Главная страница
Строительная теплофизика
Строительство в США
Тепловой режим здания
Геохронология Земли
Антикоррозионная зашита конструкций
Архитектура
Строительство подземных сооружений
Дымовые трубы
Черчение для строителей
Обмоточные провода
Проектирование радиопередатчиков
Радиоприемное устройство
Резисторы
Резисторы - классификация
Транзисторы
Электропитание
Электрические аппараты
Металлические корпуса
Операционные усилители
Устройства записи
Источники вторичного электропитания
|
Главная » Книги и журналы 1 ... 17 18 19 20 21 22 23 ... 32 параметрические, компенсационные и компенсационно-параметрические. Параметрические методы стабилизации состоят в таком изменении параметров стабилизирующего элемента (нелинейного сопротивления), которое приводит к компенсации дестабилизирующих факторов, вызвавших данное изменение тока или напряжения на входе стабилизатора. При этом в стабилизато- pax используются неуправляемые нелинейные элементы цепей, которые в силу своих свойств компенсируют дестабилизирующие факторы. К параметрическим стабилизаторам относятся такие, в которых используются в качестве нелинейных элементов цепей газоразрядные стабилитроны, полупроводниковые стабилитроны, бареттеры, фер-рорезонансные цепи, термочувствительные нелинейные сопротивления и ряд других неуправляемых нелинейных сопротивлений. Сущность компенсационных методов стабилизации заключается в том, что в процессе стабилизации величина выходного напряжения сравнивается с эталонным напряжением и разностное напряжение так воздействует на нелинейный исполнительный элемент стабилизатора, что компенсируются происшедшие изменения выходного напряжения. При этом методе стабилизации используются управляемые нелинейные элементы цепей. При компенсационно-параметрических методах стабилизации одновременно используются эффекты стабилизации обоих предшествующих методов. Стабилизаторы напряжения и тока принято классифицировать: по виду исполнительного элемента - электронные, транзисторные, феррорезонансные; по мощности - маломощные (до 50 вт), средней мощности (до 2 кет) и большой мощности (свыше 2 кет); по способу включения исполнительного элемента - последовательные, параллельные и последовательно-параллельные. § 7-2. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ С НЕЛИНЕЙНЫМИ СОПРОТИВЛЕНИЯМИ А. Газоразрядные стабилизаторы напряжения Широко известные газоразрядные стабилизаторы напряжения (стабилитроны) являются параметрическими стабилизаторами, действие которых основано на нелинейных свойствах тлеющего и коронного разрядов. Статическая вольт-амперная характеристика стабилитрона тлеющего разряда показана на рис. 7-1, а. Она представляет собой типичную нелинейную характеристику со следующими параметрами: ором возникает (/3 - напряжение зажии........., , . ,л.>1 разряд; t/cT - напряжение горения (стабилизации), почти равное нормальному катодному падению потенциала; /ст. мин - минимальный ток стабилитрона, при котором еще возможен тлеющий разряд; /ст. макс - максимальный ток стабилитрона, при котором сохраняется тлеющий разряд, но еще не переходит в дуговой разряд. По характеристике стабилитрона могут быть определены: i?j.a = - сопротивление стабилитрона постоянному току; дин м сопротивление стабилитрона переменному току. €1 ср ст. мои 6) /, а Рис^ 7-Ь Характеристики и схемы включения газоразрядных стаби литронов- Величины напряжений зажигания и стабилизации меняются в стабилитронах тлеющего разряда в следующих пределах: от включения к включению на ±(1-1,5)%; в течение 5 мин после включения в среднем на (0,05-0,15)%; за первые 10 ч работы со скоростью (0,03-0,04)%/ч; за последующие 50-100 ч работы со скоростью (0,02-0,03) Эти изменения напряжений обусловлены, главным образом, разогреванием газа и изменением его авления. Изменение температуры окружающей среды заметно сказывается на величинах напряжения зажигания и стабилизации, В среднем эти напряжения меняются на (0,003-0,01)% на 1C. Некоторые стабилитроны (например, СГ4С) характеризуются знакопеременным температурным коэффициентом: отрицательным в области температур от -50 до -10° С и положительным в области температур от -10 до +50° С. Паспортные данные стабилитронов (по справочникам) относятся к температуре +20C, а предельные рабочие температуры стаби- 70°С, Поэтому при литронов тлеющего разряда равны -60 и точных расчетах стабилизаторов напряжения необходимо учитывать изменения напряжении с температурой. Стабилитроны тлеющего разряда зажигаются почти мгновенно, как только возникает на них необходимое напряжение Uy т. е. безынерционны для токов промышленной частоты. Динамическое сопротивление стабилитрона имеет чисто активный характер (/?