книги / Электронные приборы контроля и автоматизации нефтехимического производства
..pdfНа рис. 67 показана схема, в которой для согласования выход ного сопротивления ПТг с входным сопротивлением П Т з, вклю ченных по схеме с общим эмиттером, используется третий триод ПТ г, включенный между ними по схеме с общим коллек тором. Каскад на ПТъ имеет высокое входное сопротивление и сравнительно низкое выходное сопротивление, благодаря чему и достигается согласование сопротивлений.
Рис. 66. Схема связи между каскадами па Г1Т при помощи переходного трансформатора.
Стабилизация параметров схем на ПТ. Параметры ПТ сильно зависят от температуры окружающей среды и режима работы его. Имеется большой разброс параметров ПТ для различных экзем пляров. Это приводит в условиях эксплуатации к значительному изменению параметров усилителей на ПТ, что требует специаль ных мер по стабилизации этих параметров. Кроме мер, пресле дующих цель уменьшения изменения температуры окружающей среды, широко практикуется введение отрицательной обратной
Рис. 67. Схема связи между каскадами на ПТ при помощи третьего, промежуточного каскада, вклю ченного по схеме с общим коллектором.
связи, что ослабляет влияние параметров ПТ на параметры уси лительного каскада с ПТ.
Примером отрицательной обратной связи в усилительном каскаде на ПТ является обычное включение ПТ по схеме с общим коллектором (см. рис. 65). В этой схеме имеется 100%-ная отри цательная обратная связь по напряжению, т. е. все выходное напряжение, выделяющееся на сопротивлении нагрузки Дв , подается в противофазе на вход ПТ — между базой и эмиттером.
111
По этой причине коэффициент усиления каскада по напряже нию ки ~ 1 ; он не зависит от а триода и очень мало зависит от полного входного сопротивления триода. В схеме может быть применена отрицательная обратная связь различных видов: последовательная, параллельная и комбинированная. На рис. 6 8 , а приведена схема каскада на ПТ с общим эмиттером и последова тельной отрицательной обратной связью, которая вводится пу
тем включения |
в |
цепь |
эмиттера активного |
сопротивления i?0с. |
|||
Глубина |
обратной |
связи зависит от соотношения величин |
R a |
||||
и Д0.с. |
Обычно |
величину |
R 0.c выбирают в несколько |
раз |
|||
меньше |
R,,. |
В |
этой |
схеме |
снижением |
коэффициента |
уси- |
к'о.с
ления |
каскада по напряжению |
ки достигается стабилизация к и |
|||||
и входного |
сопротивления Двх, |
т. е. уменьшение зависимости к и |
|||||
и R вх |
от |
параметров ПТ. |
Кроме |
того, |
достигается |
увеличе |
|
ние Двх. |
6 8 , б показана |
схема с |
общим |
эмиттером |
и парал |
||
На |
рис. |
||||||
лельной отрицательной обратной связью, осуществляемой при помощи активного сопротивления Д0.0, включенного между коллектором и базой. Введение обратной связи по такой схеме уменьшает коэффициент усиления каскада по току kit снижает входное и выходное сопротивления каскада, одновременно ста билизируя эти параметры. Коэффициент усиления по напряжению стабилизируется и снижается незначительно.
На рис. 6 8 , в показан каскад с общим эмиттером, охваченный комбинированной отрицательной обратной связью. Последова тельная обратная связь осуществляется при помощи сопротивле
ния Дох, |
включенного в цепь эмиттера, а параллельная — при |
помощи |
сопротивления Д0.с, включенного между коллектором |
и базой. Комбинированная отрицательная обратная связь сни жает и стабилизирует усиление каскада по току и напряжению.
112
Величины полных входного и выходного сопротивлений также стабилизируются и могут принимать различные значения в зави симости от величин сопротивлений обратной связи.
Во всех приведенных схемах обратная связь вводится при по мощи активных сопротивлений. Это вызывает возникновение обратной связи по постоянному и переменному току, причем коэф фициент обратной связи не зависит от частоты. Иногда целесо образно вводить обратную связь только но постоянному току,
Рис. 69. Схемы каскада на ПТ с последовательной отрица тельной связью по постоянному току с питанием от двух источ ников (а) и одного источника (6).
