Ток для электродов: Режимы ручной дуговой сварки: параметры, электроды

Содержание

Режимы ручной дуговой сварки: параметры, электроды

Несмотря на появление нового удобного оборудования, ручная сварка не сдает своих позиций. Привлекает простота использования и отсутствие необходимости больших затрат. Для того, чтобы сварной шов получился наиболее качественным, требуется провести подготовительные работы, в которые входит установление режимов, необходимых для конкретного вида материалов для соответствия требованиям технологического процесса.

Режим ручной дуговой сварки — это установка параметров, максимально гарантирующих образование сварного шва, имеющего требуемые габариты и конфигурацию, а также необходимые для конкретного соединения характеристики. Параметры режима ручной дуговой сварки делятся на основополагающие и дополняющие их. Выбор и установка параметров производится самим сварщиком согласно существующим требованиям. На выбор оказывают влияние вид сварного соединения, артикул металла свариваемых деталей и проводника тока, пространственное расположение.

Основные параметры

Наиболее значительные параметры ручной дуговой сварки:

  • ток;
  • напряжение;
  • полярность;
  • диаметр электрода;
  • скорость;
  • амплитуда колебаний поперек шва.

Вид и размер этих параметров подбираются сварщиком перед началом работы на основе рекомендаций и личного опыта.

Величина тока

Это значение значительно влияет на качество получаемого шва и скорость сварочного процесса. Между параметрами существует прямая зависимость: величину тока при сварке устанавливают согласно диаметру выбранного электрода, а диаметр, в свою очередь, зависит от толщины свариваемых элементов.

Для более точного расчета значения тока используют формулу, в которой оно прямо пропорционально диаметру электрода. При этом применяется поправочный коэффициент. Для разных диаметров он является различным. При каком значении силы тока проводят ручную электродуговую сварку? При слабом токе нарушается стабильность дуги, шов не будет провариваться целиком, что вызывает появление трещин.

Повышенное значение тока вызывает быстрый процесс сварки и приводит к усиленному распространению брызг.

Диаметр электрода

Выбор режима сварки при ручной электродуговой сварке включает необходимость грамотного определения необходимых диаметров электродов. Электроды, имеющие диаметр свыше 6 мм, отличаются большим весом, при котором их трудно удерживать в нужном направлении длительное время. Кроме того, при использовании таких электродов плохо проваривается корень шва.

Если используется многопроходной вариант, то первый слой проводится электродом 2-3 мм, а для последующих можно использовать большее значение диаметра. Это имеет большое значение при сварке ответственных конструкций, поскольку меньший диаметр обеспечивает лучшую проварку корня. При одном заходе можно сразу применять электрод большого диаметра.

При решении задачи правильного выбора диаметра электрода рассматривается марка свариваемых поверхностей. Например, для сварки чугунных изделий хорошо себя зарекомендовали электроды небольшого диаметра.

Уровень тепла при этом понижается и образуется валик небольшого сечения. Если была осуществлена предварительная разделка кромок, то допускается использование электродов диаметром 3 мм, не слишком ориентируясь на толщину деталей.

Напряжение дуги

Этот параметр зависит от длины дуги, то есть расстояния от конца электрода до металлической поверхности. Дуга имеет разные размеры. Больше дуга — больше напряжение. Для плавления расходуется значительное количество тепла. Сварочный шов становится шире, а глубина провара меньше.

Напряжение зависит от диаметра электрода и значения тока. Находится в диапазоне 18-45 В. Оптимальный выбор режима ручной дуговой сварки, касающийся напряжения, предполагает сваривание короткой дугой. В этом случае напряжение не будет превышать значения, равного 20 В. Важным обстоятельством для получения хорошего шва является постоянство выбранной дуги.

Скорость

Режимы ручной дуговой сварки покрытыми электродами включают установление скорости.

Чтобы избежать переполнения ванны и, как следствие, возникновения на металле подтеков, следует выбрать оптимальное значение скорости и поддерживать его постоянным на протяжении всего процесса. Большая скорость приведет к недостаточному провару шва, что вызовет появление трещин.

При слишком медленном перемещении жидкий металл начнет собираться впереди дуги. Шов получится неровным, появятся непровары. Для получения удачного шва скорость должна быть 35-40 м/час. Тогда сварочная ванна будет находиться сверху поверхности кромок, не образуя стекания вниз. Переход ее к соединению будет плавным, наплывы и подрезы не образуются.

Ширина шва уменьшается при увеличении скорости.

Полярность

Как правило, для сварочных работ применяют ток постоянной величины. Прямая полярность при постоянном токе дает возможность сваривать толстые детали. Чтобы избежать появления прожогов при соединении тонких металлов включают обратную полярность. Сварку переменным током практически не применяют, поскольку это снижает производительность.

Выбор режима сварки при ручной дуговой сварке заключается, в частности, в возможности проводить процесс при разных полярностях. При прямом варианте проводник тока подключают к клемме с минусом, а металлическое соединение к плюсу. Интенсивней, чем электрод, начинаются расплавляться элементы сварного соединения. Это дает преимущество при сварке толстых металлических деталей.

Обратная полярность получается при подключении электрода к плюсу, а металлических деталей к минусу. Это обеспечивает интенсивный расплав электрода, превосходящий плавление деталей.

Объяснение является достаточно простым и соответствует физическим законам. Где плюс, там нагревание больше. Соответственно, при прямой полярности выше нагреваются свариваемые детали. Становится возможным соединение крупных изделий. Применение такого вида полярности на тонких деталях вызовет прожоги, и шов будет некачественным. Поэтому для соединения тонких деталей обеспечивают обратную полярность.

Особенности при вертикальном расположении

Сварка в вертикальном положении является более сложной по сравнению с горизонтальным вариантом. Поэтому выбор режимов дуговой сварки в этом случае является особенно важным.

Как корректируют величину сварочного тока в вертикальном положении? Первое требование относится к дуге — она должна быть короткой. Объем сварочной ванны не должен быть большим. Для ее уменьшения следует использовать электроды небольшим диаметром, а величину тока устанавливать на 10-15% меньше, чем, когда сварка проводится в горизонтальном положении внизу.

Дополнительные параметры

Режимы сварки электродуговой включают не только основные, но и дополняющие их параметры. Такие режимы дуговой сварки так же оказывают влияние на конечное получение сварного шва.

Вылет электрода

Вылетом электрода называется расстояние от торца электрода до поверхности металлической детали. Он оказывает влияние на процесс сварки и размеры получаемого шва.

Увеличение этого параметра снижает стабильность горения дуги. Металл начинает сильнее разбрызгиваться. Маленький вылет делает затруднительным наблюдение за сварочным процессом. Набрызгивание происходит на сопло.

Толщина электродного покрытия

Режимы ручной дуговой сварки включают особенности электродов, в частности, его покрытие, а именно его толщина. Этот параметр регламентирует ГОСТ 9466. Оптимальное покрытие предполагает нахождение его торцевого размера в пределах 0,5-2,5 мм. Применение проводников тока с такой толщиной покрытия обеспечивает получение прочного шва, выдерживающего большие нагрузки.

Число проходов

Однопроходной способ сварки предполагает сваривание одним слоем. Колебательные движения при этом не делаются. Он применяется при сварке деталей небольшой толщины, когда ширина шва не превышает 14-15 мм. При этом уменьшается величина остаточных деформаций. Для стыковых соединений, особенно при сварке толстых элементов, используют несколько слоев, и этот способ называется многопроходным.

Шов, осуществленный за один проход, имеет ванну большего размера. Преимуществами являются высокая производительность процесса и экономичность способа. К недостаткам относятся снижение пластичности шва и слишком большая зона нагрева. Все швы при многопроходной сварке выполняют электродами одного размера.

Интересное видео

Электроды постоянного тока

Процесс сварки, который происходит при помощи постоянного тока, является одним из самых безопасных и надежных соединений. Такая сварка обеспечивает ровный шов и легкость процесса. Для такого вида сварки используются специальные электроды, которые подводят к свариваемым поверхностям постоянный ток.

Как выбрать электроды для сварки постоянным током.

Как правило, количество фирм и производителей электродов огромное количество. Но как же выбрать качественный продукт. Во-первых, товар должен соответствовать стандартам качества, так же должен иметь сертификаты, и иные документы. Во-вторых, нужно выбирать лишь проверенные электроды, которые одобрены квалифицированными организациями, например Центр Стандартизации и Метрологии. Сварка постоянным током требует особого обеспечения безопасности, поэтому электроды должны соответствовать.

Классификация электродов для сварки постоянным током:

  1. УОНИ 13/45 (ГОСТ 9466-75, имеет санитарно-эпидемиологическое заключение. Подходит для углеродистых и низколегированных сталей. При помощи этого электрода можно: варить сосуды, которые работают под давлением, металлы большой толщины, а так же для заварки дефектов литья. Имеют основное покрытие.)
  1. УОНИ 13/55 (ГОСТ 9466-75, имеет свидетельство об одобрении сварочных материалов, применяется для сварки низколегированных и углеродистых сталей. Применяют для сварки сосудов под высоким давлением, строительных металлоконструкций.)
  2. ОЗС-12 (ГОСТ 9467-75, имеет санитарно эпидемиологическое заключение на электроды, подходит для сварки ответственных конструкций из низкоуглеродистой стали. Сварка может происходить во всех положениях, кроме вертикального.)
  3. ОЗС- 4 (ГОСТ 9467-75, имеет Свидетельство о признании № ВВФ030, подойдет для сварки углеродистых и низколегированных сталей. Так же позволяет производить процесс сварки по окисленной поверхности.)
  4. МР- 3С (ГОСТ 9466-75, подойдет для осуществления сварочного процесса над углеродистыми и низколегированными сталями, так же они обеспечивают высокий товарный вид шва, и значительно облегчают сам процесс работы.)

Выбор качественного электрода для сварки постоянным током, вы получите отличный результат.

 

Это еще одна запись о электродах для сварки постоянным током.

Ток, используемый при проведении сварочных работ, может быть постоянным или переменным. От этого зависит и выбор электрода. Конечно же, при работе с постоянным током необходимо выбрать и одноименные электроды. Как известно, сварка – это процесс соединения между собой различных металлов. Так вот сварка постоянным током обеспечивает наиболее надежное, прочное и долговечное соединение металлических заготовок. Место соединения – шов выглядит аккуратным и красивым. Прочность соединения создается благодаря высоким температурам, которые образуются в результате действий электрической дуги. В отличие от сварки переменным током, в данном случае полностью отсутствуют металлические капли и неровности. Это достигается в результате отсутствия полярности тока и перехода через нуль.

В специализированных магазинах выбор электродов для дуговой электрической сварки широк и разнообразен. Но критерии отбора должны соблюдаться. И, конечно же, самый главный и основной – это качество продукции. Электроды должны соответствовать установленным и утвержденным стандартам, быть сертифицированными и сопровождаться необходимой разрешительной документацией.

Работа с постоянным током требует огромного внимания и обеспечения безопасных условий труда, поэтому электроды должны быть качественными и безопасными. Покупать нужно только проверенный и одобренный знающими людьми материал. Наиболее распространенные и часто приобретаемые это УОНИ 13/45, УОНИ 13/55, ОЗС-12, ОЗС-6, МР-3 и другие. Они универсальны, просты в использовании, быстро зажигаются и образуют устойчивую дугу. А результат использования – аккуратный ровный шов.


особенности, как выбрать, основные виды и их характеристики

Постоянный ток часто используют как при домашней, так и во время профессиональной сварки.

Даже новичок справится с получением качественных и прочных соединений.

Чтобы это стало возможным, нужно выбрать аппарат для сварки и электроды для постоянного тока.

Содержание статьиПоказать

Характеристики

В нашей статье описаны моменты о том, с какими электродами лучше работать при постоянном токе.

После того, как вы примените эту информацию на практике, обязательно поделитесь с нами в комментариях. Успехов в работе!

Выбираем сварочный ток в зависимости от конкретного диаметра электродов

Сварка металлических изделий используется в том случае, когда необходимо получить качественное неразъемное соединение, отличающееся повышенной прочностью. В данном случае металлы соединяются друг с другом на молекулярном уровне, для выполнения такой сварки используются электроды, которые непосредственно оказывают влияние на качество выполненного соединение. Выполняя сварочные работы, следует правильно выбирать показатели сварочного тока в зависимости от используемого электрода и его диаметра. Именно от этого во многом и зависит качество выполненной работы, поэтому сварщику необходимо правильно рассчитывать соотношение мощности и диаметра электрода.

Режимы сварки

Современные сварочные аппараты инверторы позволяют изменять силу тока, что в свою очередь дает возможность работать с различными по своим показателям плавкости металлами. Выбирая конкретный режим сварки, следует учитывать следующие факторы:

  • Марка электрода.
  • Его диаметр.
  • Положение электрода при сварке.
  • Разновидность и сила тока.
  • Количество слоев в шве.
  • Полярность тока.

Упрощенно говоря, показатели силы тока выбираются исходя из диаметра электрода. Такой стержень в свою очередь следует выбирать под конкретную марку металлических элементов, которые используются в работе. Также необходимо учитывать положение при проведении сварки. Так, например если работы выполняются в вертикальном положении необходимо на 20% уменьшить количество Ампер от номинального. Подобное позволит избежать стекания расплавленного металла со шва. Помните, что максимальный диаметр стержня при потолочной сварке составляет 4 миллиметра.

Правильно подбираем силу тока для сварки

Диаметр стержней для работы с инвертором или классическими сварочными аппаратами выбирается в зависимости от толщины свариваемых деталей. Если вам нужно заварить поверхность в 3-5 миллиметров, то следует выбирать диаметр стержней не более 4 миллиметров. Для 8 миллиметров рабочего шва будет достаточно электрода с толщиной 5 миллиметров. При этом для каждого из таких стержней необходимо выбирать правильную силу тока.

При работе с 3 миллиметровым электродом показатели силы тока находятся в пределах 65-100 Ампер. Выбор конкретного показателя силы тока в данном случае зависит от положения при сварке и разновидности металла. Опытные сварщики советуют использовать среднее значение в 80 Ампер.

Работая с 4 миллиметровыми электродами необходимо устанавливать силу тока в 120-200 Ампер. Следует сказать, что 4 миллиметровые стержни получили сегодня максимально широкое распространение, так как они подходят для работы с небольшими и средними по размеру швами.

Разновидности электродов с толщиной 5 миллиметров потребуют использования тока в 160-250 Ампер. Следует сказать, что инверторы, способные работать с таким напряжением, относятся к разряду профессиональных. Они гарантируют глубокую проварку и отличное качество соединения.

Электроды толщиной в 6-8 миллиметров требуют использования силы тока в 250 Ампер. В отдельных случаях при работе с тугоплавкими металлическими сплавами необходимо использовать значение силы тока 350 Ампер.