дин = = 50-200 ом). С повышением частоты рабочего тока динамическое сопротивление стабилитрона становится комплексным и растет с частотой. Например, у стабилитрона СГ2С 7дин = 180 ом при f = 100 гц; Zjjni = 450 ом при f = 1000 гц и становится равным дин дин 1100 ом при / при 10 ООО гц. Изменения характера и величины динамического сопротивления обусловлены инерционностью ионных процессов в стабилитроне. Практически это означает ухудшение стабилизирующих свойств стабилитронов тлеющего разряда с повышением частоты рабочего тока. Стабилитроны коронного разряда отличаются от стабилитронов тлеющего разряда рядом электрических свойств. Эти отличия видны и на вольт-амперной характеристике (рис. 7-1, б). Стабилитроны с такой характеристикой мало пригодны для стабилизации напряжения. Однако при подборе конфигурации электродов и газовых смесей, наполняющих стабилитрон в процессе его изготовления, можно получить улучшенную характеристику, показанную на рис. 7-1, в. В отличие от стабилитронов тлеющего разряда, проводимость которых ничтожна до возникновения разряда (до зажигания), стабилитроны с коронным разрядом обладают достаточно большой утечкой, создаваемой частицами никеля, осевшими при изготовлении стабилитрона на керамических вставках, служащих для фиксации местоположения анода и катода. Стабилитроны коронного разряда существенно отличаются от стабилитронов тлеющего разряда и своей инерционностью: для возникновения и развития разряда в них требуется от 15 до 30 сек. Основные схемы включения ciuut ... ....аид приведены на рис. 7-1, г-ж. Сопротивление Rq ограничивает ток через стабилитрон, чем устраняется возможность перехода тлеющего разряда в дуговой или коронного разряда в тлеющий. Правда, при использовании стабилитронов коронного разряда можно практически обойтись без этого сопротивления, поскольку разрядный ток этих стабилитронов ограничивается сам по себе за счет большого сопротивления разрядного промежутка. Действие схемы рис. 7-1, г можно представить себе следующим образом. Если входное напряжение (/х меньше напряжения зажигания (/з стабилитрона, то схема не обладает никакими стабилизирующими свойствами и напряжение на нагрузке и -11 вых - *BJ 0 + * Если входное напряжение увеличить настолько, чтобы стало возможным зажигание стабилитрона ((/вх>з). то напряжение на нагрузке Uix = станет равным напряжению (/ст> а часть избыточного напряжения (/вх - = Rq (Ai + /ст) падает на сопротивлении Rq, Перераспределение падений напряжений в отдельных частях схемы объясняется уменьшением сопротивления стабилитрона при его зажигании. Условием такого режима является протекание тока через стабилитрон, причем величина этого тока должна быть /ст. мин * ст ст, макс В тех случаях, когда входное напряжение меняется в процессе работы и не намного отличается от напряжения зажигания стабилитрона, возможен неустановившийся режим: стабилитрон то зажигается, то гаснет, как только начинается увеличение падения напряжения на сопротивлении R, Неустановившийся режим стабилитрона зависит от величин и /ст.мии- Неустановившийся режим также наблюдается при резком уменьшении coпpoтивveния нагрузки i?H, вызывая уменьшение тока через стабилитрон и его погасание. Практически выбирают ток /ст. мин с некоторым запасом, и среднее значение тока через стабилитрон СТ.