книги / Специальные методы электрических измерений
..pdfсильно, но зато непрерывно; практически нет такого участка на кривой разряда, где мы могли бы принять ее за постоянную величину.
Иное положение с кислотными аккумуляторами: их кривая разряда имеет довольно резкое колено в начале и в конце процесса, но в середине идет почти, параллель но оси времени (рис. 4-1, кривая а — разряд кислотного, кривая б — щелочного аккумуляторов). Очевидно, что подобная устойчивость 0. д. с. в лабораторных условиях имеет решающее значение. Поэтому, несмотря на боль шой вес и меньшую прочность, кислотные аккумулято ры следует признать более подходящими для питания измерительных схем; при правильной эксплуатации они являются весьма стабильными. Следует только помнить,
т ш |
|
|
|
|
что ток кислотных аккумулято |
|||||
_ _ п а _ |
|
п |
|
ров |
приобретает |
постоянное |
||||
2,я|Н |
|
|
значение (до 0,01%) |
спустя до |
||||||
— — -1 & |
|
— |
—> |
вольно |
долгое |
время |
после |
|||
4:"1 |
——'— |
— |
||||||||
Г |
□ |
1. |
включения или изменения на |
|||||||
□ |
|
грузки. При этом подобную вы |
||||||||
оК1! 4 |
1} 8 Ю12 П Гб ЮН |
сокую |
степень |
постоянства |
||||||
|
Рис. |
4-1. |
|
можно |
получить, |
только |
если |
|||
|
|
|
|
|
ток |
не превосходит |
1% значе |
|||
ния нормального («десятичасового») разрядного тока аккумулятора. Нужно также следить за тем, чтобы акку муляторная батарея находилась при постоянной темпе ратуре: изменение температуры на 1°С вызывает измене ние тока на 0,01—0,02%. Очевидно, что чем больше ем кость аккумулятора, тем более устойчив он в работе и тем больший ток можно от него получить.
Итак, при соблюдении необходимых мер предосто рожности можно обеспечить при применении кислотных аккумуляторов весьма высокую степень постоянства ре жима. Однако следует помнить, что подобная степень постоянства нужна далеко не всегда. Действительно, при применении нулевых методов, например измери тельных мостов, условия равновесия не зависят от на пряжения источника питания. Поэтому небольшие коле бания режима работы этого источника, которые только немного изменяют чувствительность схемы, вполне до пустимы. Иное дело, когда мы применяем для измере ния компенсационный метод в любой форме (или не уравновешенный мост). В этом случае все колебания
72
рабочего тока измерительной схемы непосредственно входят как погрешность в конечный результат.
Основные измерительные цепи, как правило, питают ся весьма малыми токами, порядка миллиампер; это дает возможность эксплуатировать аккумуляторы при очень малом разрядном токе и, следовательно, в усло виях большого постоянства режима.
Мощность вспомогательных цепей может быть весь ма разнообразной, достигая иногда довольно больших значений (например, питание поверяемых приборов на большие пределы измерений). Поэтому обеспечить в по добных цепях особую стабильность было бы очень за труднительно. Питание этих цепей также, вообще гово ря, следует производить от аккумуляторных батарей, но условия эксплуатации, в частности величина разрядного тока, могут быть гораздо более жесткими, чем это допу стимо для питания основных цепей.
4-3. СТАБИЛИЗАТОРЫ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
В последнее время большого совершенства достигли стабилизаторы напряжения, обычно соединяемые с вы прямительными устройствами. В силу этого подобные устройства все шире стали применять и в измеритель ной практике для питания вспомогательных цепей, а в последние годы—даже и некоторых основных це пей, так как они очень удобны в эксплуатации и дают хорошие результаты.
Теоретические вопросы стабилизации напряжения рассмотрены в специальной литературе, в настоящее время довольно обширной, и мы их касаться не будем. Рассмотрим только наиболее часто применяемые типы стабилизаторов и их схемы.