Необходимо сказать, что использование инверторов позволило выполнять качественную сварку даже с применением тонких электродов. Именно поэтому сегодня все чаще используются стержни с толщиной от 1 до 2 миллиметров. Для работы с ними будет достаточно силы тока в 45 Ампер. Отметим, что для качественного выполнения такой сварки инвертор должен иметь функцию плавной регулировки тока, так как резкие скачки и минимальные погрешности могут оказать существенное влияние на качество шва.

Рекомендации

Современные сварочные инверторы позволяют напряжение выставлять полностью в автоматическом режиме. Вам лишь необходимо будет указать толщину используемого электрода, а автоматика инвертора установит показатели силы тока автоматически. Все это позволяет существенно упростить сварку, одновременно повышая качество выполнения таких работ.

Электроды для постоянного тока

Постоянный ток-это такой ток, который никак не изменяет свое направление, а так же не изменяет свою величину.  Он имеет постоянное направленное движение заряженных частиц в электрическом поле. При постоянном токе, движение заряженных частиц происходит прямо.

В промышленности источники питания постоянного тока появились позже, чем переменного. Просто к трансформаторам добавили диодные мосты для выпрямления, стабилизаторы для стабилизации тока.

Естественно, что развитие сварочных материалов не стояло на месте и тоже шло вперед по мере усовершенствования источников питания. Появились электроды, которые работают на постоянном токе.

Немного о сварочных заблуждениях

Точнее, не совсем правильно говорить о то, что есть якобы электроды специально для переменного тока, а есть для постоянного. Да, есть такие, которыми предпочтительнее работать на том или ином роде тока.

Так в народно-сварочном братстве родилось представление, что например МР-3 только для «переменки», а УОНИИ-13/55 или родственные, исключительно для «постоянки». Все дело в покрытии. Например у МР-3  обмазка рутиловая, а у УОНИИ-основная, или  иначе фтористо-кальциевая.

Кратко о задачах покрытия

Покрытие служит для защиты ванны и само собой, для стабилизации горения дуги. Покрытие так же определяет степень ионизации и отвечает за протекание физико-химических процессов в сварочной ванне. Из этого следует, что требуемые механические свойства металла шва и в целом соединения, в огромной степени обеспечивает электродная обмазка.

Так для сварки особо ответственных конструкций, работающих при отрицательных температурах и статических нагрузках, где требуются повышенная прочность и пластичность, необходим именно постоянный ток, а значит и сварочные материалы, в частности электроды требуется подбирать с учетом этих требований.

Какие электроды для постоянного тока

В промышленности существуют четыре основных вида покрытия:

•        Кислое

•        Рутиловое

•        Фтористо-кальциевое (основное)

•        Целлюлозное

Есть еще смешанное покрытие. Но оно выпускается в гораздо меньших объемах, чем, например, электроды с рутиловым или основным покрытием.

Об электродах с основным покрытием

В производстве фтористо-кальциевое покрытие намного больше знакомо сварщикам, чем другие электроды применяемые при сварке постоянным током, поэтому речь далее пойдет именно об этих электродах.

В основе обмазки лежит плавиковый шпат, карбонат кальция и магния. Эти элементы отвечают за образование шлаковой защиты. А газовую защиту обеспечивает углекислый газ, который выделяется при разложении карбонатов. Кислород выводят из ванны(раскисление) марганец, кремний, алюминий или титан. А виновником насыщения кислородом ванны(окисления), является «газовая фаза». Это когда углекислота вступает в реакцию с жидки металлом ванны. Применение кремния, титана и алюминия не позволяет скопится кислороду в большом количестве в жидком металле.

Ну и немало важно то, что фтористо-кальциевые шлаки имеют очень хорошую рафинирующую способность. С их помощью выводятся почти все продукты раскисления из ванны. Так же в это время, в металле шва низкое содержание азота. В этом сильная сторона электродов с основной обмазкой.

Но есть и обратная сторона. Едва только дуга начинает увеличиваться, ванна мгновенно насыщается азотом. Что бы этого избежать, сварка ведется предельно короткой дугой. Дело в том, что падающая капля металла плохо защищена шлаком и пролетая длинный путь от электрода к изделию успевает «наазотиться». Потом при кристаллизации она обеспечивает пористость в шве.

 

Чем характерны фтористо-кальциевые «постоянки»

Металл, который наплавляется, идентичен спокойной стали по своему химическому составу. Шлаки обладают хорошей способностью выводить из жидкого металла серу с фосфором(рафинирование). Это придает соединению большую пластичность, ударную вязкость и обладает феноменальной стойкостью к образованию кристаллизационных трещин. Эти электроды замечательно годятся для сварки литых углеродистых, низколегированных высокопрочных, сталей, а также с повышенным содержанием серы и углерода.

У них может быть разное назначение и в зависимости от этого данные сварочные материалы применяются во всех пространственных положениях или только в нижнем.

 

    Внимание!!! Необходимо помнить, что электроды с основным покрытием очень «капризны» и до безобразия чистоплотны! Они не терпят влаги на кромках, пыль, ржавчину и прочее загрязнение на свариваемых деталях. Если соблюдать все требования по подготовке кромок, плюс твердая рука и острый глаз сварщика, наградой будет соединение высочайшего качества!

Так же необходимо отметить, что марганец и кремний содержатся еще и в самом стержне. Так, что разделка заполняется уже металлом высокого качества.

Механические свойства металла шва регулируются введением в обмазку разного количества ферромарганца и ферросиллиция, этим изменяется степень легирования. Для придания твердости могут добавлять хром, молибден, ванадий.

 Марки электродов постоянного тока

Из отечественных наиболее известные электроды это УОНИИ-13/45 и УОНИИ-13/55. Из импортных особым уважением и популярностью пользуются LD-52U и ОК-53.70.

Хранение и подготовка к использованию

Поскольку эти электроды, как уже было сказано, имеют «капризный характер», то и уход за ними должен быть нежный, а именно:

•        обязательное хранение при соблюдении условий прописанных в нормативной документации

•        обязательная прокалка при режимах прописанных на пачках

•        обязательно контролировать влажность и температуру в местах складирования и хранения.

Выбор сварочного электрода для ручной дуговой сварки

В статье, в помощь начинающему сварщику, приведена информация о выборе сварочного электрода для ручной сварки, выборе инвертора и режима сварки — тока сварки, полярности.

 Зачастую, перед начинающим сварщиком встает много вопросов – какой электрод выбрать из множества марок и типов, представленных на рынке, как подключить инвертор, какой ток использовать в процессе сварки и т. д.

Сварочный электрод состоит из двух основных частей – сердечник и покрытие сердечника — обмазка. Сердечник в процессе сварки плавится, а обмазка сгорает, создавая защитный газовый слой (защита от кислорода). Сердечники электродов изготавливаются из различных материалов, в зависимости от свариваемого металла. Существуют электроды для работы с углеродистой, легированной, высоколегированной сталью, нержавеющей сталью, цветными металлами и их сплавами. При выборе электрода прежде всего обращаем внимание на то, что материал сердечника, по своему составу должен быть приближен к свариваемому металлу.

Диаметр электрода

Диаметр электрода подбирается в зависимости от толщины свариваемого материала. Примерно это соотношение можно привести следующим образом:

Толщина свариваемого металла, мм

1,5

2

3

4-5

6-12

более 13

Диаметр электрода, мм

1,6

2-2,5

2,5-3

3,2-4

4-5

5


Тип покрытия электрода

Далее разберем какие типы обмазки электродов существуют, для каких свариваемых материалов и толщин металла используется та или иная обмазка, какие режимы сварки используются. Существует четыре основных типа покрытий: целлюлозный, основной, рутиловый, кислый. Кроме основных видов обмазки сердечника электрода существуют еще смешанные типы обмазки, например, кисло-рутиловая, рутилово-основная, рутилово-целлюлозная или рутиловая смешанная с железным порошком. Электрод маркируется в зависимости от типа обмазки (см. таблицу). Выбор покрытия выбирается исходя из требований к сварному шву и свариваемому материалу. При выборе можно руководствоваться следующими данными:

 

Тип покрытия электрода, маркировка

Ток сварки

Пример марки электрода, назначение

Основные особенности

Целлюлозный, маркировка «Ц»

Постоянный, переменный

ВСЦ-4М – углеродистые и низколегированные стали

Подходят для ответственных конструкций, максимальная прочность сварного шва.

Основной, маркировка «Б»

Постоянный

УОНИ 13/55 – сваривание углеродистых и низколегированных сталей

(обратная полярность сварки)

Подходят для ответственных конструкций, пластичность и прочность сварного шва. Требовательны к чистоте свариваемых поверхностей.

Рутиловый, маркировка «Р»

Постоянный, переменный

МП-3– сваривание углеродистых и низколегированных сталей.

АНО – углеродистая сталь (трубопроводы)

Малое разбрызгивание металла, легкий поджиг, не высокие требования и величине напряжения холостого хода – 45-55 вольт

Кислый, маркировка «А»

Постоянный, переменный

ОММ-5, СМ-5, ЦМ-7, МЭЗ-4

Не рекомендуются для сваривания высоколегированных сталей

Высокая токсичность газа (нельзя варить в замкнутом помещении). Повышенное разбрызгивание.

Не требовательны к чистоте поверхности – ржавчины и окалины

 

В таблице приведены примеры марок электродов, опытный сварщик, как правило, при выборе руководствуются собственными предпочтениями. Для начинающего сварщика оптимальным выбором будет использование электродов с основной или рутиловой обмазкой — МП-3, АНО или УОНИ.   

Пример расшифровки маркировки электродов

Подробная характеристика электрода, с указанием основных параметров, приводится производителем на упаковке. В качестве примера приведем расшифровку маркировки основного электрода марки УОНИ.

Выбор полярности сварки и силы тока

Полярность тока при сварке еще один из важных моментов, который надо учитывать при выборе электрода. Сварочный инвертор выдает постоянный ток, следовательно, подключение может быть прямой полярности или обратной полярности. При прямой полярности положительная клемма подключается к массе, а минус к держаку электрода. При обратной, соответственно, наоборот – минус к массе, плюс к электроду.

Выбор полярности обусловлен, прежде всего, толщиной свариваемого материала – обратная полярность дает высокий нагрев металла и чаще используется при сваривании толстых листов или массивных конструкций. При прямой полярности металл прогревается меньше, данный тип используется для сваривания тонких листов, для защиты от перегрева или прогара. Высоколегированные стали чувствительны к высоким температурам, поэтому для их сварки лучше использовать прямую полярность.

Сила тока, которую нужно использовать при сварке, указывается на упаковке электродов и зависит от диаметра электрода. Сварщики для определения тока сварки используют следующее правило: один миллиметр сварочного электрода требует 20-30А. Вы можете подобрать силу тока используя следующую таблицу:  

 

Диаметр электрода, мм

2

2,5

3

4

5

Ток сварки

55-56

55-80

70-120

130-160

180-210

 

При выборе тока сварки необходимо учитывать толщину свариваемого металла, количество проходов, а также пространственное положение электрода в момент сварки. Чем выше ток сварки, тем более жидкой и менее управляемой становится «сварочная ванна». Таким образом, выбор тока оказывает прямое влияние на качество будущего сварного шва.

Из вышесказанного можно сделать вывод о том, что выбор сварочного электрода для начинающего сварщика задача непростая. И мастеру при выборе надо учесть такие основные параметры электродов как материал сердечника, состав обмазки, выбрать величину сварочного тока и определиться со схемой подключения. Непосредственное влияние на выбор электродов оказывает также тип свариваемых конструкций (лист, труба) и марка свариваемого металла.

В статье приведены основные характеристики электродов для ручной дуговой сварки углеродистых и низколегированных сталей. Для сварки конструкций из нержавеющих сталей используются специальные приемы и виды сварки, а также специальные электроды. О технологии сварки нержавейки мы расскажем в следующих обзорных статьях. (см. Технология сварки нержавеющей стали. Выбор электрода для сварки нержавейки).

Вернуться к списку статей

 

Что такое электрический ток »Электроника

Электрический ток возникает при движении электрических зарядов — это могут быть отрицательно заряженные электроны или положительные носители заряда — положительные ионы.


Учебное пособие по электрическому току Включает:
Что такое электрический ток Единица измерения тока — Ампер ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК


Электрический ток — одно из самых основных понятий, существующих в области электротехники и электроники. Электрический ток лежит в основе науки об электричестве.

Будь то электрический нагреватель, большая электрическая сеть, мобильный телефон, компьютер, удаленный сенсорный узел или что-то еще, понятие электрического тока является центральным для его работы.

Однако ток как таковой обычно нельзя увидеть, хотя его эффекты можно увидеть, услышать и почувствовать все время, и в результате иногда трудно получить представление о том, что это такое на самом деле.

Удар молнии — впечатляющее зрелище электрического тока
Фотография сделана с вершины башен Петронас в Куала-Лумпуре Малайзия

Определение электрического тока

Определение электрического тока:

Электрический ток — это поток электрического заряда в цепи.Более конкретно, электрический ток — это скорость прохождения заряда через заданную точку в электрической цепи. Зарядом могут быть отрицательно заряженные электроны или положительные носители заряда, включая протоны, положительные ионы или дырки.

Величина электрического тока измеряется в кулонах в секунду, обычно единицей измерения является ампер или ампер, обозначаемый буквой «А».

Ампер или усилитель широко используются в электрических и электронных технологиях вместе с умножителями, такими как миллиампер (0.001A), микроампер (0,000001A) и т. Д.

Ток в цепи обычно обозначается буквой «I», и эта буква используется в уравнениях, таких как закон Ома, где V = I⋅R.

Что такое электрический ток: основы

Основная идея тока состоит в том, что это движение электронов внутри вещества. Электроны — это мельчайшие частицы, которые существуют как часть молекулярной структуры материалов. Иногда эти электроны плотно удерживаются внутри молекул, а иногда они удерживаются свободно, и они могут относительно свободно перемещаться по структуре.

Одно очень важное замечание относительно электронов — это то, что они заряженные частицы — они несут отрицательный заряд. Если они перемещаются, то перемещается некоторое количество заряда, и это называется током.

Также стоит отметить, что количество электронов, которые могут двигаться, определяет способность конкретного вещества проводить электричество. Некоторые материалы позволяют току двигаться лучше, чем другие.

Движение свободных электронов обычно очень случайное — оно случайное — столько электронов движется как в одном направлении, так и в другом, и в результате отсутствует общее движение заряда.

Случайное движение электронов в проводнике со свободными электронами

Если на электроны действует сила, перемещающая их в определенном направлении, то все они будут дрейфовать в одном и том же направлении, хотя и в некоторой степени случайным образом, но в целом движение происходит в Одно направление.

Сила, действующая на электроны, называется электродвижущей силой или ЭДС, а ее величина — это напряжение, измеряемое в вольтах.

Электронный поток под действием приложенной электродвижущей силы

Чтобы лучше понять, что такое ток и как он действует в проводнике, его можно сравнить с потоком воды в трубе.У этого сравнения есть ограничения, но оно служит очень простой иллюстрацией тока и протекания тока.