Ср - (0,4 -5- 0,5) /н. Схема рис. 7-1, д почти ничем не отличается от предыдущей схемы. Последовательное соединение стабилитронов Cml и Ст2 повышает напряжение на выходе стабилизатора. Такая схема может быть также использована для деления напряжения. В такой схеме обязательно, чтобы токи /ст. мин были одинаковы, а напряжения (/ст каждого стабилитрона могут быть различными. Параллельное соединение стабилитронов не допускается, так как почти невозможно подобрать стабилитроны с одинаковыми величинами (/ст. Кроме того, влияние внешних факторов (температуры, давления и т. п.) может по-разному сказываться на параметрах различных стабилитронов. В результате стабилитроны будут зажигаться неодновременно и в процессе работы будут влиять друг на друга. г Схема рис. 7-1, е со многими стабилитронами, включенными последовательно, каждый из которых шунтирован пусковым сопротивлением Z , может быть использована для деления напряжения. В этой схеме пусковые сопротивления Z предназначены для снижения напряжения, необходимого для зажигания всех стабилитронов. Для схемы рис. 7-1, е требуется f/x + З^/ст. s при отсутствии пусковых сопротивлений требовалось бы f/px = Л^з. где - число последовательно соединенных стабилитронов (в данном случае iV = 4). Простейшая мостовая схема стабилизатора, показанная на рис. 7-1, ж, отличается от предыдущих повышенным значением коэффициента стабилизации, так как здесь компенсируется приращение напряжения Af/cx. которое обычно происходит при изменении тока через стабилитрон. Газоразрядные стабилизаторы напряжения можно рассчитать аналитически и графически. Аналитический расчет стабилизатора сводится к следующему. Для схемы рис. 7-1, г имеем: вх ст (7-3) Так как в процессе работы стабилизатора Ir и 1 меняются, то для расчета принимаются средние значения этих токов: ст, Р~~2 (ст, мин Н~.ст. макс) и, ср - 2 (и. мин Н~ л1. макс)- у В уравнении (7-3) величины и Ro подлежат расчету, и поэтому требуется второе уравнение, которое может быть составлено с учетом того, что изменение тока стабилитрона должно быть меньше допустимого при заданной величине уменьшения U. Если бы ток в нагрузке не изменялся, то изменение входного напряжения вызывало бы уменьшение тока стабилитрона согласно выражению: п вх м Если же учесть, что изменение входного напряжения вызовет также и изменение тока нагрузки /н, то искомое второе уравнение примет вид: о^или;? . (7-4) где А/ст -- ст.макс ст. МШ1 А/ - 1 макс и. мни A/q - A/gx А/ц, так как при увеличении тока стабилитрона происходит уменьшение тока нагрузки и, наоборот, увеличение тока нагрузки вызывает уменьшение тока стабилитрона, поскольку стабилитрон и нагрузка включены параллельно. Одновременное увеличение или уменьшение токов стабилитрона и нагрузки невозь. раничивающего сопротивления Rq, Если задано относительное изменение входного напряжения от его номинального значения (/вх.ср на величину ±p = z±:~-, то абсолютное значение изменения напряжения на входе стабилизатора будет А(/вх = 2р(/вх. Подставив в уравнение (7-4) полученное значение А(/вх. найдем; о^А/ст-А/н' В выражение (7-5) можно подставить значение (/вх из выражения (7-3), введя в него средние значения токов /ст. ср и /н.ср. В результате получим: 2р ст ср н. ср Коэффициент полезного действия стабилизатора > VqjI н. ср (вх (и. ср Ь ст. ср) (7-7) откуда видно, что к. п. д. такого стабилизатора тем ниже, чем меньше ток нагрузки. Коэффициент стабилизации в схеме рис. 7-1, г. к А(/вх. А(вых А(/вх (ст (вх (вых А(ст (вх . А(вх 0 + дии . п Д(/ст aUcT А дин Л/ст а на основании выражения (7-3) (вх (ст + 0 (ст. ср + н. ср) J 0 (ст. ср Hh п. ср) В результате подстановки найденных величин коэффициент стабилизации /( = 4 =-F-+ Д , . (7-8) ст вх дин /ст. ср + /и. ср 1 Г /<о- Отсюда видно, что с увеличением Rq и уменьшением ?