на нем увеличивается, увеличивается и напряжение Uн= Uc (на рис. 7в в интервалы времени t1-t2, t3-t4 и т.д.). Когда U2< Uc, диод Д закрыт; I = 0, а
U
2
U
н
=
U
c
t
t
U
c
t
1
t
1
t
2
t
2
t
3
t
4
t
5
t
3
t
4
t
5
R
н
I
н
а
b
U
2
U
1
+
U
н
=
U
c
Д
U
c
C
I
c
I
Ic = -Iн, т.е.
а)
время заряда время разряда конденсатора конденсатора
б)
Рис. 7. Схема однополупериодного выпрямителя с фильтром и графики сглаживания пульсаций
ток Ic меняет направление на противоположное. Конденсатор разряжается через нагрузочный резистор, при этом напряжение на нем уменьшается, уменьшается и напряжение Uн = Uc (на рис. 7б в интервалы времени t2-t3, t4-t5 и т.д.). Таким образом, конденсатор при открытом диоде заряжается и накапливает энергию, а при закрытом – разряжается и отдает ее в нагрузку. В схеме с одним диодом процесс заряда и разряда конденсатора повторяется через период.
Чем больше емкость С и сопротивление Rн, тем медленнее идет процесс разряда, меньше коэффициент пульсаций и тем ближе напряжение и ток нагрузки к постоянному. Практически в такой схеме коэффициент пульсаций можно снизить до Кр = 0,1.
Еще меньше коэффициент пульсаций в схеме двухполупериодного выпрямителя (рис. 8а). Диоды работают поочередно, конденсатор заряжается и разряжается каждые полпериода.
Если один фильтр не обеспечивает необходимого уменьшения пульсаций, то включают последовательно несколько фильтров, что и осуществляется в аппарате для гальванизации.
Д1 Uн Uн=Uc 
а)
б)
Рис. 8. Схема двухполупериодного выпрямителя с фильтром и графики процесса выпрямления и сглаживания пульсаций
На рис. 9 приведена принципиальная электрическая схема аппарата для гальванизации АГН-2.
Рис. 9. Принципиальная электрическая схема аппарата для гальванизации АГН-2
Он содержит трансформатор (3), выпрямитель на двух диодах (4), сглаживающий фильтр из трех конденсаторов (5) и двух резисторов (6), регулировочный потенциометр (7), миллиамперметр (8) с шунтом (9) и переключателем (10) для измерения тока в цепи пациента. С помощью входных клемм (1) аппарат подключается к сети. К выходным клеммам (11) присоединяют провода от электродов, накладываемых на пациента. Переключатель (2) позволяет подключать аппарат к источнику напряжения 127 В или 220 В. Лампочка (12) сигнализирует о включенном состоянии аппарата.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ: макет аппарата для гальванизации, осциллограф, набор соединительных проводов.
Макет представляет собой корпус, внутри которого имеются (рис. 10):
трансформатор;
два диода Д1 и Д2 и нагрузочный резистор Rн1, на базе которых можно собрать схемы одно- или двухполупериодного выпрямителей;
сглаживающий фильтр, состоящий из двух конденсаторов С и двух резисторов R (рис. 10б);
нагрузочный резистор Rн2 с переменным сопротивлением для схемы выпрямления со сглаживающим фильтром.
R
H2
12
5
С
С
220
B
10
7
6
8
R
H1
Д
2
Д1 9 4 R R 11
а) б)
Рис. 10. Схема макета аппарата для гальванизации
На панели макета имеются клеммы 4-12 для сборки соответствующих схем и для подключения осциллографа с целью наблюдения на его экране графиков напряжения (осциллограмм) на различных этапах процесса выпрямления и сглаживания.
ХОД РАБОТЫ
ЗАДАНИЕ 1. Подготовка осциллографа к работе
Включите шнур осциллографа в сеть 220 В. На передней панели осциллографа тумблер «питание» переведите в положение «вкл», после чего должна загореться сигнальная лампочка. На экране осциллографа должна появиться горизонтальная линия. При отсутствии этой линии ручками «↔» (влево–вправо) и «↕» (вверх–вниз) добейтесь ее появления и поместите посередине экрана. С помощью ручек «фокус» и «яркость» получите четкое изображение этой линии. Ручку «вольт/деление» поставьте в положение «5».
Ручку «длительность время/деление» поставьте в положение «5».
К входу осциллографа «вход 1мΩ 40pF», помеченному «٭», подсоедините кабель, свободные концы которого будут подключаться к соответствующим точкам макета для наблюдения напряжений на экране осциллографа.
Для получения устойчивого изображения при дальнейшей работе с осциллографом используйте ручки «стаб.» и «длительность время/дел плавно».
ЗАДАНИЕ 2. Исследование процесса выпрямления переменного тока
Включите в сеть вилку макета.
Подключите концы кабеля осциллографа к клеммам 6-7. Зарисуйте полученную схему и осциллограмму.
Соберите схему однополупериодного выпрямителя. Для этого соедините клеммы 8-9 соединительным проводом. Подключите концы кабеля осциллографа к клеммам 7-8 (помеченный конец к любой клемме 8). Зарисуйте полученную схему и осциллограмму.
Соберите схему двухполупериодного выпрямителя. Для этого соедините проводами клеммы 8-9 и 8-10, а концы кабеля осциллографа подключите к клеммам 7-8 (помеченный конец к любой клемме 8). Зарисуйте полученную схему и осциллограмму.
Соберите схему двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим фильтром. Для этого сначала отсоедините концы кабеля осциллографа от макета. Затем соедините дополнительно клеммы 9-4 и 7-5. Кабель осциллографа подключите к клеммам 11-12 (помеченный конец к клемме 11). Зарисуйте полученную схему и осциллограммы при максимальном и минимальном значениях сопротивления нагрузки Rн2.
Соберите схему однополупериодного выпрямителя со сглаживающим фильтром. Для этого отключите перемычку 8-10. Зарисуйте полученную схему и осциллограммы при максимальном и минимальном значениях сопротивления нагрузки Rн2.
После окончания работы с разрешения преподавателя отключите макет и осциллограф от сети и разберите схему.
|
|
|
Скачать 0.53 Mb.