Ток можно рассматривать как воду, текущую по трубе. Когда давление оказывается на один конец, вода движется в одном направлении и течет по трубе. Расход воды пропорционален давлению на конце. Давление или силу, приложенную к концу, можно сравнить с электродвижущей силой.

Когда к трубе прикладывается давление или вода течет в результате открытия крана, вода течет практически мгновенно.То же самое и с электрическим током.

Чтобы получить представление о потоке электронов, требуется 6,24 миллиарда миллиардов электронов в секунду для тока в один ампер.

Обычный ток и поток электронов

Часто существует множество недоразумений относительно обычного потока тока и потока электронов. Сначала это может немного сбивать с толку, но на самом деле все довольно просто.

Частицы, переносящие заряд по проводникам, являются свободными электронами.Направление электрического поля в цепи по определению является направлением проталкивания положительных испытательных зарядов. Таким образом, эти отрицательно заряженные электроны движутся в направлении, противоположном электрическому полю.

Электронный и обычный ток

Это произошло потому, что первоначальные исследования статических и динамических электрических токов были основаны на том, что мы теперь называем носителями положительного заряда. Это означало, что тогда раннее соглашение о направлении электрического тока было установлено как направление, в котором будут двигаться положительные заряды.Это соглашение сохранилось и используется до сих пор.

Итого:

  • Обычный ток: Обычный ток идет от положительного к отрицательному выводу и указывает направление, в котором будут течь положительные заряды.
  • Электронный поток: Электронный поток идет от отрицательного полюса к положительному. Электроны заряжены отрицательно и поэтому притягиваются к положительному полюсу так же, как притягиваются разные заряды.

Это соглашение, которое используется во всем мире по сей день, даже если оно может показаться немного странным и устаревшим.

Скорость движения электрона или заряда

Скорость передачи электрического тока сильно отличается от скорости реального движения электронов. Сам электрон отскакивает в проводнике и, возможно, движется по проводнику только со скоростью несколько миллиметров в секунду. Это означает, что в случае переменного тока, когда ток меняет направление 50 или 60 раз в секунду, большая часть электронов никогда не выходит из провода.

Возьмем другой пример. В почти полном вакууме внутри электронно-лучевой трубки электроны движутся почти по прямым линиям со скоростью примерно в одну десятую скорости света.

Влияние тока

Когда электрический ток течет по проводнику, есть несколько признаков, указывающих на то, что ток течет.

  • Тепло рассеивается: Возможно, наиболее очевидным является то, что тепло выделяется. Если ток небольшой, то количество выделяемого тепла, вероятно, будет очень небольшим и его можно не заметить.Однако если ток больше, возможно, выделяется заметное количество тепла. Электрический огонь — яркий пример того, как ток вызывает выделение тепла. Фактическое количество тепла зависит не только от тока, но также от напряжения и сопротивления проводника.
  • Магнитный эффект: Еще один эффект, который можно заметить, заключается в том, что вокруг проводника создается магнитное поле. Если в проводнике течет ток, это можно обнаружить.Если поднести компас к проводу, по которому идет достаточно большой постоянный ток, можно увидеть, что стрелка компаса отклоняется. Обратите внимание, что это не будет работать с сетью, потому что поле меняется слишком быстро, чтобы игла реагировала, а два провода (под напряжением и нейтраль), расположенные близко друг к другу в одном кабеле, нейтрализуют поле.

    Магнитное поле, создаваемое током, находит хорошее применение во многих областях. Намотав провод в катушку, можно усилить эффект и создать электромагнит.Реле и множество других предметов используют этот эффект. Громкоговорители также используют переменный ток в катушке, чтобы вызвать колебания в диафрагме, которые позволяют преобразовывать электронные токи в звуки.

Как измерить ток

Одним из важных аспектов тока является знание величины тока, который может протекать в проводнике. Поскольку электрический ток является таким ключевым фактором в электрических и электронных схемах, очень важно знать, какой ток течет.

Есть много разных способов измерения тока. Один из самых простых — использовать мультиметр.

Как измерить ток с помощью цифрового мультиметра:

Используя цифровой мультиметр, цифровой мультиметр, легко измерить ток, поместив цифровой мультиметр непосредственно в цепь, по которой проходит ток. Цифровой мультиметр даст точные показания тока, протекающего в цепи

.

Узнайте , как измерить ток с помощью цифрового мультиметра.

Хотя существуют и другие методы измерения тока, это наиболее распространенный.

Ток — один из наиболее важных и фундаментальных элементов в электрических и электронных технологиях. Ток, протекающий в цепи, можно использовать различными способами: от генерирования тепла до переключения схем или сохранения информации в интегральной схеме.

Дополнительные основные понятия:
Напряжение ток Сопротивление Емкость Сила Трансформеры RF шум Децибел, дБ Q, добротность
Вернуться в меню «Основные понятия».. .

Границы | Электростимуляция отдельных клеток с использованием массивов микроэлектродов высокой плотности на основе КМОП

Введение

Электрическая стимуляция (Rattay, 1999; Merrill, 2010) — это комплексный метод, который широко используется для изучения нейронных сетей (Kumar et al., 2016; Wülfing et al., 2018), для лечения заболеваний головного мозга (Perlmutter and Mink, 2006; Benabid et al., 2009) и соматосенсорной дисфункции (Brindley, Lewin, 1968; Shannon, 1983, 1985; Sekirnjak et al., 2008; Цай и др., 2012; Гросберг и др., 2017; Гринберг и др., 2018; Fan et al., 2019), а также для улучшения мотореабилитации (Raspopovic et al., 2014; Armenta Salas et al., 2018). Электростимуляция сочеталась с протезными имплантатами в различных применениях in vivo (Woodson et al., 2009; Dagnelie, 2012). Например, эпиретинальные имплантаты имеют электроды, которые доставляют электрический сигнал к нейронам, расположенным в сетчатке, в непосредственной близости от зрительного нерва. Целью глазных имплантатов является искусственная замена нефункциональных слоев сетчатки, которые не могут преобразовывать свет в электрические сигналы для мозга (Brindley and Lewin, 1968; Sekirnjak et al., 2008; Цай и др., 2012; Гросберг и др., 2017; Fan et al., 2019). Электростимуляция также используется в кохлеарных имплантатах, где электроды используются для восстановления слуха путем стимуляции определенных областей улитки в зависимости от частоты звука (Shannon, 1983, 1985; Greenberg et al., 2018). Нервная стимуляция использовалась в области воплощения протезов для парализованных пациентов для восстановления чувствительности в верхних и нижних конечностях (Raspopovic et al., 2014; Armenta Salas et al., 2018). Кроме того, при лечении болезни Паркинсона используется глубокая электрическая стимуляция субталамического ядра мозга (Perlmutter and Mink, 2006; Benabid et al., 2009), чтобы надежно подавить и контролировать тремор пациентов.

Хотя существует большое разнообразие протезов на основе электростимуляции, основным ограничением этих устройств является их низкое пространственное разрешение при передаче сигналов стимуляции и сложность локального ограничения электрического поля для достижения точной и точной стимуляции предпочтительно отдельных отдельных клеток. Действительно, размытые изображения, низкое звуковое разрешение, неточные проприоцептивные ощущения и неблагоприятные нейрокогнитивные эффекты могут быть результатом неточной электрической стимуляции.Описанные недостатки побудили нас исследовать параметры и режимы стимуляции и разработать методы точной и точной инжекции заряда. In vitro Технологии позволяют исследовать большой набор параметров для электрической стимуляции нейронов в культурах и трехмерных тканях или срезах. Результаты и выводы исследований электрической стимуляции in vitro, потенциально могут быть переведены и оптимизированы для in vivo приложений (например, эпиретинальных имплантатов и кохлеарных имплантатов).

In vitro массивы микроэлектродов высокой плотности (HD-MEA) облегчают считывание электрических сигналов и стимуляцию нескольких нейронов одновременно с высоким пространственно-временным разрешением (Obien et al., 2015). Традиционные матрицы микроэлектродов используются с 1970-х годов (Thomas et al., 1972) для внеклеточной электрофизиологии. Было проведено несколько исследований по изучению параметров электрической стимуляции в культурах нейронов с целью найти наиболее эффективный способ вызвать нейрональные ответы (Wagenaar et al., 2004; Ахмадиан и др., 2011; Гросберг и др., 2017). Хотя принципы электрической стимуляции были установлены, большой размер и шаг электрода не позволяли проводить стимуляцию с субклеточным разрешением и демонстрировать надежное нацеливание на один нейрон.

Внедрение HD-MEA в технологию комплементарных оксидов металлов и полупроводников (CMOS) для приложений in vitro (Eversmann et al., 2003; Berdondini et al., 2009; Frey et al., 2010; Ballini et al. ., 2014; Bertotti et al., 2014; Viswam et al., 2016; Tsai et al., 2017) позволили получить высокое пространственное разрешение и большую общую зону зондирования. Сотни исследователей по всему миру из университетов, исследовательских институтов и фармацевтических предприятий в настоящее время используют для своих исследований различные HD-MEA на основе CMOS. HD-MEA на основе CMOS также коммерчески доступны от нескольких поставщиков, включая Multichannel Systems (Германия), 3Brain (Швейцария) или MaxWell Biosystems (Швейцария). С появлением нейронов, полученных из индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток (hiPSC), интерес к HD-MEA быстро растет, поскольку такие устройства подходят для оценки функциональности hiPSC здоровых и болезненных фенотипов.В этом исследовании мы использовали КМОП-чип с 26400 электродами (Ballini et al., 2014) с площадью чувствительности 3,85 × 2,10 мм 2 , шагом электродов 17,5 мкм и размером электродов 5 × 9 мкм 2 , что обеспечивало субклеточное разрешение для считывания и стимуляции. Устройство позволяет нацеливать начальный сегмент аксона (AIS) для стимуляции, что, как было продемонстрировано, обеспечивает эффективную и точную стимуляцию (Radivojevic et al., 2016; Bakkum et al., 2018), а устройство позволяет считывать сигнал при стимуляции в прямом направлении. близость к клеточной соме той самой клетки.

Важной проблемой при электростимуляции через микроэлектроды в плотно упакованных массивах является так называемый «артефакт стимуляции», который характеризуется насыщением записывающих усилителей, подключенных к самому стимулирующему электроду и окружающим электродам, в течение сотен микросекунд или дольше. . Это насыщение является следствием большой амплитуды стимулирующего сигнала, ∼50–100 мВ, в то время как усилители считывания обладают чувствительностью к микровольтам. В отличие от других подходов (Hottowy et al., 2012), мы не ставили целью восстановить сигнал на самом стимулирующем электроде, так как большая плотность электродов, присутствующих в нашем массиве, позволяет вести запись с разных электродов, по-прежнему находящихся под одним и тем же интересующим нейроном. Более того, мы не использовали какую-либо стратегию для подавления артефактов в этом исследовании, поскольку наш интерес состоял в том, чтобы сравнить различные стратегии и параметры стимуляции также в отношении генерации артефактов. Электроды на расстоянии всего 17,5 мкм от стимулирующего электрода уже были доступны для считывания во всех случаях, частично из-за сравнительно низких амплитуд сигналов стимуляции, которые мы могли себе позволить благодаря точному наведению на чувствительный к стимуляции AIS (Radivojevic et al., 2016). Артефакт зависит от амплитуды сигнала стимуляции, применяемой формы волны и ее продолжительности. Поэтому крайне важно идентифицировать сигнал стимуляции, который вызывает самый низкий артефакт, но при этом надежно индуцирует потенциал действия (AP).

Это исследование было направлено на поиск оптимальных модальностей стимуляции, то есть для достижения наиболее эффективной стимуляции нейронов с помощью наших HD-MEA с минимальными артефактами, путем сравнения различных форм волн стимуляции, амплитуд и длительностей, как в режиме напряжения, так и в режиме тока.Мы использовали двухфазные и монофазные прямоугольные волны для стимуляции в режиме напряжения (Wagenaar et al., 2004) и сбалансированные по заряду двухфазные и трехфазные прямоугольные волны для стимуляции в текущем режиме (Wagenaar et al., 2004; Hottowy et al., 2012; Гросберг и др., 2017). Мы сравнили эффективность режимов стимуляции напряжением и током, охарактеризовали влияние импеданса электрода и измерили стимуляцию во время роста и развития клеток в культуре. Наконец, мы смоделировали и протестировали различные многоэлектродные конфигурации и сравнили полученные результаты.

Материалы и методы

Использование животных

Все протоколы экспериментов были одобрены ветеринарным офисом Базель-Штадта в соответствии с федеральными законами Швейцарии о защите животных и проводились в соответствии с утвержденными руководящими принципами.

Матрицы микроэлектродов высокой плотности

HD-MEA на основе CMOS (Ballini et al., 2014) использовался для стимуляции и записи in vitro . Устройство имеет 26400 Pt электродов (каждый 5 × 9 мкм 2 с шагом 17.5 мкм), занимая площадь считывания 3,85 × 2,10 мм 2 . Система HD-MEA включает 1024 конфигурируемых канала считывания, которые можно использовать для одновременной записи. Шум канала считывания составляет 2,4 мкВ среднеквадратичное значение в диапазоне от 300 Гц до 10 кГц и 5,4 мкВ среднеквадратичное значение в диапазоне от 1 до 300 Гц. Коэффициент усиления каналов считывания программируется до 78 дБ, в зависимости от приложения. Кроме того, устройство оснащено 32 блоками стимуляции, которые можно использовать как в режиме тока, так и в режиме напряжения.Частота дискретизации составляет 20 kSamples / s, а общая потребляемая мощность составляет 75 мВт. Проволока с золотым соединением соединяет микросхемы с печатными платами (PCB) и защищается от солевых растворов (например, культуральной среды) с помощью эпоксидной смолы (Epo-Tek 353ND, 35ND-T, Epoxy Technology Inc., Billerica, MA, США). Электроды были покрыты Pt-черным, затем чипы стерилизовали в течение 40 минут в 70% этаноле и 3 раза промывали деионизированной (ДИ) водой перед каждым нанесением покрытия на ячейки.

Платина с черным напылением

На электроды был нанесен пористый слой Pt-черного для увеличения площади поверхности и уменьшения импеданса электрода, что улучшает отношение сигнал / шум (SNR) записанных сигналов.2 мл раствора гексагидрата платинохлористоводородной кислоты (7 мМ, Sigma-Aldrich, Сент-Луис, Миссури, США) и ацетата свинца (0,3 мМ, Honeywell, Morris Plains, Нью-Джерси, США) в деионизированной воде пипеткой наносили на область воздействия. микросхемы HD-MEA. Pt электрод сравнения был погружен в раствор, и ток 550 мкА подавался на электроды матрицы в течение 1,30 мин.