дин коэффициент стабилизации растет; одновременно с увеличением Rq растет отношение напряжений (/вх/(/ст и падает к. п. д. стабилизатора. В некоторых случаях целесообразно рассчитывать коэффициент уменьшения колебаний напряжений в виде: ст Aft - п У А дин рассматривая это отношение как коэффициент сглаживания. При этом стабилизатор эквивалентен конденсатору фильтра с емкостью где fn - частота пульсации напряжения. Практически в схемах с газоразрядными стабилизаторами напряжения можно получить /Сет = 10-15, к. п. д. приблизительно равный 25-35% при Ro = 2000-5000 ом. В мостовых схемах газоразрядных стабилизаторов напряжения (см. рис. 7-1, ж) коэффициент стабилизации больше, чем у простых схем, но из-за сложности их применяют редко (в измерительной аппаратуре). Принципиально можно увеличить коэффициент стабилизации газоразрядных стабилизаторов за счет применения многокаскадных схем, в которых стабилизированное напряжение одного каскада является входным напряжением для последующего каскада стабилизатора. Однако практического применения такие схемы не имеют по ряду причин. Одна из основных причин - очень низкий к. п. д. Например, если к. п. д. каждого каскада стабилизатора будет 25%, то к. п. д. двухкаскадного будет 6,25%, а у трехкаскадного - не более 1,5%. Кроме того, при работе многокаскадного стабилизатора ухудшаются его эксплуатационные свойства, в том числе неустойчивая работа при резком изменении напряжения на входе, зависимость от температуры и т. п. Коэффициент стабилизации газоразрядных стабилизаторов может быть повышен при использовании нелинейного ограничительного сопротивления, у которого будет большое динамическое и малое статическое сопротивление, как, например, у бареттера. Б. Стабилизаторы тока и напряжения с нелинейными сопротивлениями Наряду с нелинейными полупроводниковыми элементами электрических цепей, какими являются стабилитроны, терморезисторы, варисторы и им подобные, используются также такие нелинейные сопротивления, как бареттеры, термисторы, лампы накаливания. Удельное значение этих элементов цепей различное и меняется с течением времени, по мере совершенствования технологии приборостроения. На рис. 7-2, а приведена вольт-амперная характеристика бареттера и его схематическое обозначение. В области А бареттер не отличается от обычного линейного сопротивления и падение напряжения на нем пропорционально току. По мере повышения температуры нити сказывается нелинейная зависимость тока бареттера от приложенного к нему напряжения (область Б). В области В сопротивление бареттера резко меняется в зависимости от подводимого к нему напряжения. В этой области характеристики изменение напряжения вызывает почти равное ему огаосйтельное изменение сопротивления бареттера i?6, вследствие чего ток /5 остается одним и тем же. Условием такого режима работы бареттера является равенство мощностей: затрачиваемой на нагрев нити бареттера и рассеиваемой с ее поверхности путем лучеиспускания и конвекции газа. Область Г является нерабочей. Вольт-амперная характеристика бареттера обычно имеет вид, показанный на рис. 7-2, а сплошной линией, но в некоторых случаях она имеет характер падающей кривой (штрихпунктир). Такое изменение характеристики обусловлено неравномерным распределением температуры нити по ее длине. При включении бареттера в электрическую цепь сказывается его тепловая инерция. Благодаря малому начальному сопротивле- Рис- 7-2. Вольт-амперная характеристика бареттера и его обозначение (а), типовые схемы включения бареттеров (б) пню НИТИ И ее тепловой инерции через бареттер относительно длительное время протекает ток, превышающий номинальный ток бареттирования /б.ном в 2-Зраза. Ток /5.ном бареттера устанавли- вается спустя некоторое время после его включения. Благодаря тепловой инерции бареттеры могут быть включены в цепь переменного и постоянного тока, но стабилизировать можно лишь медленные изменения питающего напряжения. Внезапные и резкие изменения питающего напряжения полностью передаются в цепь нагрузки. Простейшие схемы включения бареттеров показаны на рис. 7-2, б. Стабилизирующее действие схем сводится к тому, что ток в цепи сохраняется в пределах /б. макс - h. мин при входном напряжении, меняющемся в пределах от (/б. мин ДО (/б. макс-.. Ста- билизирующие свойства бареттеров сохраняются при последовательном и параллельном их соединении. При этом обязательно, чтобы у последовательно соединенных бареттеров были одинаковы токи бареттирования, а у параллельно