Параметрические стабилизаторы, основанные на применении цепей с нелинейными сопротивлениями (ба реттерами, лампами накаливания, полупроводниковыми термосопротивлениями, газовыми стабилитронами и др.) с успехом могут применяться в измерительной практи ке, особенно для питания вспомогательных цепей.
Однако более совершенными являются электронные стабилизаторы, основанные на компенсационном методе стабилизации с отрицательной обратной связью.
Одна из наиболее простых схем такого типа изобра жена на рис. 4-2. Схема состоит из исполнительного
элемента (регулирующая лампа Л \), одноКасКаДиогб усилителя постоянного тока (УПТ) на лампе Л2, источ ника опорного напряжения 0 ош выполненного на газо вом стабилитроне Л3, й делителя напряжения на сопро тивлениях и- /?2.
Лампа Ли ‘включенная последовательно с нагрузкой, является переменным сопротивлением, величина которо го изменяется в зависимости от входного напряжения и тока нагрузки. Например, при повышении напряжения на выходе стабилизатора вследствие возрастания на
пряжения питания или уменьшения тока нагрузки уве личится потенциал сетки усилительной лампы Л2, опре деляемый разностью напряжений на сопротивлении /?1 делителя и .опорным 1/0п. Это вызывает увеличение анодного тока лампы Л 2, увеличение падения напряже ния на ее нагрузке Яа2 и тем самым снижения потенциа ла сетки регулирующей лампы. При этом увеличивается сопротивление последней проходящему по ней току и, следовательно, падение напряжения на ней возрастает примерно настолько, насколько увеличилось входное напряжение. В результате напряжение на выходе ста билизатора практически останется постоянным. При уменьшении напряжения на выходе изменение потен циалов и напряжений происходит с обратными зна ками.
Ток нагрузки стабилизатора, т. е. отдаваемая ста билизатором мощность, полностью определяется типом регулирующей лампы. Поэтому при необходимости по-
74
лучить ток нагрузки порядка десятков или сотен милли ампер в качестве регулирующих ламп применяют мощ ные триоды 6С4С, 6Н5С или тетроды и пентоды в триодном включении'6П1П, 6ПЗС, ГУ-50 и др., что значитель но уменьшает внутреннее сопротивление последних. Малое внутреннее сопротивление регулирующей лампы необходимо, во-первых, для получения малого выход ного сопротивления стабилизатора, а, во-вторых, для увеличения к. п. д. стабилизатора. Для увеличения тока нагрузки обычно включают параллельно несколько ре гулирующих ламп одного типа. Следует заметить, что регулирующая лампа должна работать в режиме без сеточных токов. В противном случае резко нарушается работа стабилизатора.
Назначение остальных элементов схемы следующее: сопротивление Яз определяет заданный ток газового стабилитрона, а конденсатор С\ необходим для устра нения самовозбуждения схемы.
Усилитель постоянного тока (УПТ), как упомина лось выше, управляет сопротивлением исполнительной лампы. Чем больше коэффициент усиления УПТ, тем выше стабильность выходного напряжения. Как изве стно, коэффициент усиления определяется параметрами
лампы и сопротивлением анодной нагрузки. |
Поэтому |
||
для УПТ обычно применяются |
триоды |
или |
пентоды |
с большим коэффициентом усиления. |
стабилизато |
||
Коэффициент стабилизации |
подобных |
||
ров не превышает величины порядка нескольких сотен. Для увеличения коэффициента стабилизации увели чивают число каскадов УПТ (обычно не более двух). В этом случае коэффициент стабилизации достигает ве
личины нескольких тысяч.
Электронные стабилизаторы допускают плавное ре гулирование выходного* напряжения в довольно широ ких пределах. Для этого делитель Яи Яг выполняют в виде переменного сопротивления.