Клеточные культуры

Перед культивированием клеток область электрода HD-MEA обрабатывали 20 мкл 0,05% (об. / Об.) Поли (этиленимина) (Sigma-Aldrich) в боратном буфере (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, США) при температуре 8.5 pH в течение 40 мин при комнатной температуре. Этот шаг улучшает адгезию клеток и делает субстрат более гидрофильным. Мы трижды промыли чипсы деионизированной водой. Затем мы добавили 8 мкл 0,02 мг / мл -1 ламинина (Sigma-Aldrich) в нейробазальную среду (Gibco, Thermo Fisher Scientific) для поддержки роста и дифференцировки клеток. Чипы инкубировали с ламинином в течение 30 мин при 37 ° C. За это время мы диссоциировали кору головного мозга крыс Wistar на 18-й день эмбриона в трипсине с 0,25% EDTA (Gibco).После 20 мин переваривания кортикальный слой дважды промывали средой для посева, затем растирали и подсчитывали количество клеток. Мы подсчитывали с помощью гемоцитометра, разбавляя клетки 0,4% раствором красителя трипанового синего (Gibco). Затем мы засеяли от 15 000 до 25 000 ячеек на активной площади прибл. 8 мм 2 . Затем чипы инкубировали при 37 ° C в течение 30 мин перед добавлением 1,5 мл среды для посева. Среда для посева состояла из 450 мл нейробазала (Invitrogen, Карлсбад, Калифорния, США), 50 мл лошадиной сыворотки (HyClone, Thermo Fisher Scientific), 1.25 мл глутамакса (Invitrogen) и 10 мл B-27 (Invitrogen). Через 76 часов мы заменили 50% посевной среды на питательную среду, которая состояла из 450 мл D-MEM (Invitrogen), 50 мл лошадиной сыворотки (HyClone), 1,25 мл глутамакса (Invitrogen) и 5 ​​мл пирувата натрия (Invitrogen). . Процедуру повторяли два раза в неделю. Чипы хранили в инкубаторе при 37 ° C и 5% CO 2 . Каждый чип был снабжен крышкой, и для предотвращения испарения добавляли дополнительную деионизированную воду в чашку Петри диаметром 35 мм.Все эксперименты проводились между днями in vitro (DIV) 10 и 30.

Микроскопия и окрашивание

Мы использовали живое окрашивание NeuroFluor NeuO (Stemcell Technologies, Ванкувер, Канада) для определения местоположения нейронов на матрице перед экспериментами по стимуляции. Клетки инкубировали в течение 1 ч при 37 ° C с 2 мл ростовой среды, содержащей 0,15% NeuO. Затем чипсы промывали 2 раза питательной средой.

Мы также выполнили фиксацию нейронов после экспериментов по стимуляции с использованием 4% параформальдегида (Life Technologies, Thermo Fisher Scientific).Проницаемость образца и блокирование неспецифического связывания антител были выполнены с использованием раствора PBS 1 ×, содержащего: 10% нормальную ослиную сыворотку (NDS) (Sigma-Aldrich), 1% бычий сывороточный альбумин (BSA) (Sigma-Aldrich), 0,02% Na-Az (Sigma-Aldrich), 0,5% Triton X (Sigma-Aldrich). Первичные и вторичные антитела разводили в растворе PBS 1 ×, содержащем: 3% нормальной ослиной сыворотки (NDS), 1% бычьего сывороточного альбумина (BSA), 0,02% Na-Az, 0,5% Triton X. Мы использовали антитела против MAP2 (Abcam. , Кембридж, Великобритания), Ankyrin G (Santa Cruz Biotechnology, Даллас, Техас, США) и флуоресцентный краситель Hoechst (Invitrogen) для окрашивания нейронов, начальных сегментов аксонов (AIS) и ядер.Мы визуализировали клетки на чипе HD-MEA с помощью вертикального конфокального микроскопа Nikon NiE, сканирующей головки Yokogawa W1 с вращающимся диском, 6 лазерных линий и устройства восстановления флуоресценции после фотообесцвечивания (FRAP).

Стимуляция и анализ данных

Электростимуляция контролировалась с помощью встроенного в кристалл аналогово-цифрового преобразователя (DAC) и программного обеспечения, программируемого через интерфейс прикладного программирования Python (API).

Мы использовали оба метода стимуляции напряжением и током. В обоих случаях на стимулирующий электрод подается заряд.В идеале происходит только перераспределение заряда в двухслойном конденсаторе, образованном на границе раздела электрод / электролит, и избегаются реакции переноса заряда и окислительно-восстановительные реакции, включающие перенос электрона на поверхности электрода (процессы Фарадея). С помощью стимуляции током можно напрямую управлять зарядом, в то время как напряжение может принимать большие значения в зависимости от конкретного пути тока. Высокое напряжение на электродах может привести к нежелательной электрохимии (процессы Фарадея), повреждению тканей или деградации электрода.В случае стимуляции напряжением можно управлять напряжением, в то время как подаваемый ток зависит от импеданса электрода (дополнительный рисунок 1), который может значительно изменяться из-за производственных изменений или старения. Точный контроль приложенного напряжения помогает предотвратить электролиз, который может происходить за пределами водяного окна и может повредить электроды или вызвать гибель клеток.

Мы использовали рандомизированный протокол стимуляции напряжением, включающий четыре различных формы волны: двухфазный катодно-анодный, двухфазный анодно-катодный, однофазный анодный, однофазный катодный, см. Также рисунок 2A (Wagenaar et al., 2004). Протокол включал четыре длительности по 50, 100, 150 и 200 мкс на фазу и шесть амплитуд сигналов стимуляции (40, 80, 120, 160, 200 и 240 мВ от пика до пика). Для токовой стимуляции мы применили рандомизированный протокол двух форм волны, двухфазного анодно-катодного и трехфазного анодно-катодно-анодного, оба заряда сбалансированы (Grosberg et al., 2017), пять длительностей по 10, 15, 18, 20 и 50. мкс на фазу и восемь амплитуд сигналов стимуляции (42, 63, 84, 105, 126, 147, 168 и 189 нА). Каждый индивидуально сформированный импульс стимуляции обеих модальностей повторялся 30 раз в течение всего протокола случайным образом, чтобы не вызвать процессы нейрональной пластичности.Частота стимуляции составляла 1 Гц для обеих модальностей, поскольку, как сообщалось, стимуляция в полосе частот от 0,2 до 1 Гц не влекла за собой значительных изменений в положении AIS (Grubb and Burrone, 2011). Мы выбрали 1 Гц, верхнюю границу, чтобы ограничить общее время, необходимое для экспериментов по стимуляции.

Специальное программное обеспечение использовалось для визуализации и записи внеклеточных сигналов от электродов. Пространственное распределение внеклеточного потенциала действия (EAP) или «электрический след» нейрона, который представляет собой распределение сигнала напряжения по множеству электродов, было реконструировано с использованием алгоритмов сортировки спайков (UltraMegaSort, Hill et al., 2011). Программное обеспечение определяет выбросы с порогом в 4,5 раза превышающим стандартное отклонение шума. Затем с помощью этого программного обеспечения мы могли идентифицировать и выбирать электроды стимуляции на основе амплитуд EAP.

Собранные данные были проанализированы в MATLAB. Чтобы проверить наличие вызванных AP, мы установили порог, в четыре раза превышающий стандартное отклонение шума, вместе с временным окном 1,5 мс. Автоматический сценарий регистрировал EAP для 30 повторов каждой отправленной формы волны и визуализировал визуальную запись, которую можно было проверить для проверки подсчета.Случаи, когда артефакт частично перекрывал EAP, были классифицированы как «отсутствующие EAP» во время автоматической регистрации. В этих случаях мы применили визуальный осмотр и исправление вручную.

Характеристика импеданса

Для характеристики импеданса электродов мы применили коэффициент усиления считывания 2 и 20 повторений двухфазного импульса стимуляции анодно-катодным током с длительностью 1 мс на фазу и амплитудой 140 нА для ярких Pt-электродов и длительностью 2.5 мс на фазу и амплитуду 560 нА для Pt-черных электродов. Такое низкое усиление в каналах считывания позволяет избежать насыщения канала стимуляции постоянным напряжением. Более низкая длительность и амплитуда сигнала позволили избежать насыщения канала в случае яркой Pt из-за более высокого импеданса.

Для определения импеданса электрода мы сопоставили показания напряжения на стимулирующем электроде с уравнениями, полученными из модели электрода Гуи-Чепмена-Стерна (Franks et al., 2005) (дополнительный рисунок 2).Мы добавили постоянный эквивалентный входной импеданс Z в для входного импеданса канала записи параллельно эквивалентной схеме электрода. Эквивалентная схема электрода имела два неизвестных значения: сопротивление переносу заряда R ct и емкость двойного слоя C dl . Эти значения были вычислены путем подбора полученных экспериментальных данных в MATLAB с использованием следующего уравнения:

V (t) = IstimRct (1 − e − tCdlRct) 1 + RctZin (1 − e − tCdlRct)

В этом уравнении В, — это считываемое напряжение, а I стим — приложенный ток стимуляции.Мы определили начальные значения для C dl и R ct , ссылаясь на значения, указанные в литературе (Héduit et al., 1996; Franks et al., 2005; Oldham, 2008; Joye et al., 2009). ; Шарма и Бхатти, 2010).

Чтобы подтвердить результаты моделирования с большим количеством электродов, мы применили стимуляцию синусоидальным напряжением к контрольному электроду, окружающему массив, и записали соответствующие сигналы через наборы электродов массива. Синусоидальная волна имела частоту 1 кГц и амплитуду 50 мВ pp (от пика до пика).Каналы и схемы записи характеризуются конечным и постоянным входным импедансом, который в идеале должен быть высоким для нейронных приложений и выше, чем импеданс электрода, чтобы гарантировать целостность сигнала (Obien et al., 2015). Мы сравнили полученные импедансы электродов с входными сопротивлениями каналов записи для всего массива, чтобы охарактеризовать однородность импеданса на всем массиве. Мы также выполнили измерения импеданса трех стимулирующих электродов в PBS до и после проведения полного набора экспериментов по стимуляции в режиме тока и напряжения.После эксперимента импеданс изменился в среднем на 0,07 нФ (~ 5% от среднего значения импеданса электрода для Pt-черного).

COMSOL Simulations

Мы смоделировали распространение импульса стимуляции по массиву используемых многоэлектродных конфигураций в COMSOL Multiphysics 5.3a . Модель включает 4 основных компонента (библиотеки): геометрию, материалы, электрические токи и сетку. Для геометрии мы использовали конфигурацию из 36 плоских электродов с площадью поверхности 5 × 9 мкм 2 для каждого электрода и шагом 17.5 мкм, что соответствует характеристикам электрода HD-MEA. Внешний блок 500 × 500 × 100 мкм был добавлен в качестве раствора электролита. Четыре электрода сравнения (размеры 5 × 245 мкм 2 ) были размещены вокруг электродной решетки. Электроды моделировались с использованием платины в качестве электродного материала, а раствор электролита представлял собой физиологический раствор с электропроводностью 0,7 См · м -1 . Для получения электрических характеристик мы смоделировали стимуляцию напряжением.Мы использовали двухфазный анодно-катодный сигнал с амплитудой 100 мВ и длительностью 100 мкс на фазу. Библиотека электрического тока использовалась для моделирования распределения напряжения и электрического поля при стимуляции напряжением.

Мультиэлектродная стимуляция

Для реализации многоэлектродной стимуляции в режиме напряжения мы использовали специальный скрипт Python для управления двумя ЦАП для одновременной стимуляции двух электродов. В первой конфигурации мы применили двухфазный сигнал на одном электроде и такой же сигнал, но с противоположным знаком на соседнем электроде.Эта конфигурация ограничивала поток заряда через массив, что уменьшало расширение и распространение артефактов. Во второй конфигурации мы применили двухфазный сигнал к одному электроду и подключили соседний электрод к земле с намерением ограничить электрическое поле и распространение артефактов. Внешние электроды сравнения всегда оставались подключенными.

Наличие материалов

Адаптированные сценарии MATLAB и сценарии модели COMSOL, используемые для анализа данных на рисунках 2–6, доступны в следующем репозитории: ElectricalStimulation (ссылка: https: // github.com / sronchi / ElectricalStimulation). Кроме того, мы можем предоставить наборы необработанных данных (всего 10 ТБ) по разумному запросу.

Результаты

Артефакты возбуждения тока и напряжения

Основным ограничением любой электростимуляции является результирующий артефакт, который также закрывает считывание EAP в режимах тока и напряжения. Чтобы сравнить артефакты, возникающие во время стимуляции кортикальных нейронов напряжением и током, мы поместили около 15000 кортикальных нейронов на матрицу и пометили их нейронами с окрашиванием NeuroFluor NeuO вживую (рис. 1A) для идентификации отдельных нейронов.Мы определили наиболее подходящий электрод и наименьшую амплитуду сигнала стимуляции, которые могут вызвать EAP с 90% успешностью при 30 повторениях. Мы использовали двухфазные сигналы в обеих модальностях и сравнили случаи с похожими формами артефактов. Длительность была установлена ​​на 100 и 20 мкс на фазу для стимуляции напряжением и током соответственно. Различная продолжительность была следствием высокой эффективности стимулирующих буферов в токовом режиме, который показал надежную инжекцию заряда для длительностей более 18 мкс (дополнительные рисунки 3, 4).В текущем режиме буферы стимуляции могут обеспечивать резкую инжекцию заряда независимо от импеданса электрода. Однако в режиме напряжения самая короткая эффективная длительность импульса оказалась> 50 мкс (параграф 3.2, дополнительный рисунок 4) из-за различной конструкции буферов стимуляции (Ballini et al., 2014).

Рис. 1. (A) (слева направо) Чип HD-MEA, установленный на печатной плате, микрофотография чипа и увеличенная часть массива, включающая около 100 электродов с окрашенными живыми нейронами, выделенными зеленым цветом. .Электрод стимуляции, используемый в панели B , выделен красным. Снимок был сделан с использованием иммерсионной линзы 60 с увеличением × на периферии массива, где плотность клеток ниже. (B) Иллюстрация нейрона, помеченного на панели A , и соответствующих местоположений электродов с наложенными измеренными сигналами. (Слева) Спонтанные EAP, полученные после сортировки спайков. (В центре) EAP после текущей стимуляции выбранного нейрона. (Справа) EAP после стимуляции напряжением.Токовая стимуляция вызвала двухфазный анодно-катодный сигнал длительностью 20 мкс на фазу. Стимуляция напряжением вызывала двухфазный анодно-катодный сигнал длительностью 100 мкс на фазу. Использовались наименьшие амплитуды сигналов стимуляции, которые все еще вызывали AP 27 раз в течение 30 повторений (эффективность 90%). (C) Сигналы от трех считывающих электродов на панелях A и B (пронумерованные поля). (Слева) внеклеточные сигналы, зарегистрированные во время спонтанной нейрональной активности, состоящие из> 100 обнаруженных EAP.(В центре и справа) Внеклеточные сигналы, записанные с одних и тех же электродов во время 30 повторений стимуляции током и напряжением.