что позволяет получить стабилизацию каскада без значительного снижения коэффициента усиления по переменному току. Для получения обратной связи только по постоянному току сопроти вления обратной связи шунтируются конденсаторами достаточно большой емкости. На рис. 69, а приведена схема каскада с общим эмиттером, с последовательной отрицательной обратной связью
Рис. 70. Практическая схема трехкаскадного усилителя низ кой частоты на ПТ.
по постоянному току, с трансформаторным входом и реостатно емкостным выходом. На практике обычно для питания усилите лей на ПТ применяют один источник напряжения, на входные цепи триодов смещение подают от делителей напряжения. На рис. 69, б приведена та же схема, что и на рис. 69, а, но с пита нием от одного источника. На рис. 70 дана практическая схема трехкаскадного усилителя на ПТ, предназначенного для усиле ния сигнала низкой частоты.
Питание усилителей на ПТ переменным током. В схемах автоматики очень часто применяют питание анодных цепей элек-
8 Заказ 448- |
113 |
тронных ламп переменным током. Применяется это в тех случаях, когда представляет интерес лишь среднее значение выходного тока, например в электронных реле. При таком питании нет не обходимости в выпрямителях с фильтром. Кроме того, при пита нии переменным током каскад чувствителен к фазе входного напряжения, что часто является необходимым.
Питание выходных цепей полупроводниковых триодов пере менным током отличается от питания электронных ламп. В элек тронных лампах имеется лишь одно возможное направление для протекания анодного тока - - от анода к катоду. В ПТ имеется возможность для протекания тока в цепи коллектора в обоих на правлениях. Управляемым, рабочим направлением тока является обратное, непроводящее направление коллекторного перехода.
Управляющий |
ток коллектора зависит от входного тока ПТ, |
тока эмиттера. |
Другим возможным направлением коллекторного |
тока является прямое, проводящее направление коллекторного перехода. Ток в этом направлении не зависит от входного тока и определяется только напряжением источника питания и сопро тивлением выходной цепи. Второе большое отличие состоит во влиянии выходного тока ПТ на входной. В электронных лампах ток во входной цепи (сеточной) мало зависит от анодного, так как сетка обычно имеет отрицательный потенциал и электроны по падают на нее в незначительном количестве, ток в цепи сетки практически отсутствует при всех режимах анодной цепи. В ПТ эмиттер и коллектор принципиально друг от друга ничем не отли чаются, при соответствующем включении они взаимозаменяемы. Если в цепи коллектора протекает ток в прямом направлении коллекторного перехода, то вследствие падения напряжения на базовой области эмиттер приобретает такую полярность, при ко торой он выполняет функции коллектора, и ток в его цепи будет зависеть от тока в выходной цепи.
Таким образом, при питании выходной цепи ПТ переменным напряжением выходной ток будет протекать в обоих направле ниях (при протекании в одном из направлений он не управляется входной цепью), выходная цепь будет сильно влиять на входную, что приведет к значительному потреблению мощности во входной цепи. Результатом этих явлений будет большое снижение усиле ния каскада по мощности. Для устранения этого явления в цепь коллектора при питании выходной цепи ПТ от переменного на пряжения включают диод, который препятствует протеканию прямого тока через коллекторный переход ПТ. На рис. 71 пока зана такая схема, фактически в этом случае выходная цепь ПТ питается не переменным, а пульсирующим напряжением.
Особенности работы с ПТ. Укажем на основные особенности работы с ПТ. Как уже говорилось, ПТ, имея преимущества перед электронными лампами по механической прочности и долговеч ности, чувствительны к повышению температуры, превышению максимальных режимов и изменению полярности источника пи тания.
Ш
Перед включением ПТ в схему необходимо по его характери стикам точно установить, к какому типу он относится (п — р — п или р — п — р) и какую полярность при подключении источника следует соблюдать. При впаивании ПТ в схему нужно следить за тем, чтобы не перегреть триод, а потому выводы коротко не обре зать, при пайке вывод между точкой пайки и электродом ПТ дер жать плоскогубцами либо пинцетом или обмотать куском влаж ной ткани. Паять нужно быстро, для чего обязательно заранее
током.