Следует отметить, что подобный стабилизатор является весьма совершенным сглаживающим филь тром благодаря своей безынерционное™. Так как пуль сации выпрямленного напряжения могут рассматривать ся как быстрые изменения выходного напряжения, то ониослабляются на выходе по .сравнению со входом в К раз (К — коэффициент стабилизации).
Выпускаемые серийно промышленностью стабилизированные вы прямители типов ВС-'Ш, ВС-12 н ВС-13 пригодны в основном для питания вспомогательных цепей измерительных устройств. Измене ние стабилизированного напряжения для разных типов составляет
±,(ОД—0,2)% при изменении напряжения |
сети на ±«10%, частоты |
на ±1% и тока нагрузки от >10 до 1100% |
номинального значения. |
Стабилизаторы предназначены для работы в лабораторных усло виях при температуре 20±б°С и относительной влажности не бо
лее 80%. |
150 |
Выходное напряжение стабилизатора типа ВС-11 равно от |
|
до 300 в и разбито ;на два поддиапазона от 150 до 225 о и от |
225 |
до 300 в. В пределах каждого поддиапазона регулировка осуществ ляется плавно, ток нагрузки от 10 до 100 ма.
Стабилизатор типа ВС-'12 состоит из двух самостоятельных устройств: один стабилизатор по выходному напряжению, повторяю щий характеристики стабилизатора ВС-11 с током нагрузки от 30 до
300 ма, и второй стабилизатор имеет выходное напряжение |
от 0 до |
75 в и ток нагрузки до 5 ма. |
в±Ь°/ |
Устройство типа ВС-13 имеет выходное напряжение 6,3 |
|
и допустимый ток нагрузки до 5 а. |
|
При -использовании электродных стабилизаторов |
|
в измерительных цепях необходимо учитывать, что
источник опорного напряжения — газоразрядный |
стаби |
|
литрон— не является |
совершенным; внезапные |
измене |
ния напряжения |
на нем могут доходить до |
|
±(0,1—0,2)%. Это вызывает соответствующие измене ния напряжения на выходе стабилизатора.
Заводом «Вибратор» разработан и выпускается оригинальный стабилизатор напряжения, входящий в комплект измерительной уста новки типа У1136 (рис. 4-3). Принцип действия стабилизатора осно ван на автоматическом поддержании фотоэлементиым усилителем заданного значения напряжения путем сравнения этого напряжения
Рис. 4-3.
сопорным. Падение напряжения на сопротивлении /?2 сравнивается
спомощью гальванометра на растяжках с напряжением на делите
ле |
который питается от источника опорного напряжения (обычно |
|||
сухой |
элемент). Отраженный от |
зеркала луч |
света освещает |
два |
фотосопротивления (Т?4 и Я5). В |
зависимости |
от распределения |
све |
|
та между ними в диагонали моста, образованного фотосопротивлениямн и сопротивлениями |/?с и 1Й7, возникает определенное напря жение, управляющее исполнительной лампой Л2. При отклонении на пряжения на выходе стабилизатора от заданного значения отклоне ние подвижной части гальванометра вызывает перераспределение света между фотосопротивлениями н, следовательно, изменение со противления регулирующей лампы Л2. Стабилизатор имеет 8 ступе ней напряжения, снимаемых с делителя напряжения /?|, Я2: 3—7— 5—'16—30—75—150—300—450 в. Величина напряжения на каждом из этих пределов может плавно регулироваться, начиная с 0,1 в. Коле
бания |
напряжения .на выходе .не превосходят ±0,01% при измене |
|||
нии напряжения сети, питающей стабилизатор, на ±10%. |
||||
Изменение напряжения стабилизатора во времени не превосхо |
||||
дит ±0,005% за 1 мин после |
10 мин прогревания. Величина тока |
|||
нагрузки может доходить до 300 ма на |
пределах до 75 в, 150 ига— |
|||
на пределах 150 и 300 в и 30 ига — на |
пределе 450 в. |
|||
Существуют схемы ламповых стабилизаторов низ |
||||
ких напряжений (до. 20—30 в); однако |
они представ |
|||
ляют |
собой сложные, |
громоздкие и |
неэкономичные |
|
устройства, не получившие распространения в измери тельной практике. Необходимость же в таких стабили заторах весьма велика.