Поскольку длительность артефакта в основном определяется длительностью импульса стимуляции, более короткие импульсы тока производят более короткие, более легко обнаруживаемые и различимые артефакты AP, чем импульсы напряжения. Это показано на рисунках 1B, C. Для последнего не только были скрыты близлежащие внеклеточные AP, но и амплитуды артефактов также были значительно больше.В режиме напряжения вызванные EAP были смещены относительно базовой линии по сравнению со спонтанной активностью EAP, поэтому их не всегда можно было легко обнаружить с помощью отрицательного порога амплитуды (в четыре раза превышающего стандартное отклонение шума) для обнаружения пиков. . Только нейроны, производящие высокоамплитудные EAP, могли быть обнаружены с использованием отрицательного порога напряжения, в то время как другие нейроны не использовались для анализа.

Благодаря электродам высокой плотности короткий импульс стимуляции током позволил считывать сигнал и определять успех стимуляции уже на следующем соседнем электроде 17.5 мкм от места стимуляции (рисунки 1B, C, в центре и справа). После стимуляции аксональных компартментов, таких как AIS, можно было измерить сигналы в соответствующей соме клетки того же нейрона, что позволило однозначно определить успех стимуляции.

Влияние продолжительности, амплитуды и формы волны в режимах стимуляции напряжением и током

Хотя мы заметили, что HD-MEA производит меньшие артефакты в текущем режиме, мы хотели изучить соответствующие параметры, чтобы эффективно вызывать точки доступа как в режиме тока, так и в режиме напряжения.Стимуляция током является предпочтительной и используется во многих приложениях in vivo (Raspopovic et al., 2014) из-за того, что введенный заряд может быть определен независимо от импеданса. Тем не менее, стимуляция напряжением дает преимущество в точном контроле напряжения и предотвращении повреждения электрода или клетки / ткани в результате электролиза (более подробное обсуждение см. В разделе 2.6). В соответствии с предыдущими исследованиями электростимуляции in vitro (Wagenaar et al., 2004; Hottowy et al., 2012; Grosberg et al., 2017), мы исследовали различные параметры для режимов тока и напряжения. Наша стратегия заключалась в том, чтобы эффективно стимулировать нейроны в области AIS и затем считывать соответствующие вызванные потенциалы действия в соме клетки и нескольких других местах, что было возможно благодаря наличию большого количества электродов с высокой плотностью небольшие амплитуды сигналов, необходимые для стимуляции в AIS, и возможность доставки коротких и эффективных импульсов стимуляции (≥18 мкс).Для стимуляции напряжением мы использовали двухфазные катодно-анодные, двухфазные анодно-катодные, однофазные анодные и однофазные катодные формы волны. Протокол стимуляции включал четыре продолжительности для каждой формы волны и шесть амплитуд в рандомизированной последовательности (40, 80, 120, 160, 200 и 240 мВ от пика до пика). Нейроны стимулировали между 10 и 30 DIV. Электроды для стимуляции выбирали после идентификации пространственного распределения или электрического следа внеклеточных EAP отдельных нейронов. В качестве стимулирующих электродов были выбраны электроды, регистрирующие самые высокие амплитуды потенциалов действия одиночных нейронов, поскольку они предположительно располагались под нейрональными компартментами, наиболее чувствительными к стимуляции (Radivojevic et al., 2016; Баккум и др., 2018). Компартмент, производящий EAP с наибольшей амплитудой и наиболее чувствительный к стимуляции, был недавно идентифицирован как AIS (Radivojevic et al., 2016; Bakkum et al., 2018). Результаты показаны на рисунке 2A: показаны результаты стимуляции двух разных нейронов при приложении четырех форм волн напряжения стимуляции с разными амплитудами и длительностями. Было обнаружено, что однофазный катодный сигнал является наиболее эффективным при вызове AP в режиме напряжения, за ним следует двухфазный анодно-катодный сигнал.Однофазный анодный и двухфазный катодно-анодный формы волны имели более низкий КПД. Другой результат, который мы наблюдали, заключается в том, что длительность фазы 50 мкс была недостаточна для надежного вызова AP, тогда как не было большой разницы для длительностей фазы более 100 мкс. На рис. 2B показаны записанные формы сигналов напряжения и крупные планы успешных (AP был вызван, черный) и неудачных (без AP, зеленый) стимуляции, чтобы продемонстрировать, как выглядят EAP в присутствии артефактов стимуляции. Чтобы объединить результаты стимуляции в 2А, мы повторили рандомизированные протоколы с 16 дополнительными нейронами (рис. 2С).Мы определили размах напряжения (V pp ), который был необходим для вызова AP в 90% стимуляций за 30 повторов для этих клеток. Использовались и сравнивались две длительности фазы: 50 мкс (серый) и 100 мкс (зеленый). В верхней части графика указаны проценты сбоев при вызове точек доступа при использовании 4 сигналов с максимальной амплитудой до 240 мВ для двух разных длительностей. Полученные результаты подтвердили указанную выше низкую эффективность длительности фазы 50 мкс. При использовании длительности фазы 50 мкс, для успешной стимуляции следует доставить такой же заряд, как и при использовании 100 мкс, но время установления буферов стимуляции и импеданс электрода налагают ограничения на эффективность стимуляции при таких коротких длительностях фазы. (см. дополнительный рисунок 4).

Рисунок 2. (A) Результат стимуляции напряжением двух нейронов. Вверху отображаются четыре различных формы сигнала, которые использовались. На рисунке показано, что более низкие амплитуды напряжения достаточны для вызова AP при использовании однофазных катодных и двухфазных анодно-катодных сигналов. Длительность фазы 50 мкс была менее эффективной, чем длительность фазы 100, 150 и 200 мкс. Мы применили 30 повторов для каждой формы волны, длительности и амплитуды случайным образом. (B) Записанные сигналы напряжения, включая артефакт стимуляции для успешных и неуспешных стимуляций напряжения, отображаются для четырех форм волны стимуляции на панели A . Никаких мер по подавлению артефакта предпринято не было. Крупные планы показывают область, в которой в конечном итоге произошла реакция нейрона. Сигнал напряжения (только артефакт), записанный во время / после стимуляции, не вызвавшей AP, отображается зеленым цветом, сигналы напряжения (артефакт плюс наложенный нейронный ответ), записанные во время успешной стимуляции, отображаются черным. (C) Результаты стимуляции напряжением 16 нейронов. Точки представляют собой наименьшие напряжения (Vpp), которые вызвали AP в 90% стимуляций во время 30 повторений; длительность сигнала составляла 100 мкс на фазу (зеленые точки) или 50 мкс на фазу (серые точки). Вверху указаны проценты сбоев при вызове точек доступа при использовании 4 сигналов с амплитудами до 240 мВ для двух разных длительностей. (D) Наложение спонтанной активности нейрона (зеленый) и его реакции (серый) на стимуляцию напряжением через электрод, отмеченный черной звездой ( * ). (E) Окрашивание нейронов; ядра были окрашены синим (Hoechst), нейрональные структуры — красным (анти-MAP2), а AIS — зеленым (Ankyrin G). Электрод стимуляции обозначен прямоугольником (белый). На правом рисунке электродная матрица видна под стимулированными нейронами. Масштабная линейка: 35 мкм.

Чтобы подтвердить, что выбранные нейроны были эффективно стимулированы, мы наложили «электрические следы» спонтанной активности после сортировки спайков (с использованием UltraMegaSort) с пространственным распределением EAP, вызванных стимуляцией.Спонтанную активность регистрировали с помощью блока электродов высокой плотности в интересующей области в течение не менее 1 мин (> 100 EAP). Суперпозиция показывает пространственное и временное соответствие спонтанных и инициированных стимуляцией EAP. Однако амплитуды наложенных EAP не так просто сравнивать из-за артефакта стимуляции (рис. 2D). Четкая идентификация нейрона может быть выполнена с помощью его электрического «следа», пространственного распределения внеклеточных AP в сочетании с прямой конфокальной микроскопией.Используя эти особенности и методы, мы могли доказать, что действительно интересующий нейрон стимулировался в своей перисоматической области, поскольку считывание EAP того же нейрона было возможным, например, в соседней аксональной ветви. Стимуляция была очень избирательной, и отдельные нейроны можно было стимулировать, не вызывая EAP в соседних нейронах.

После выполнения протоколов электростимуляции выбранные нейроны окрашивали для корреляции морфологии нейронов с их пространственным распределением EAP, зарегистрированным через электроды.В частности, мы исследовали, какой нейрональный отсек был ближе всего к стимулирующему электроду. Мы заметили, что наиболее эффективный стимулирующий электрод был расположен в непосредственной близости от AIS (зеленое окрашивание AnkyrinG), что подтверждает предыдущие отчеты (Radivojevic et al., 2016; Bakkum et al., 2018) (Рисунок 2E).

Во второй серии экспериментов мы использовали аналогичные протоколы для режима стимуляции током, где мы исследовали влияние двух различных форм волны, а именно двухфазного анодно-катодного и трехфазного анодно-катодно-анодного (соотношение амплитуд 2: 3: 1) .Мы использовали пять длительностей фазы и восемь амплитуд сигналов в рандомизированной последовательности (42, 63, 84, 105, 126, 147, 168 и 189 нА). Монофазные формы волны не использовались, чтобы не нарушить балансировку заряда. Результаты двух различных стимулированных нейронов на рисунке 3А показывают, что две формы волны обеспечивают одинаковую эффективность при стимуляции целевых нейронов для разных длительностей фазы и амплитуды. На рисунке 3B показаны записанные формы волны напряжения и крупные планы успешных (AP был вызван, черный) и неудачных (без AP, красный) стимуляции, чтобы продемонстрировать, как выглядят EAP в присутствии артефактов стимуляции.Результаты можно сравнить с панелью 2B, на которой показаны сигналы для режима стимуляции напряжением. В режиме стимуляции напряжением AP всегда накладывается на артефакт, тогда как в текущем режиме вызванный EAP временно более четко отделен от артефакта и его намного легче обнаружить. Эта лучшая обнаруживаемость в некоторой степени является следствием меньшей продолжительности сигнала стимуляции в текущем режиме. Чтобы закрепить результаты стимуляции, мы повторили тот же рандомизированный протокол с 20 дополнительными нейронами с длительностью фазы 20 мкс.Несколько HD-MEA были использованы параллельно для ускорения экспериментов. Полученные результаты показаны на рисунке 3C. Все текущие события стимуляции, доставляющие заряды до 3 пКл, были успешными.

Рисунок 3. (A) Результаты текущей стимуляции двух нейронов. Вверху отображаются две использованные формы сигнала. Эффективность вызова AP почти одинакова для обоих сигналов. Было использовано 30 повторов для каждой формы волны, длительности фазы и амплитуды сигнала стимуляции случайным образом. (B) Записанные сигналы напряжения, включая артефакты стимуляции для успешной и неуспешной стимуляции током, отображаются для двух форм волны стимуляции на панели A . Никаких мер по подавлению артефакта предпринято не было. Крупные планы показывают область, в которой в конечном итоге произошла реакция нейрона. Сигнал напряжения (только артефакт), записанный во время / после стимуляции, которая не вызвала AP, отображается красным цветом, сигналы напряжения (артефакт плюс наложенный нейронный ответ), записанные во время успешной стимуляции, отображаются черным. (C) Отображаются текущие результаты стимуляции 20 нейронов. Точки представляют собой наименьшие заряды, вызвавшие AP в 90% стимуляций за 30 повторений; длительность сигнала составляла 20 мкс на фазу. (D) Наложение спонтанной активности нейрона (красный) и его реакции (серый) на стимуляцию током через электрод, отмеченный черной звездочкой ( * ).

Как и в случае стимуляции напряжением, наложение пространственного распределения сигналов EAP спонтанной активности и EAP, вызванного текущей стимуляцией, использовалось для подтверждения идентичности и успешной стимуляции целевых нейронов.Спонтанные и стимулированные EAP совпадают по времени, пространству и амплитуде (Рисунок 3D). Кроме того, считывающие электроды, расположенные очень близко к стимулирующему электроду, также давали четко определяемые сигналы. Результат на Рисунке 3D можно сравнить с Рисунком 2D для режима напряжения, где сравнение амплитуды было невозможно из-за большого артефакта.

Подводя итог, можно сказать, что наиболее эффективная стимуляция в режиме напряжения может быть достигнута при использовании монофазных катодных и двухфазных анодно-катодных сигналов с длительностью 100 мкс на фазу.В текущем режиме двухфазные и трехфазные сигналы демонстрируют одинаковую эффективность, но двухфазные сигналы короче трехфазных сигналов, что облегчает считывание EAP. Длительность 18–20 мкс на фазу доказала свою эффективность (дополнительный рисунок 3). Кроме того, мы заметили, что амплитуды артефактов больше для сигналов однофазной стимуляции напряжением и двухфазной стимуляции током. В случае обычно используемого режима стимуляции напряжением следует использовать двухфазную анодно-катодную форму волны, поскольку она представляет собой хорошее сочетание эффективности стимуляции и длительности артефакта.

Измерение импеданса для сравнения напряжения и тока стимуляции

Как упоминалось в разделе 3.2, стимуляция напряжением и током широко используется для стимуляции нейронов. Стимуляция напряжением дает преимущество в надежном предотвращении фарадеевских процессов за счет точного управления напряжением на электродах и поддержания его значительно ниже 0,8–1 В для предотвращения электролиза воды и повреждения элементов и электродов (Weiland et al., 2002; Wagenaar et al., 2004). Однако инжектируемый заряд нельзя контролировать и он является функцией импеданса электрода.С другой стороны, напряжение нельзя контролировать при использовании стимуляции током, поэтому в случае высокого импеданса могут возникнуть высокие напряжения на электродах, что может повлечь за собой нежелательные электрохимические процессы, повреждение ткани или деградацию электрода. Тем не менее, заряд, доставляемый электродом (а не путь заряда в препарате), можно точно контролировать, а потенциально короткие длительности стимуляции током влекут за собой короткие артефакты и быстрое восстановление до базовых значений.

Для лучшего сравнения эффективности и различий режимов стимуляции, контролируемых током и напряжением, в деполяризующих нейронных мембранах (от –70 до –55 мВ) и вызывающих ПД, необходимо также учитывать доставленный заряд.С этой целью мы разработали метод определения импеданса электродов, чтобы можно было рассчитать и сравнить инжекцию заряда импульсов напряжения и тока.

Мы подавали двухфазный импульс тока на электрод и использовали низкий коэффициент усиления ( G = 2) для считывания сигналов напряжения того же электрода (см. Параграф 2.7). Затем мы согласовали показания напряжения со стимулирующего электрода с теоретической моделью электрода (дополнительный рисунок 2 и рисунок 4A), используя только первую половину двухфазной анодно-катодной формы волны.Сопротивление переносу заряда Rct и емкость двойного слоя Cdl оставались неизвестными. После исследования ( n = 10) ярких Pt- и Pt-черных электродов мы обнаружили, что Cdl составлял 0,077 ± 0,0138 нФ для ярких Pt-электродов и 1,44 ± 0,15 нФ для Pt-черных электродов (рис. 4B). Результаты были получены с площадью электрода 5 × 9 мкм 2 .