залуживать обе спаиваемые поверхности. Перед подачей напря жения в схему следует тщательно проверить правильность сборки ее; напряжение источника питания необходимо поднимать посте пенно от нуля. При работе не допускать никаких, даже мгновен ных, перегрузок. В цепь источника напряжения целесообразно включать добавочное сопротивление, которое будет ограничивать ток, протекающий через ПТ. Величину сопротивления нужно выбирать такой, при которой в цепи коллектора ПТ не будет про текать ток выше допустимого значения для данного триода.
Г л а в а IV
ПИТАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
Ниже кратко описано устройство сухпх п нормальных эле ментов, выпрямителей н стабилизирующих устройств, применяе мых в электронных приборах контроля н автоматизации.
§ 1. Сухие элементы, нормальные элементы
Сухие элементы являются одним из видов гальванических элементов, в которых электрический ток возникает при химиче ской реакции между электродами (пластинами) и электролитом. В сухпх элементах в отличие от других электролит применяется
|
не в виде жидкости, а |
в виде |
||||||
|
киселеобразной массы, |
что |
де |
|||||
|
лает |
их |
более |
удобными |
в |
|||
|
эксплуатации. |
|
|
|
|
|||
|
На рис. 72 показано устрой |
|||||||
|
ство сухого элемента. К цинко |
|||||||
|
вому |
сосуду |
прямоугольной |
|||||
|
пли |
цилиндрической |
формы, |
|||||
|
являющемуся |
отрицательным |
||||||
|
электродом, |
припаян |
провод, |
|||||
|
служащий |
|
отрицательным |
по |
||||
|
люсом |
элемента. Внутри |
цин |
|||||
|
кового |
сосуда помещен |
поло |
|||||
|
жительный |
электрод, |
который |
|||||
Рпе. 72. Устройство сухого |
представляет собой круглый или |
|||||||
прямоугольный |
стержень |
нз |
||||||
' мента. |
угля. На верхнем конце поло |
|||||||
лен металлический колпачок, |
жительного |
электрода |
закреп |
|||||
к которому |
припаивается провод, |
|||||||
служащий положительным полюсом. Угольный стержень почти целиком помещен в мешочке, наполненном смесью перекиси мар ганца с порошком угля. Это так называемый деполяризатор.
В каждом гальваническом элементе, когда он работает, т. е. когда через него проходит ток, выделяется газообразный водород,
’ 10
который в виде иузырьков покрывает поверхность положитель ного электрода. Это явление, называемое поляризацией, понижает напряжение элемента. Для устранения (вернее, ослабления) явления поляризации и применяется деполяризатор. Перекись марганца поглощает выделяющийся па положительном электроде водород и препятствует образованию пузырьков газа. Порошок угля добавляется в деполяризатор для уменьшения электриче ского сопротивления. Весь положительный электрод, состоящий из угольного стержня и деполяризатора, называют агломератом.
Цинковый сосуд наполнен электролитом, который предста вляет собой киселеобразную массу, состоящую в основном из смеси нашатыря и крахмала. Сверху сосуд, залитый смолой, имеет не большое отверстие для прохода воздуха.
Гальванические элементы характеризуются следующими ве личинами, которые определяют их возможности и область приме нения: электродвижущей сплои, емкостью и максимальным раз
рядным током. |
определяется |
исключи |
Э л е к т р о д в и ж у щ а я с и л а |
||
тельно элементом, т. е. материалом его |
электродов, |
электроли |
том ц деполяризатором. Она не зависит от размеров и конструк ции (формы) элемента. Э. д. с. сухого элемента описанного тина
равна 1,5 в. Под нагрузкой |
(т. е. включенный в цепь) сухой |
|
элемент имеет |
напряжение |
на зажимах меньше величины его |
э. д. с. — около |
1,4 в. При длительном разряде напряжение эле |
|
мента постепенно уменьшается, доходя к концу разряда при мерно до 0,7 в.