В последние годы в связи с широким применением полупроводниковых диодов и триодов появился ряд ра бот, посвященных стабилизации* напряжения с помощью полупроводников. Рассмотрим некоторые подобные схе мы, представляющие интерес для измерительной тех ники.
Стабилизаторы напряжения -с отрицательной обрат ной связью на полупроводниковых приборах строятся по тому же методу, что и ламповые. В качестве испол нительного (регулирующего) элемента стабилизатора используется промежуток коллектор — эмиттер плоско стного триода, сопротивление которого управляется то ком базы. В качестве источника опорного напряжения обычно используются сухие элементы низкого напряже ния, обеспечивающие удовлетворительную стабильность благодаря весьма малому значению тока разряда, или полупроводниковые кремниевые стабилитроны типов Д-808—813. Они 'Представляют собой кремниевые диоды, изготовленные по особой технологии. При включении
их в обратном направлении в области пробоя при определенных значениях напряжения и тока имеет ме сто эффект, во многом похожий на зажигание газораз рядных стабилитронов. При этом в определенном (рис. 4-4)^ достаточно широком диапазоне токов напря
жение на стабилитроне остает ся постоянным благодаря двум факторам: во-первых, явлению ударной ионизации в твердом теле и, во-вторых,- благодаря тому, что под влиянием боль ших напряженностей поля про исходит лавинообразное возра стание количества носителей тока за счет резкого увеличе ния направленной диффузии.
По сравнению с газоразряд
ными |
стабилитронами |
крем |
|
ниевые |
обладают рядом |
•пре |
|
имуществ: |
|
п |
|
1) |
и соответствующих |
||
логии |
ис |
||
ходных материалах они могут |
быть изготовлены |
на |
|
напряжения от единиц до сотен вольт при рабочих то ках от нескольких миллиампер до нескольких ампер;
2)не имеют так называемого потенциала зажига ния, который выше напряжения стабилизации;
3)вольт-амперная характеристика не имеет падаю щего участка, благодаря чему отсутствует явление само возбуждения;
4)не наблюдаются скачкообразные, произвольные изменения напряжения стабилизации;
5)при многократных включениях и выключениях стабилизаторов при условии полного сохранения режи ма имеет место высокая степень повторяемости величи ны напряжения стабилизации;
6)в течение нескольких тысяч часов работы не на блюдается «старения», характеризующегося необрати мым изменением напряжения стабилизации;
7)имеют малые габариты и выдерживают значи тельно большие перегрузки, чем газоразрядные;
8)кремниевые стабилитроны, работающие на пря мой ветви вольт-амперной характеристики ('рис. 4-4),
73
Могут быть использованы как стабилизаторы низкого напряжения (0,6—0,8 в) с достаточно малым динами ческим сопротивлением;
9) температурные коэффициенты напряжения (ТКН) стабилитронов для прямого и обратного направления имеют разные знаки; величина ТКН при обратном на правлении тока составляет ± (0,05-—0,08) %/град, при чем большие значения имеют стабилитроны с большим значением напряжения стабилизации.
Используя свойства кремниевых стабилитронов, упомянутые в п. 9, можно 'составить батарею из вклю ченных в обратном и прямом направлении диодов, обла-
Рис. 4-5.
дающую ТКН менее ±0,001 %/град. Такая батарея с успехом может применяться в качестве эталонного источника в прецизионных полупроводниковых стаби лизаторах (о чем будет речь ниже), а также как само стоятельный стабилизатор параметрического типа для питания маломощных измерительных цепей и, в частно сти, таких ответственных, как рабочая цепь компенсато ров большого сопротивления.