Рис. 4. (A) Подгонка модели электрода к экспериментальным данным измеренных значений напряжения при приложении токового стимула к электроду.Для яркой Pt (Pt) стимуляция током выполнялась с помощью двухфазной анодно-катодной формы волны с амплитудой 140 нА, длительностью 1 мс на фазу и коэффициентом усиления считывающего усилителя 2. Для Pt-черного (PtB) амплитуда составляла 560 нА, длительность 2,5 мс на фазу, а коэффициент усиления усилителя считывания был равен 2. Различная длительность и амплитуда сигналов обусловлены насыщением канала считывания в случае яркой Pt как следствие более высокого импеданса. В обоих случаях только первая половина сигнала, т.е.е., положительная часть использовалась для подгонок и отображается. (B) Представлены значения емкости 10 электродов Pt и PtB. Значения были вычислены в результате установки в панели A путем установки емкости как неизвестного значения. (C) Заряды, необходимые для эффективной стимуляции напряжения и тока одного и того же нейрона. Для стимуляции током форма волны имела продолжительность 20 мкс на фазу, в то время как продолжительность стимуляции напряжением составляла 100 мкс на фазу.Протокол стимуляции включал 30 повторений каждой амплитуды стимуляции случайным образом. Для стимуляции током заряд был рассчитан как q = I × t , то есть произведение приложенного тока и времени. Для стимуляции напряжением заряд был рассчитан как q = C × Δ v , то есть как произведение вычисленной емкости и изменения напряжения при стимуляции.

Чтобы распространить эти результаты на большее количество электродов, мы применили синусоидальную стимуляцию к 26 400 электродам и доказали, что их импеданс (с точки зрения считывания напряжения) был однородным по всей матрице (см. Гистограммы на дополнительном рисунке 5).Это позволило нам использовать среднее значение емкости 1,44 нФ для Pt-черного для сравнения тока и напряжения стимуляции. Основываясь на полученных значениях емкости, мы рассчитали заряд, связанный со стимуляцией напряжением, и сравнили его со стимуляцией тока для того же нейрона (рис. 4C). Мы использовали двухфазные сигналы в обоих режимах с длительностью 20 мкс на фазу в режиме тока и 100 мкс на фазу в режиме напряжения. Мы использовали рандомизированные протоколы стимуляции, включающие 30 повторов каждой амплитуды сигнала стимуляции.Используя общую формулу конденсатора C = qΔv, мы обнаружили, что для одного и того же нейрона заряд, передаваемый посредством стимуляции напряжением, на два порядка больше, чем заряд, необходимый для достижения тех же результатов или эффективности стимуляции в режиме стимуляции током (рис. 4C). ). Наши результаты показывают, что текущая стимуляция, характеризующаяся постоянной скоростью инжекции заряда, демонстрирует более высокую эффективность в возбуждении нейронных ответов в отношении стимуляции напряжением, которая характеризуется экспоненциальным уменьшением инжекции заряда (см. Также дополнительный рисунок 1).Результаты еще 3 нейронов подтверждают те же порядки величин и различия зарядов для стимуляции током и напряжением (дополнительный рисунок 6). Эффективность стимуляции в режиме тока и напряжения также во многом зависит от реализации буфера стимуляции (Ballini et al., 2014).

Мультиэлектродная стимуляция

Массив плотно расположенных электродов позволяет применять различные конфигурации стимуляции, либо используя стандартный подход одноэлектродной стимуляции, либо выбирая несколько электродов одновременно для подачи сигналов или для заземления.Обычно все неиспользуемые электроды матрицы остаются плавающими и не имеют определенного потенциала. Использование соседних электродов в качестве стимулирующих электродов и электродов сравнения или заземления может создавать локально большую напряженность электрического поля, что, в свою очередь, может привести к более низким напряжениям, необходимым для стимуляции в режиме напряжения. Более того, можно стимулировать с помощью сигналов противоположного знака на соседних электродах, чтобы уменьшить и ограничить артефакты стимуляции.

Используя COMSOL Multiphysics, мы смоделировали распределение напряжения и электрического поля на массиве для различных конфигураций электродов-кандидатов, чтобы увидеть, может ли увеличение напряженности электрического поля повысить стимулируемость нейронов и уменьшить латеральное расширение артефактов.Были выбраны три конфигурации (рисунки 5A, B): (i, iv) стимуляция двухфазной формой волны напряжения (± 100 мВ) через один электрод против общего электрода сравнения в растворе; (ii, v) стимуляция двумя соседними электродами с использованием двухфазных волн напряжения (± 100 мВ) с противоположными знаками; (iii, vi) стимуляция двухфазной формой волны (± 100 мВ), подаваемой на один электрод, в то время как соседний электрод был заземлен. Все остальные электроды матрицы оставались плавающими.

Рисунок 5. (A) Упрощенная геометрия HD-MEA для моделирования в COMSOL: 36 плоских электродов с шагом 17,5 мкм и площадью 5 × 9 мкм 2 ; На границах массива размещалось 4 электрода сравнения. E1 и E2 обозначают электроды, которые использовались для моделирования в панели B . prb1 и prb2 обозначают два местоположения зонда, справа и слева от электрода E1, которые использовались для вычисления значений напряжения и электрического поля для трех конфигураций на панели B .Два местоположения зонда были выбраны так, чтобы сравнить эффект от использования второго матричного электрода. (B) Моделирование проводилось в режиме напряжения с использованием амплитуды ± 100 мВ. Распределения напряжения и электрического поля после стимуляции одним электродом относительно общего электрода сравнения в растворе представлены на панелях (i) и (iv), а для стимуляции двумя соседними электродами с синхронизированными формами волн противоположных знаков представлены на панелях (ii) ) и (v), а также для подачи двухфазного сигнала на один электрод, когда соседний электрод был заземлен, представлены на панелях (iii) и (vi).Электрическое поле (норма EF) рассчитывалось как Ex2 + Ey2 + Ez2. (C) Распределение напряжения (i, ii, iii) и электрического поля (iv, v, vi) в местах расположения датчиков в соответствующих конфигурациях (i – vi) панели B . Падение напряжения, отвечающее за инициирование ПД при электростимуляции, во всех случаях сопоставимо, за исключением двухэлектродной стимуляции (ii), где оно несколько снижается. Электрическое поле сильнее в случае двухэлектродной стимуляции (v). (D) Стимуляция двухфазной формой волны напряжения шести разных нейронов с использованием трех конфигураций, смоделированных в COMSOL на панели B . Были различия в напряжении, необходимом для возбуждения активности в разных нейронах (диапазон от 60 до 120 мВ), однако не было никаких серьезных различий для использования трех сценариев стимуляции, объясненных и отображенных на панели B .

Чтобы оценить, может ли одна из двух выбранных конфигураций с локальным заземлением или сигналом стимуляции противоположного знака повысить эффективность стимуляции за счет более высоких локальных падений напряжения или напряженности электрического поля, мы смоделировали два положения зонда с правой и левой стороны электрода E1 ( Рисунок 5А) на высоте 1 мкм над плоскостью электрода.Для конфигурации (i), один стимулирующий электрод против общего электрода сравнения, падение напряжения слева и справа от электрода было идентичным, потому что общий электрод сравнения находится далеко и расположен за пределами массива электродов. В конфигурации (iii) заземленный соседний электрод немного изменил падение напряжения в правом месте зонда. В конфигурации (ii), однако, приложение сигнала к соседнему второму электроду вызывало уменьшение падения напряжения в месте расположения правого зонда в результате приложенных напряжений противоположного знака (рис. 5C).Однако электрическое поле между двумя электродами было увеличено (v) (Рисунок 5C). Тем не менее, рассмотрение распределения напряжения вокруг стимулирующих электродов позволяет предположить сопоставимые результаты для всех конфигураций, даже с возможным снижением эффективности стимуляции для аксонов, которые будут проходить через центральную область между двумя электродами с сигналами противоположного знака.

Чтобы проверить симуляцию, мы затем проверили эффективность этих трех конфигураций в вызове AP в культурах нейронов на HD-MEA.Мы стимулировали шесть разных нейронов после того, как определили наиболее надежные электроды для вызова AP в соответствующих AIS. Сначала к одному электроду применялся случайный протокол стимуляции напряжением с использованием общего электрода сравнения на периферии массива. Была использована двухфазная волна стимуляции анодно-катодным напряжением, которая, как было доказано, была эффективной (раздел 3.2), с длительностью фазы 100 мкс и диапазоном амплитуд от 40 до 160 мВ. Затем мы повторили тот же протокол стимуляции, используя заземленный электрод сравнения рядом с электродом стимуляции, чтобы увеличить электрическое поле.Наконец, мы использовали два электрода, передающие волны противоположной формы для стимуляции, что еще больше увеличило локальное электрическое поле и, кроме того, уменьшило латеральное расширение артефакта (дополнительный рисунок 7). Во всех модальностях также оставались подключенными электроды сравнения по бокам решетки. Мы обнаружили различия в напряжении, необходимом для возбуждения активности в разных нейронах (диапазон от 60 до 120 мВ, рисунок 5D), однако мы не обнаружили существенных различий для использования трех сценариев стимуляции, объясненных, смоделированных и отображенных на рисунках 5B, C. .

Этот экспериментальный результат соответствует моделированию на рисунке 5C, который показывает сопоставимые уровни внеклеточного напряжения для всех трех конфигураций. Следовательно, на успешную стимуляцию и инициирование AP не сильно влияет применение трех различных конфигураций.

Повышение стимуляции развития клеток на ранних стадиях роста и развития нейронов

Чтобы оценить, коррелирует ли способность стимулировать нейроны со временем культивирования клеток и ростом AIS, мы наблюдали и стимулировали отдельные нейроны во время различных DIV.Временные точки эксперимента составляли 14, 17, 20 и 23 DIV. Мы использовали NeuroFluor NeuO для окрашивания нейронов вживую (рис. 6А). Чтобы убедиться в эффективности окрашивания, мы повторяли окрашивание перед каждым экспериментом. Идентифицировали изолированные клетки, и для стимуляции использовали от трех до шести стимулирующих электродов. Мы выбрали наиболее эффективный стимулирующий электрод, который был электродом с самым высоким показанием внеклеточного напряжения (AIS), для выполнения протокола стимуляции. Мы использовали рандомизированный протокол текущей стимуляции, чтобы избежать адаптации нейронов (Grubb and Burrone, 2011).Использование текущей стимуляции было мотивировано уменьшением артефактов (параграф 3.1) и более надежным считыванием AP (параграф 3.2). Использовалась двухфазная анодно-катодная форма волны длительностью 20 мкс на фазу. Мы наблюдали, что в течение 10 DIV нейроны перемещались максимум на два расстояния между электродами, что равно 35 мкм. В случае, если нейроны перемещались на расстояние одного электрода или более, электрод стимуляции также меняли. Если нейроны не двигались, наиболее эффективный стимулирующий электрод оставался прежним (рис. 6А).Движение оценивали с помощью электрического «изображения» и одновременной вертикальной конфокальной визуализации. Мы отслеживали положение сомы по отношению к положению стимулирующего электрода в течение дней эксперимента. Результаты показывают, что амплитуды стимуляции, необходимые для вызова AP, уменьшились в течение первой половины эксперимента (с DIV 14 до DIV 20) и стабилизировались около DIV 20 и 23 (Фигуры 6B, C). Увеличение амплитуды стимуляции было в основном связано с движением нейрона и изменением относительного положения по отношению к стимулирующему электроду, как очевидно, например.g. на дополнительном рисунке 8 для дня 20. Мы также записали и сравнили EAP спонтанной нейрональной активности по различным DIV, чтобы гарантировать идентичность соответствующих нейронов. Чтобы проверить, коррелировало ли увеличение стимуляции с ростом AIS, мы окрашивали нейроны в DIV 10, 14, 17, 20 и 23 и вычисляли длину N = 40 AIS. Мы обнаружили, что существует тенденция к увеличению средней длины AIS с увеличением DIV (рис. 6D).

Рисунок 6. (A) Наложение флуоресцентного изображения и электрического следа одного и того же нейрона на DIV 14, 17, 20. Стимулирующие электроды, используемые для анализа, обозначены красным прямоугольником. Электрод стимуляции менял положение при движениях нейрона во время эксперимента. Сигналы, записанные на разных электродах, отображаются белым цветом (электрический след). Горизонтальная шкала: 50 мкм, вертикальная шкала: 100 мкВ. (B) Кривые активации текущей стимуляции нейрона на панели A во времени (DIV).Амплитуды стимуляции, необходимые для вызова AP, уменьшились между DIV 14 и 20. (C) Эксперименты по стимуляции для N = 8 нейронов. Для каждого нейрона амплитуды стимуляции были нормализованы до наивысшей амплитуды, которая была необходима для вызова AP в 90% раз за 30 повторений во время DIVs 14–23. Стимулируемость варьировалась от нейрона к нейрону. Мы наблюдали тенденцию уменьшения амплитуд стимуляции между 14 и 20 DIV, а затем стабилизацию между 20 и 23 DIV.Средняя относительная амплитуда тока стимуляции представлена ​​черными точками. (D) Образцы окрашивания под микроскопом, показывающие фиксированные нейроны в DIV 10, 14, 17, 20, 23. Ядра представлены синим, нейроны — красным, а AIS — зеленым. 5 нейронов представлены черными точками на панели E . Масштабная линейка 35 мкм. (E) Длины AIS и их распределение во времени: DIV 10, 14, 17, 20, 23. Средняя длина имеет тенденцию немного увеличиваться со временем in vitro ( N = 40).

Обсуждение

В этом исследовании мы показали, что можно выборочно и надежно стимулировать отдельные нейроны, подавая импульсы тока и напряжения через 26 400 электродов HD-MEA. Мы протестировали различные формы волн стимуляции, длительность и амплитуду в режиме напряжения и тока. Мы продемонстрировали, что можем стимулировать отдельные нейроны, комбинируя высокоплотную запись потенциалов действия одного нейрона с иммуноокрашиванием и конфокальной микроскопией.Предыдущие исследования (Wagenaar et al., 2004) показали, что в режиме напряжения двухфазная анодно-катодная форма волны была наиболее эффективной для селективной стимуляции, за которой следовала катодно-анодная волна. Мы обнаружили, что наиболее эффективной формой волны стимуляции является монофазная катодная волна, за которой следует двухфазная анодно-катодная, путем сравнения V pp для той же ширины импульса (рис. 2). Однако важно отметить, что мы использовали значительно более низкие напряжения стимуляции (80 мВ pp ), так как мы могли нацеливаться на наиболее чувствительную область нейрона, AIS, для стимуляции.Более того, в исследовании Wagenaar et al. Мы использовали электроды гораздо меньшего размера по сравнению с электродами диаметром 30 мкм. (2004). В текущем режиме мы подтвердили, что трехфазная форма волны является эффективным сигналом стимуляции, который производит сравнительно меньшие артефакты, чем двухфазный (Grosberg et al., 2017). По сравнению с предыдущими результатами, мы смогли улучшить селективность благодаря высокой плотности электродов и неотъемлемой возможности направленного нацеливания на нейроны и их AIS (Radivojevic et al., 2016). Следовательно, мы могли стимулировать сравнительно низкими зарядами в несколько пикокулонов (рис. 3). Кроме того, маленькие электроды обеспечивали достаточную плотность стимулирующего заряда даже при малых приложенных напряжениях.

