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


1?о

/ 1



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
Яндекс.Метрика