соединенных - одинаковые напряжения бареттирования. Улучшение стабилизирующих свойств бареттеров и их использование в качестве стабилизаторов напряжения возможно при их комоинировании с нелинейными сопротивлениями, в том числе с термисторами. Термисторы (термочувствительные нелинейные сопротивления) широко используются в маломощных стабилизаторах напряжения и тока. Их сопротивление меняется по заданному закону от температуры. Медно-марганцевые (ММТ) и кобальто-марганцевы (КМТ) термисторы обладают отрицательным температурным коэффициентом от -2,4 до -6,0 Vo/град. Термосопротивления ММТ и КМТ обладают тепловой инерцией; о ней судят по времени, в течение которого меняется их температура до бЗ С при перенесении термистора из среды с температурой е
Рис. 7-3- Стабилизатор напряжения с термистороы- в О' С в среду с температурой ЮО С. Постоянная времени, в частности, для КМТ и ММТ равна 120 сек. Одна из возможных схем стабилизаторов напряжения с терми-стором приведена на рис. 7-3, а. В этой схеме сопротивление термистора должно изменяться так, чтобы при изменении входного напряжения в заданных пределах не изменялось падение напряжения на сопротивлении нагрузки. Это достигается тем, что при увеличении входного напряжения возрастает ток 1 через термосопротивление /?х как это видно из характеристики рис. 7-3, б. Вследствие нагрева величина последнего изменяется так, что общее сопротивление /?х + уменьшается, и падение напряжения на этом участке цепи остается почти неизменным. Избыток входного напряжения при его возрастании гасится в добавочном сопротивлении /?д. Необходимые величины сопротивлений R и R лучше определять графически, так как аналитическое выражение вольт-амперной характеристики термистора достаточно сложно ввиду ее сугубо нелинейного характера. На рис. 7-3, в приведен график построение! , ,. .лемы стабилизатора напряжения описанного типа. На этом графике показана вольт-амперная характеристика Lx = Ф (т) с рабочим участком б - е, крайним точкам которого соответствуют токи термистора /х и /-2 и напряжения Uyi и Uji- Пусть сопротивление R(y выбрано так, чтобы в пределах вольт-амперной характеристики б - в напряжение на последовательно соединенных сопротивлениях Rj и R почти не менялось. Этому условию на участке б - в характеристики удовлетворяет уравнение: Отсюда находим Ti ~ Ti та При данном определении величины сопротивления Rt) ординаты точек б и б соответственно равны 71 + о^п + о^т2- Влево от точки О вольт-амперной характеристики термистора, на расстоянии ОС, откладывается в выбранном масштабе ток нагрузки / . По ординате, восстановленной из точки С, откладываем точку В, соответствующую значению Ux + + А^вх и точку А, соответствующую значению U - KU. Соединив точки В и в' и снеся эту линию влево на ось ординат к точке Г, получим треугольник ВвТ с углом а у точки в\ На основании построений, показанных на рис. 7-3, находим: Р (вх-Д^вх)-((/н Д^н) н Та Стабилизирующие свойства схемы рис 7-3, а значительно повышаются, если добавочное сопротивление R будет нелинейным. В этом случае проявится совместное стабилизирующее свойство обоих нелинейных сопротивлений. Варисторы - нелинейные полупроводниковые сопротив-ления, характеризующиеся резкой зависимостью согГротивления от напряженности электрического поля, могут быть использованы в схемах стабилизации, подобных описанным, преимущественно в мостовых схемах. Их анализ может быть выполнен по описанным графическим методам. Лампы накаливания обладают нелинейной характеристикой (рис. 7-4, а), поскольку сопротивление нити накаливания меняется с температурой: где а - температурный коэффициент сопротивления. При этом аналитически вольт-амперная характеристика выражается уравнением: где /гг = 1,5 - 2,0 для большинства ламп накаливания; k - коэффициент пропорциональности. Соответственно статическое и динамическое сопротивления лампы: стат - \ дил ~ лТ ~ стат ( ) л л Как видно из выражения (7-И), сопротивления лампы постоянному и переменному току не очень сильно разнятся между собой и 1 ... 17 18 19 20 21 22 23 ... 32 |
|