При сравнении параметров стимуляции тока и напряжения для нашего HD-MEA, мы обнаружили, что для эффективного вызова EAP в режиме напряжения требуется длительность формы волны 100 мкс на фазу. В текущем режиме вместо этого требовалась длительность всего 20 мкс на фазу, что влекло за собой более короткую продолжительность артефакта.Однако необходимо отметить, что возможная более короткая продолжительность сигнала в текущем режиме также была следствием времени установления наших буферов стимуляции. Согласно нашим измерениям, текущая стимуляция является предпочтительным методом стимуляции, что согласуется с сообщениями в литературе (Grosberg et al., 2017; Fan et al., 2019). При использовании стимуляции током стало возможным использовать уже следующие соседние электроды с шагом 17,5 мкм от стимулирующего электрода для записи EAP (Рисунки 1, 2).Благодаря высокому пространственному разрешению и плотной упаковке электродов матрицы можно было считывать электрическую активность в соме клетки при одновременной стимуляции AIS той же самой клетки, так что можно было точно оценить успех и эффективность стимуляции.

Основываясь на наших экспериментах, мы оценили стимуляцию током как более эффективную, чем стимуляцию напряжением при вызове AP с помощью нашего HD-MEA. Чтобы дополнительно проверить это предположение, мы определили импедансы электродов путем измерения и моделирования показаний напряжения при применении токовой стимуляции (Franks et al., 2005). Подгонка данных измерений к модели вернула значения емкости ∼1,4 нФ для Pt-черного и ∼0,07 нФ для ярких Pt-электродов. Мы использовали эти значения емкости для сравнения кривых активации напряжения и тока и обнаружили, что заряд, необходимый для активации AP в режиме тока, действительно на два порядка величины ниже, чем в режиме напряжения (рисунок 4). Эффективность стимуляции в режиме тока и напряжения также зависит от реализации буфера стимуляции (Ballini et al., 2014).

Затем мы сравнили различные конфигурации электродов, которые обеспечивали повышенную напряженность электрического поля, по сравнению с использованием одного электрода против общего электрода сравнения в растворе. Однако, как показано на рисунке 5D, эффективность стимуляции оказалась в одном и том же диапазоне для разных нейронов.

Используя короткую продолжительность артефакта при использовании текущего режима, мы наконец изучили стимулируемость нейронов во время развития и роста клеток. Наша гипотеза заключалась в том, что развитие АИС со временем увеличит стимуляцию нейронов.Мы объединили окрашивание в реальном времени и электрические записи / стимуляцию, чтобы следить за развитием нейронов в течение нескольких дней. Самой сложной процедурой во время экспериментов было выявление более или менее изолированных нейронов на матрице и в культуре, а затем отслеживание их в течение нескольких дней во время экспериментов. Несколько нейронов пришлось выбросить из-за гибели клеток во время экспериментов или потому, что мы не могли отслеживать их во время эксперимента. Тем не менее, мы наблюдали уменьшение амплитуд стимуляции, чтобы вызвать AP, что было коррелировано с увеличением длины AIS (Рисунок 6).

Таким образом, эта работа представляет собой всестороннее исследование электростимуляции с помощью микроэлектродов HD-MEA и показывает способы реализации стимуляции одиночного нейрона. Выбор оптимальных параметров стимуляции может оказаться эффективным для других приложений in vitro , таких как контроль разрыва нейронной сети посредством электрической стимуляции (Wagenaar et al., 2005), или для ex vivo стимуляций , например, в препараты сетчатки или срезы головного мозга. Мы думаем, что методы стимуляции in vivo и (эпиретинальные имплантаты) также могут извлечь выгоду из результатов этой статьи, чтобы реализовать целевую стимуляцию отдельных нейронов.Доставленные заряды для деполяризации нейрональных мембран составили 0,02 пКл / мкм 2 с нашим HD-MEA, в то время как, например, имплантаты сетчатки в настоящее время работают с 3,5 пКл / мкм 2 (Ahuja et al., 2013). Небольшой размер электродов и их плотная упаковка могут оказаться полезными для стимуляции нейронов и могут повысить точность стимуляции протезных имплантатов при одновременном снижении энергопотребления.

Доступность данных

Наборы данных, созданные для этого исследования, доступны по запросу соответствующему автору.

Авторские взносы

SR, MF, JM, VV, UF и AH выполнили экспериментальный дизайн. SR и CM провели эксперименты и анализ данных. MF, JM и VV оказали техническую поддержку. SR и AH написали рукопись. MF, CM, VV, JM и UF просмотрели рукопись. AH курировал проект.

Финансирование

Эта работа была поддержана Европейским сообществом через продвинутый грант 694829 Европейского исследовательского совета «neuroXscales» и грант Швейцарского национального научного фонда 205321_157092 / 1 («Axons»).Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Заявление о конфликте интересов

MF, JM и UF являются соучредителями MaxWell Biosystems AG, занимающейся коммерциализацией технологии HD-MEA.

Остальные авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Благодарим Александра Стеттлера и Питера Римпфа за постобработку CMOS-чипов.Мы также благодарим сотрудников службы поддержки D-BSSE за помощь с экспериментами, в частности Марио Модена и Массимилиано Гусмароли за поддержку COMSOL и Синью Юаня за электронные симуляции. Наконец, мы признательны профессору Эдварду Зеллерсу из Мичиганского университета за ценные комментарии к рукописи.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnins.2019.00208/full#supplementary-material

Список литературы

Ахмадиан, Ю., Пакер, А.М., Юсте, Р., и Панински, Л. (2011). Разработка оптимальных стимулов для контроля времени спайков нейронов. J. Neurophysiol. 106, 1038–1053. DOI: 10.1152 / jn.00427.2010

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ахуджа, А.К., Йео, Дж., Дорн, Дж. Д., Каспи, А., Вуйюру, В., МакМахон, М. Дж. И др. (2013). Факторы, влияющие на порог восприятия у пациентов с протезами сетчатки Argus II. Пер. Vis. Sci. Technol. 2: 1. DOI: 10.1167tvst.2.4.1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Armenta Salas, M., Bashford, L., Kellis, S., Jafari, M., Jo, H., Kramer, D., et al. (2018). Проприоцептивные и кожные ощущения у людей, вызванные внутрикортикальной микростимуляцией. eLife 7: e32904. DOI: 10.7554 / eLife.32904

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Баккум Д. Дж., Обьен М. Е. Дж., Радивоевич М., Якель Д., Фрей Ю., Такахаши Х. и др. (2018). Начальный сегмент аксона вносит основной вклад в ландшафт внеклеточного электрического потенциала нейрона. Adv. Биосист. 3: 1800308. DOI: 10.1002 / adbi.201800308

CrossR

Установка и замеры заземляющих электродов


Очень эффективный метод обеспечения заземления с низким сопротивлением — это закопать проводник в виде замкнутого контура в грунт на дне котлована под фундамент здания.

Сопротивление R такого электрода (в однородной почве) выражается (приблизительно) в омах следующим образом: R = 2ρL {\ displaystyle {\ mbox {R}} = {\ frac {2 \ rho} {\ mbox {L }}}}

где

L = длина подземного проводника в метрах
ρ = удельное сопротивление грунта в ом-метрах

Качество заземляющего электрода (как можно более низкое сопротивление) в основном зависит от двух факторов:

  • Способ установки
  • Тип грунта

Способы укладки

Мы обсудим три основных типа установки:

Кольцо закопанное

(см. рис. E20)

Это решение настоятельно рекомендуется, особенно в случае нового здания.

Электрод следует закопать по периметру выемки под фундамент. Важно, чтобы неизолированный проводник находился в непосредственном контакте с почвой (а не помещался в гравий или твердый заполнитель, часто служащий основой для бетона). По крайней мере, четыре (широко разнесенных) вертикально расположенных проводника от электрода должны быть предусмотрены для монтажных соединений и, где это возможно, любые арматурные стержни в бетонных работах должны быть подключены к электроду.

Проводник, образующий заземляющий электрод, особенно когда он прокладывается в котловане под фундамент, должен находиться в земле, по крайней мере, на 50 см ниже твердого или заполненного основания бетонного фундамента. Ни электрод, ни вертикальные проводники, ведущие на первый этаж, никогда не должны соприкасаться с бетонным основанием.

В существующих зданиях провод электрода должен быть закопан вокруг внешней стены помещения на глубину не менее 1 метра.Как правило, все вертикальные соединения от электрода до уровня земли должны быть изолированы на номинальное напряжение НН (600-1000 В).

Проводники могут быть:

  • Медь: неизолированный кабель (≥ 25 мм 2 ) или многополосный (≥ 25 мм 2 ) и (≥ 2 мм толщиной)
  • Алюминий со свинцовой оболочкой: кабель (≥ 35 мм 2 )
  • Трос из оцинкованной стали: неизолированный кабель (≥ 95 мм 2 ) или многополосный (≥ 100 мм 2 и толщиной ≥ 3 мм)

Приблизительное сопротивление R электрода в омах: R = 2ρL { \ Displaystyle {\ mbox {R}} = {\ гидроразрыва {2 \ rho} {\ mbox {L}}}}

где

L = длина проводника в метрах
ρ = удельное сопротивление почвы в ом-метрах (см. Влияние типа почвы)

Фиг.E20 — проводник заглублен ниже уровня фундамента, т.е. не в бетоне

Заземляющие стержни

(см. , рис. E21)

Для n стержней: R = 1n ρL {\ displaystyle {\ mbox {R}} = {\ frac {1} {\ mbox {n}}} \ {\ frac {\ rho} {\ mbox {L}}} }

Заземляющие стержни с вертикальным приводом часто используются в существующих зданиях, а также для улучшения (т.е. уменьшения сопротивления) существующих заземляющих электродов.

Стержни могут быть:

  • Медь или (чаще) плакированная медью сталь.Последние обычно имеют длину 1 или 2 метра и снабжены резьбовыми концами и муфтами для достижения значительных глубин, если это необходимо (например, уровня грунтовых вод в районах с высоким удельным сопротивлением почвы).
  • Оцинкованная [1] стальная труба диаметром ≥ 25 мм или стержень диаметром ≥ 15 мм, длина ≥ 2 метра в каждом случае.

Рис. E21 — Параллельно подключенные заземляющие стержни

Часто необходимо использовать более одного стержня, и в этом случае расстояние между ними должно превышать глубину, на которую они вводятся, в 2–3 раза.

Общее сопротивление (в однородной почве) тогда равно сопротивлению одного стержня, разделенному на количество рассматриваемых стержней.

Полученное приблизительное сопротивление R: R = 1n ρL {\ displaystyle {\ mbox {R}} = {\ frac {1} {\ mbox {n}}} \ {\ frac {\ rho} {\ mbox { L}}}} если расстояние между стержнями> 4L

где

L = длина стержня в метрах
ρ = удельное сопротивление грунта в ом-метрах (см. Влияние типа грунта)

Вертикальные тарелки

(см. рис. E22)

Для вертикального пластинчатого электрода: R = 0,8 ρL {\ displaystyle {\ mbox {R}} = {\ frac {0,8 \ \ rho} {\ mbox {L}}}}

Прямоугольные пластины, каждая сторона которых должна быть ≥ 0,5 метра, обычно используются в качестве заземляющих электродов, закапываемых в вертикальной плоскости так, чтобы центр пластины находился как минимум на 1 метр ниже поверхности почвы.

Таблички могут быть:

  • Медь толщиной 2 мм
  • Оцинкованная сталь [1] Сталь толщиной 3 мм

Сопротивление R в Ом выражается (приблизительно) как: R = 0.8 ρL {\ Displaystyle {\ mbox {R}} = {\ frac {0.8 \ \ rho} {\ mbox {L}}}}

где

L = периметр плиты в метрах
ρ = удельное сопротивление грунта в ом-метрах (см. Влияние типа грунта)

Рис. E22 — Вертикальная пластина — толщина 2 мм (Cu)

Влияние типа почвы

Измерения на заземляющих электродах в аналогичных почвах полезны для определения значения удельного сопротивления, применяемого при проектировании системы заземляющих электродов.

Фиг.E23 — Удельное сопротивление (Ом · м) для разных типов грунта

Тип почвы Среднее значение удельного сопротивления в Ом · м
Болотистая почва, болота 1–30
Ил аллювий 20–100
Гумус, листовая плесень 10–150
Торф, дерн 5–100
Мягкая глина 50
мергель и уплотненная глина 100–200
Юрский мергель 30–40
Песок глинистый 50–500
Кремнистый песок 200–300
Каменная земля 1,500–3,000
Травяно-каменистый грунт 300–500
Меловая почва 100–300
известняк 1 000–5 000
известняк трещиноватый 500–1000
Сланец, сланец 50–300
слюдяной сланец 800
Гранит и песчаник 1 500–10 000
Модифицированный гранит и песчаник 100–600

Фиг.E24 — Средние значения удельного сопротивления (Ом · м) для приблизительного размера заземляющего электрода

Тип почвы Среднее значение удельного сопротивления в Ом · м
Плодородная почва, уплотненная влажная насыпь 50
Засушливый грунт, гравий, неуплотненный неравномерный насыпь 500
Каменистая почва, голый сухой песок, трещиноватые породы 3000

Измерение и постоянство сопротивления между заземляющим электродом и землей

Сопротивление поверхности раздела электрод / земля редко остается постоянным

Среди основных факторов, влияющих на это сопротивление, следующие:

Сезонные изменения влажности почвы могут быть значительными на глубине до 2 метров.
На глубине 1 метр удельное сопротивление и, следовательно, сопротивление может изменяться в соотношении от 1 к 3 между влажной зимой и засушливым летом в регионах с умеренным климатом
Мерзлота может увеличить удельное сопротивление почвы на несколько порядков. величина. Это одна из причин для рекомендации установки глубоких электродов, особенно в холодном климате
Материалы, используемые для электродов, обычно в некоторой степени портятся по разным причинам, например:
  • Химические реакции (в кислых или щелочных почвах)
  • Гальванический: из-за паразитных постоянных токов в земле, например, от электрических железных дорог и т. Д.или из-за разнородных металлов, образующих первичные клетки. Различные почвы, действующие на участки одного и того же проводника, также могут образовывать катодные и анодные области с последующей потерей поверхностного металла на последних участках. К сожалению, наиболее благоприятными условиями для низкого сопротивления заземляющего электрода (т. Е. Низкого удельного сопротивления грунта) также являются те, в которых легче всего протекают гальванические токи.
Паяные и сварные соединения и соединения являются точками, наиболее чувствительными к окислению.Обычно в качестве профилактических мер используется тщательная очистка нового стыка или соединения и обертывание подходящей липкой лентой.