Обычно при эксплуатации сухнх элементов емкость нх не используют полностью, так как в измерительных схемах компен сационных приборов напряжение батареи, в качестве которой чаще всего используется один сухой элемент, не может быть меньше э. д. с. нормального элемента (1019 те), в противном слу чае ток в измерительной цепи нельзя привести к стандартной величине. Сухие элементы, напряжение которых понизилось до 1 в, можно соединять по два последовательно и использовать вместо одного свежего. Если в этом случае сопротивления бата рейного реостата окажется недостаточно, включают добавочное сопротивление.
Е м к о с т ь ю э л е м е н т а называют то количество элек тричества, которое он может отдать при разряде силой тока нор мальной величины. Емкость измеряют в ампер-часах (а-ч), т. е. произведением силы разрядного тока в амперах на длительность разряда в часах до напряжения 0,7 в. Например, если элемент
разряжался |
током |
I = 100 та = ОД а в течение 1000 час., |
то его емкость равна |
||
|
|
0,1 х 1000 = 100 а-ч. |
Наоборот, |
если |
известны емкость элемента и ток, которым |
он будет разряжаться, то легко определить время продолжитель ности работы элемента, т. е. когда его напряжение понизится до
0.7 в. Например, имеем сухой элемент емкостью 30 а-ч, который работает в электронном потенциометре (разрядный ток 6 ма или 0,006 а); время разряда до напряжения 0,7 в будет равно
30 : 0,006 = 5000 час.
Практически в потенциометре этот сухой элемент может ра ботать в течение меньшего времени, так как разряжать его можно лишь до напряжения примерно 1,1 в, т. е. на 40—50% полной емкости.
Емкость элемента зависит от количества цинка, деполяриза тора п электролита. Она в значительной степени также зависит от того, каким током велся разряд, с уменьшением разрядного тока емкость возрастает. Перерывы в разряде также увеличивают емкость.
Максимальный р а з р я д н ы й т о к элемента данного типа зависит от его емкости н конструкции. Обычно он соответствует режиму 300—400-часового разряда. Сухие; элементы, используе мые для питания измерительных схем, разряжаются током, ко торый намного меньше максимального. Перегрузки элементов, даже кратковременные, сильно уменьшают их емкость, поэтому ни в коем случае не следует допускать испытание элементов «на искру», что иногда делается. Для проверки качества элемен тов следует измерять их напряжение под нагрузкой, т. е. вклю ченными на сопротивление, равное по величине или несколько меньшее того, на которое элемент будет разряжаться. Проверка напряжения элементов без нагрузки почти ничего не дает и только может ввести в заблуждение, так как совершенно разряженный элемент, будучи включен лишь на вольтметр, может показать напряжение более 1 в.
Величина максимального разрядного тока, так же как э. д. с. элемента и его емкость, обычно указывается на этикетке эле мента.
При долгом хранении неработающие сухие элементы снижают постепенно свою емкость вследствие так называемого самораз ряда. Предельным сроком хранения элементов считается один год после пх изготовления.
Кроме отдельных сухих элементов, выпускаются батареи сухих элементов, состоящие из нескольких элементов, соединен ных параллельно или последовательно.
Помимо обычных сухих элементов с марганцевой деполяриза цией, в настоящее время широко применяются элементы с марган цево-воздушной деполяризацией. От обычных элементов они отличаются тем, что у них к перекиси марганца по особым кана лам поступает наружный воздух, способствующий восстановле нию деполяризующих свойств перекиси марганца, что увеличи вает емкость элемента. Э. д. с. и максимальный разрядный ток таких элементов немного меньше, чем у обычных, но зато емкость значительно больше.
118
Нормальные элементы. Нормальными элементами называются гальванические элементы, которые применяются как эталоны напряжения для стандартизации силы тока в измерительных це пях компенсационных приборов. Гальванический элемент, исполь зуемый как нормальный, должен иметь постоянную э. д. с. Обычно в качестве нормальных элементов применяют ртутно-кадмиевые элементы Вестона. Они бывают двух разновидностей: так назы ваемый международный элемент Вестона и кадмиевый элемент Вестона. Первый используется в качестве нормальных элемен тов I п II классов, второй — в качестве нормального элемента III класса. В электронных приборах, как правило, применяются нормальные элементы III класса, т. е. кадмиевые элементы Ве стона.
■+
Рис. 73. Нормальный ртутно-кадмиевый элемент.
На рис. 73 показано устройство международного нормаль ного элемента Вестона. Он представляет собой стеклянный сосуд, имеющий форму буквы Н. В одно колено сосуда налито небольшое количество очищенной ртути, являющейся положительным элек тродом нормального элемепта. Ртуть покрыта слоем деполяриза тора, сверху которого находятся кристаллы сернокислого кадмия. В другом колене сосуда помещается амальгама кадмия (раствор кадмия в ртутя), являющаяся отрицательным электродом. Амаль гама кадмия также покрыта сверху кристаллами сернокислого кадмия. Электролитом элемента служит налитый в сосуд насы щенный раствор сернокислого кадмия. Так как в сосуде имеются кристаллы сернокислого кадмия, то раствор в сосуде оказывается насыщенным при любой температуре.
От электродов элемента сделаны выводы в виде проволок, впаянных в стекло сосуда. Стеклянный сосуд обычно вкладывается в специальный футляр, предохраняющий сосуд от повреждений п плюющий зажимы для подсоединения нормального элемента.
Кадмиевый элемент Вестона отличается от международного только тем, что в сосуде отсутствуют кристаллы сернокислого
119
кадмия. В качестве электролита используется насыщенный при 4* С раствор сернокислого кадмия. При нормальной темпера туре этот раствор не является насыщенным.
Параметры обоих элементов очень сходны, но все же неодина
ковы. |
|
|
при 20° |
Международный нормальный элемент Вестона имеет |
|||
э. д. с. |
Е = 1,0183 ± 0,0001 в. Температурный |
коэффициент |
|
э. д. с. незначительный, но такой, что его нужно |
учитывать при |
||
особенно |
точных измерениях: приблизительно 0,5 ме на |
10° С, |
|
причем при повышении температуры э. д. с. уменьшается. Вну треннее сопротивление элемента равно 500—1000 ом.
Кадмиевый нормальный элемент Вестона имеет при 20° С э. д. с. Е = 1,019 ± 0,0005 в. Температурный коэффициент практи чески равен нулю в диапазоне температур от 10 до 40* С. Внутрен нее сопротивление приблизительно 300 ом.
Следует помнить, что нормальный элемент может служить эталоном напряжения только тогда, когда от него потребляют ток, не превосходящий нескольких микроампер. В противном случае нормальный элемент сильно поляризуется и его э. д. с. уменьшается. Восстановление нормальной э. д. с. в зависимости от степени поляризации, т. е. от того, какой силы ток и как долго проходил через нормальный элемент, происходит от нескольких минут до многих часов. Поэтому при стандартизации тока по нор мальному элементу не следует его цепь замыкать на длительное время, нужно стараться ограничиваться кратковременными нажа тиями кнопки. Не нужно пытаться измерить э. д. с. нормального элемента стрелочным вольтметром; это можно сделать только ком пенсационным методом.
Вообще нормальный элемент требует некоторой осторожности в обращении: его нельзя резко встряхивать, ударять, перевора чивать, подвергать воздействию температуры выше 50* п ниже 0° С. Следует избегать замыканий накоротко, так как после этого нор мальный элемент может восстановить свою э. д. с. не^полностью
и таким образом выйти |
из допусков. |
§ |
2. Выпрямители |
Для питания анодных цепей электронных ламп, а иногда и для питания измерительных схем электронных приборов требуется довольно высокое постоянное напряжение. Его получают выпря млением переменного напряжения сети при помощи кенотронных выпрямителей или выпрямителей на полупроводниках (купроксных, селеновых и германиевых).
Кенотронные выпрямители. На рис. 74 приведены схемы выпрямления переменного тока при помощи электронных ламп (кенотронов).
Рядом со схемами приводятся графики распределения напря жений и токов в выпрямителе.
На рис. 74, а дана самая простая схема — однополуперпод ного выпрямления. Вторичная обмотка I I силового трансформа
120