На рис. 4-5 приведены схемы однокаскадного (а) и двухкаскадного (б) стабилизаторов.
При использовании стабилитронов типа Д-808 в однокаскадном стабилизаторе ТКН может быть дове ден до ±0,001 %/град. В двухкаскадном стабилизаторе не имеет смысла осуществлять температурную компен сацию в первом каскаде, так как сильно увеличивается динамическое сопротивление батареи стабилитронов. Поэтому температурные изменения напряжения -целесо образно учесть во втором каскаде, тем более, что эти изменения ослабляются в соответствующее число раз вторым каскадом стабилизации. Обладая примерно тем
же выходным сопротивлением и ТКН (±0,001 %/град), двухкаскадный стабилизатор обеспечивает при измене нии напряжения сети на ±10% колебания напряжения на выходе в пределах ±0,01% при практически по стоянной нагрузке. Таким образом, стабильность выход ного напряжения такого стабилизатора примерно равна таковой для нормального элемента.
При больших значениях нагрузки, изменяющейся при этом в широких пределах, применяют компенса ционные стабилизаторы на полупроводниковых триодах. Принципиальная схема простейшего подобного стабили затора представлена на рис. 4-6. Стабилизатор рабо
тает следующим образом: при возрастании напряжения на на грузке увеличивается ток в со противлении Л\. Это приводит к увеличению тока базы усили тельного триода Т2, что в свою очередь увеличит его ток кол лектора и снизит ток базы ре гулирующего триода Т\. Следо вательно, увеличится сопротив
ление промежутка коллектор — эмиттер триода Т\ и вос становится примерно прежнее значение напряжения на нагрузке. Аналогично протекает работа стабилизатора при уменьшении выходного напряжения.
Следует заметить, что плоскостной триод представ ляет собой устройство, управляемое в отличие от ва куумных ламп не напряжением, а током. Поэтому для получения высокой степени стабилизации усилитель по стоянного тока должен обладать высоким коэффициен том усиления по току.
Не имея возможности подробно рассмотреть стаби лизаторы на полупроводниковых приборах, описанных в специальной литературе, приведем в качестве приме ра одну достаточно совершенную схему подобного ста билизатора (рис. 4-7).
В качестве источника опорного напряжения в этом стабилизаторе применена батарея кремниевых диодов типов Д-808, включенных два в обратном и четыре
впрямом направлении.
Вкачестве регулирующего элемента применен так называемый составной триод, состоящий из двух пло-
80
скостных маломощных триодов типа П13Б и мощного плоскостного триода П4Д. Газоразрядный стабилитрон СГ1П служит для питания коллекторной цепи усили тельного триода Та.
Исследования указанного стабилизатора показали следующее:
1)изменения напряжения питающей сети на ±15% вызывают колебания выходного напряжения в пределах ±0,003%;
2)уменьшение тока нагрузки на 50% максимально го значения приводит к изменению напряжения на вы ходе не более ±0,006%;
3)в диапазоне температур .от +15 до +50°С вы ходное напряжение меняется не более ±0,01%;
4)дрейф выходного напряжения за 15 дней работы составлял не более ±0,01%;
5) амплитуда пульсаций в выходном напряжении не превышает 1 мв, т. е. порядка 0,005%.
Как видно, подобные стабилизаторы обладают весь ма хорошими эксплуатационными качествами.
Ранее уже упоминалось, что безынерционные элек тронные стабилизаторы являются достаточно совершен ными фильтрующими устройствами. Сказанное относит ся и к устройствам на полупроводниках, что особенно важно для низких напряжений и малых сопротивлений нагрузки. В этом случае обычные ЬС- и* /?С-фильтры по лучаются очень громоздкими и, как правило, не дают удовлетворительных результатов.
С дальнейшим совершенствованием полупроводнико вых диодов и триодов, особенно кремниевых, следует,