Измерение сопротивления заземляющего электрода

Всегда должна быть одна или несколько съемных перемычек для изоляции заземляющего электрода, чтобы его можно было проверить.

Всегда должны быть съемные перемычки, которые позволяют изолировать заземляющий электрод от установки, чтобы можно было проводить периодические испытания сопротивления заземления.Для проведения таких испытаний требуются два вспомогательных электрода, каждый из которых представляет собой стержень с вертикальным приводом.

  • Метод амперметра (см. Рис. E25)

Рис. E25 — Измерение сопротивления заземления заземляющего электрода установки с помощью амперметра

A = RT + Rt1 = UTt1i1 {\ displaystyle A = R_ {T} + {R_ {t1}} = {\ frac {U_ {Tt1}} {i_ {1}}}}

B = Rt1 + Rt2 = Ut1t2i2 {\ displaystyle B = R_ {t1} + R_ {t2} = {\ frac {U_ {t1t2}} {i_ {2}}}}

C = Rt2 + RT = Ut2Ti3 {\ displaystyle C = R_ {t2} + R_ {T} = {\ frac {U_ {t2T}} {i_ {3}}}}

Когда напряжение источника U является постоянным (устанавливается на одно и то же значение для каждого теста), тогда:

RT = U2 (1i1 + 1i3−1i2) {\ displaystyle R_ {T} = {\ frac {U} {2}} \ left ({\ frac {1} {i_ {1}}} + {\ frac {1} {i_ {3}}} — {\ frac {1} {i_ {2}}} \ right)}

Во избежание ошибок из-за паразитных токов заземления (гальванических, постоянных или токов утечки из силовых и коммуникационных сетей и т. Д.) Испытательный ток должен быть переменным, но с частотой, отличной от частоты энергосистемы или любого из его гармоники.Приборы, использующие для этих измерений генераторы с ручным приводом, обычно вырабатывают переменное напряжение с частотой от 85 до 135 Гц.

Расстояния между электродами не критичны и могут отличаться от исследуемого электрода в зависимости от условий на месте. Для перекрестной проверки результатов обычно проводится ряд тестов на разных расстояниях и направлениях.

  • Использование омметра сопротивления заземления с прямым отсчетом

В этих приборах используется ручной или электронный генератор переменного тока вместе с двумя вспомогательными электродами, расстояние между которыми должно быть таким, чтобы зона воздействия электрода Тестируемый электрод не должен перекрывать электрод (C).Тестовый электрод (C), наиболее удаленный от тестируемого электрода (X), пропускает ток через землю и тестируемый электрод, в то время как второй тестовый электрод (P) принимает напряжение. Это напряжение, измеренное между (X) и (P), связано с испытательным током и является мерой сопротивления контакта (тестируемого электрода) с землей. Ясно, что расстояние от (X) до (P) должно быть тщательно выбрано для получения точных результатов. Однако, если расстояние от (X) до (C) увеличивается, зоны сопротивления электродов (X) и (C) становятся более удаленными друг от друга, и кривая потенциала (напряжения) становится более горизонтальной относительно точку (O).

Таким образом, при практических испытаниях расстояние от (X) до (C) увеличивается до тех пор, пока не будут сняты показания электрода (P) в трех разных точках, то есть в (P) и примерно на 5 метрах с каждой стороны от (P), дают аналогичные значения. Расстояние от (X) до (P) обычно составляет около 0,68 расстояния от (X) до (C).

Рис. E26 — Измерение сопротивления массы заземляющего электрода (X) с помощью омметра для проверки заземляющих электродов

  • [a] принцип измерения основан на предполагаемых однородных почвенных условиях. 1 2 Если для заземляющих электродов используются оцинкованные проводящие материалы, могут потребоваться протекторные аноды катодной защиты, чтобы избежать быстрой коррозии электродов в местах с агрессивной почвой. Специально подготовленные магниевые аноды (в пористом мешке, заполненном подходящей «почвой») доступны для прямого подключения к электродам. В таких условиях специалист по электродам

  • — Nechronica Wiki Translation Project

    Из проекта переводов Nechronica Wiki

    Перейти к навигации Перейти к поиску

    Электроды Tier 1 [править]

    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Головка Ускоритель Авто Нет Самостоятельная
    Эффект Во время фазы битвы вы можете снизить стоимость маневра Время: Быстрый на 1 (минимальная стоимость 1).
    Описание Ваше тело движется быстрее других. Судите мгновенно. Когда необходимо действовать, это ясно проявляется
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Оружие Блиц Ракушка Действие 3 0-1
    Эффект Атака без оружия 1 + взрывчатка.
    Описание Механизм для отстрела заряженных в теле пуль электричества.Часто помещается в ладонь или руку
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Любая Схемы Авто Нет Самостоятельная
    Эффект Максимальное количество очков действия +1. Когда эта Часть сломана, сломайте любую из своих частей.
    Описание Электронная схема, помогающая телу двигаться и ускоряться.Короткое замыкание в теле
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Любая Electric Bond Rapid 0 Самостоятельная
    Эффект Можно использовать, только если эта деталь сломана. Восстановите эту часть.
    Описание Детали, которые автоматически ремонтируются при прохождении электричества и прилипании.Хотя это неуместно, но становится отличной приманкой.
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Любая Электрическая катушка ед. Урона 1 Самостоятельная
    Эффект Можно использовать только при получении урона. Вы можете изменить место атаки на местоположение этой Части. Можно использовать любое количество раз за раунд.
    Описание Электромагнит, который создает магнитную силу, включая и выключая электричество.Вы можете настроить деталь на удар, вызвав атаку
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Головка Электронный наркотик Авто Нет Самостоятельная
    Эффект Вы можете добавить +1 к проверкам безумия. Когда эта Часть ломается, вы должны пройти проверку на безумие.
    Описание Электронный наркотик, который может течь в вашей голове в любое время.Использовать, например, можно на время отвратительные вещи. Вместо этого на пушистые вещи.
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Любая Большая шахта Rapid 2 0
    Эффект Используется только тогда, когда цель использует маневр Действия, и только против этой цели. Доставьте значение проверки 7 «Взрывная атака 2 + взрывчатка» (тайминги проверки и быстрой не выполняются).
    Описание Большая детонация от датчиков, проводов, пульта дистанционного управления и т. Д. Типа наземных мин нежити. Мощное оружие, разносящее половину тела.
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Оружие Парализатор Действие 3 0-1
    Эффект Дальняя атака 1, +2 к проверке атаки.Когда этот маневр оказывается критически успешным, он получает эффект Шатания. Этот маневр не получает дополнительного урона от критического успеха проверки атаки.
    Описание Пистолет, разработанный для подавления мобов. Его немного неудобно использовать в качестве оружия для остановки движения нежити.
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Торс Восстановление Rapid 0 Самостоятельная
    Эффект Повредить эту деталь.Восстановите один электрод или часть улучшения по вашему выбору, кроме восстановления.
    Описание Агрегат для ремонта техники. Если через него проходит электричество, вы можете восстановить большую его часть.
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Головка Датчик Проверить 0 0-1
    Эффект Можно использовать только при проверке атаки.Мешать 1.
    Описание Отличный датчик, который распознает опасность и заранее информирует нас. Идеально, если вы избегаете только атак.
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Любая Искровая бомба Действие 2 0
    Эффект Взрывная атака 2 + взрывчатка. Когда вы используете этот маневр, во время определения времени повреждения сломайте любую из своих частей.
    Описание Взрывное устройство, взрывающее часть тела. Включая себя. Однако его мощность огромна.
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Головка Стабилизатор Проверить 0 Самостоятельная
    Эффект Поддержка 2. Даже если маневр Атаки, к которому был применен этот эффект, успешно прошел проверку Атаки, не добавляйте дополнительный урон.
    Описание Исправьте небольшие встряски и мелкие движения при перемещении телесного аппарата. Конечно, я могу изменять только свои движения

    Электроды Tier 2 [править]

    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Ножки Blade Skating Действие 2 0
    Эффект После объявления выберите один эффект: «Атака в ближнем бою 1 + Расчленение» или «Движение 1 (в этом случае диапазон становится« самим »)».Разрешите этот маневр.
    Описание Обувь для коньков с круглыми лезвиями, вращающимися с высокой скоростью. Хорошо подходит для движения и атаки.
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Любая Bolt Strike ед. Урона 0 Самостоятельная
    Эффект Вы можете использовать это только когда наносите урон. Получите эффект взрыва.
    Описание
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Любая Покрытие Авто Нет Самостоятельная
    Эффект Во время отсчета урона вы получаете 1 Защиту на экипированную локацию.
    Описание Обработка поверхности металлом или резиной для защиты определенных деталей.Эффективно защищает опасные грузы и важные вещи.
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Ножки Приводной вал Авто Нет Самостоятельная
    Эффект Вы можете добавить +1 к проверкам атаки для локации «Ноги». Маневры атаки.
    Описание
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Оружие Электромагнитный импульс Проверить 0 0 ~ 1
    Эффект Нельзя использовать на себе.Цель перебрасывает кубик для проверки.
    Описание
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Оружие Laser Spray Действие 2 0-2
    Эффект Дальняя атака 2 + взрывчатка. Для каждой зоны расстояния от вас до цели -1 к Проверке Атаки.
    Описание Огнестрельное оружие, которое рассеивает и излучает лазер, как дробовик.Чем ближе противник, тем он эффективнее.
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Головка Механическое руководство Авто Нет Самостоятельная
    Эффект Увеличьте ценность вашей поддержки на +1.
    Описание Искусственная механизация, обеспечивающая точное движение в единицах тела 1 мм.Обеспечим более эффективную поддержку
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Торс Портативный аккумулятор Авто Нет Самостоятельная
    Эффект В начале Раунда вы можете повредить эту деталь. Только в этом раунде ваша максимальная AP +2.
    Описание Маленькая батарея, которую можно носить с собой.Временно получить высокую мобильность, однако его нельзя использовать постоянно
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Любая Реактор Действие 0 Самостоятельная
    Эффект Можно использовать только один раз за счет. Вы можете использовать один маневр «Время: быстрая атака» как «Время: действие».
    Описание Пассивный элемент, который сглаживает ток и стабилизирует движение куклы.Прямоугольный параллельный трубопровод, состоящий из катушек и других частей.
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Любая Оглушающая граната Rapid 2 См. Ниже
    Эффект Только этот счет, все участники на Этапе Битвы имеют штраф -2 к Проверкам Атаки. Этот эффект нельзя применять несколько раз к одному и тому же вычислению.
    Описание
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Торс Транзистор Авто Нет Самостоятельная
    Эффект Только если у вашего торса есть неповрежденная часть с маневром, увеличивающим максимальную AP (исключая портативную батарею и ограничитель), вы получаете +2 к максимальному AP.
    Описание Устройство, усиливающее ток, протекающий в теле. Собираюсь усилить до последнего Поэтому одно это устройство бессмысленно.
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Торс Напряжение Действие 1 Самостоятельная
    Эффект Разрешить повторное использование одного параметра Диапазон: Самостоятельный маневр, Время: Быстрый или Время: Проверить.
    Описание Ток, тянущий тело, вытягивает способность обманывать тело и обмануть мозг, превышая предел. Снимите свои ограничения!

    Электроды Tier 3 [править]

    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Рычаг Заряженный выстрел Действие 2 1 ~ 2
    Эффект После объявления выберите один эффект: «Взрывная атака 2 + взрывчатка» или «Во время этого раунда ваш следующий [Заряженный выстрел] получает бонус +2 к урону (не может складываться).Разрешите этот эффект.
    Описание
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Торс Генератор Авто Нет Самостоятельная
    Эффект +2 к максимуму AP. Когда эта часть повреждена в фазе битвы, против вас происходит атака «Взрыв 2 + взрыв + область» со значением проверки 8.Однако для этого эффекта не используются тайминги «Быстрый» и «Проверка».
    Описание
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Любая Молния Действие 2 0
    Эффект Атака без оружия 3 + взрывчатка. После того, как этот маневр был использован, вы не можете использовать его снова во время той же Фазы, если только вы не уменьшите свои Очки Действия на 2 в качестве Действия.
    Описание
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Рычаг Меч молний Действие 2 0
    Эффект Атака в ближнем бою 1 + Расчленение + Взрывчатка.
    Описание
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Головка Микропроцессор Авто Нет Самостоятельная
    Эффект +1 к максимуму AP.Проверки атак Легионами и Ужасами, нацеленные на вас, получают штраф -1. (При атаке по области штраф применяется только к вам.)
    Описание
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Любая Разгон Rapid Нет Самостоятельная
    Эффект Повредить эту деталь.Используйте маневр «Действие» или «Быстрый тайминг» по вашему выбору в режиме «Быстрый тайминг». В настоящее время никто, кроме вас, не может использовать маневры в режиме Rapid.
    Описание Сверхбыстрая работа. Никто не может остановить это.
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Любая Овердрайв ед. Урона 0 Самостоятельная
    Эффект Повредить эту деталь.Вы можете использовать этот Маневр только тогда, когда наносите урон. +3 к урону в ближнем бою или без оружия.
    Описание Взрывная сила, которую производит электричество, — это сила, которая унесет удар, если это солдат-нежить. Удар, убивающий ультра-огненную атаку.
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Рычаг Плазменный меч Действие 4 1-3
    Эффект Атака в ближнем бою 3.Наносите урон всем целям в направлении от вас к выбранной цели (этот эффект рассматривается как «Атака по области»). Можно использовать только один раз за фазу.
    Описание Меч — это оружие, излучающее огромный луч лезвий. Он может похвастаться дальностью атаки, но его размер также может быть противником.
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Рычаг Рейлган Действие 2 0 ~ 2
    Эффект После объявления выберите один эффект: «Атака стрельбой 1.Проверка Атаки имеет бонус +2 »или« Во время этого Раунда ваша следующая Проверка Атаки [Рейлгана] получает бонус +2 (не может складываться) ». Разрешите этот эффект.
    Описание
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Любая Ракета Авто Нет См. Ниже
    Эффект Когда вы получаете эффект маневра «Движение», вы можете увеличить его расстояние на +1.
    Описание
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Головка Очки для зрения Авто Нет Самостоятельная
    Эффект +1 к проверкам стрельбы и взрыва.
    Описание
    Расположение Имя Сроки Стоимость Диапазон
    Любая Синтезатор Rapid 3 0-1
    Эффект Все сестры в пределах досягаемости проводят проверки разговора с вами в качестве цели.
    Описание Инструмент, воспроизводящий электронный голос или электронный звук, например гитара.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *