книги / Электронные приборы контроля и автоматизации нефтехимического производства

тора Тр включена на анод — катод диода. В эту же цепь вклю­ чена и нагрузка 7?н. Через лампу в этом случае, как и через об­ мотку трансформатора н через нагрузку, будет проходить ток / н в течение тех половин периодов, когда на анод диода будет пода­ ваться плюс.

На рис. 74, б показана схема двухполупериодного выпрямле­ ния. Концы вторичной обмотки трансформатора присоединяются к анодам двух различных диодов Л\ и Лъ. Средняя точка вторич­ ной обмотки трансформатора через сопротивление нагрузки соединена с катодами обоих диодов. Таким образом, на анод —

Рис. 74. Использование диодов для выпрямления переменного тока.

катод каждого диода подается напряжение половины вторичной обмотки трансформатора, причем на Лх левой, а на Лч правой половины. Величины этих напряжений всегда равны, но знаки в любой момент противоположны. В ту половину периода, когда на анод Л\ подается плюс, на анод Лг подается минус н наоборот. Таким образом, в общей цепи обеих ламп, в которую включено сопротивление нагрузки, в течение всего периода протекает т о к /н одного направления, но изменяющийся по величине (пульсирую­ щий ток).

На рис. 74, в приведена схема двухполупериодного выпрями­ теля в том виде, как она обычно выглядит на практике. Здесь применен один двуханодный кенотрон, а не два отдельных диода. На выходе выпрямителя стоит фильтр, состоящий из конденсато­ ров большой емкости С\ и Сч и дросселя со стальным сердечни­ ком Др. Фильтр сглаживает пульсацию тока в нагрузке.

121

Часто кенотронные выпрямители, применяемые в электронных контрольно-измерительных приборах, отдают очень небольшой ток (единицы ма), так как питают лишь анодные цепи усилителя напряжения.

Здесь нецелесообразно применять в качестве выпрямительной лампы специальный кенотрон, так как самые маломощные кено­ троны рассчитаны на выпрямлепный ток в несколько десятков миллиампер и потребляют значительную мощность па накал ка­ тода. Поэто.му вместо кенотронов применяются маломощные уси­ лительные триоды. В электронных потенциометрах, мостах и не­ которых других приборах для этой цели используют остающуюся «свободной» половину двойного триода.

Триод включается диодом, т. е. сетка его соединяется с анодом пли с катодом (рис. 75). Включение, показанное на схеме, имеет то преимущество, что в этом случае меньше вероятность замыка­ ния н пробоя между анодом и катодом диода, так как расстояние между анодом и сеткой больше, чем между сеткой и катодом. Правда, в этом случае внутреннее сопротивление диода полу­ чается больше, чем при соединении сетки с анодом, но в данном случае это не является недостатком. Дпод Л включается в схему однополуперподного выпрямления, т. е. последовательно с обмот­ кой II трансформатора, которая является источником переменного напряжения, и сопротивлением нагрузки Яа. Ток через диод про­ ходит только в течение тех полуперподов переменного напряже­ ния, когда на его аноде оказывается плюс. Этот же пульсирую­ щий ток проходит и через сопротивление нагрузки Ян, на котором будет выделяться пульсирующее напряжение.

На анодные цепи ламп усилителя напряжения, являющиеся нагрузкой для выпрямителя, должно подаваться не пульсирую­ щее напряжение, а постоянное. Во всяком случае пульсация не должна быть большой. Для уменьшения пульсации напряже­ ния на сопротивлении нагрузки параллельно этому сопротивле­ нию включают конденсатор большой емкости, который отфильтро­ вывает переменную составляющую, поэтому он и называется кон­ денсатором фильтра.

Фильтр, состоящий из одного конденсатора, самый простой. Обычпо фильтр состоит из двух конденсаторов и омического

когда нагрузка потребляет небольшой ток, так как постоянный ток проходит по сопротивлению нагрузки Ян, а затем по сопроти­ влению фильтра Яф, на котором происходит падение напряже­ ния.

122

В фильтрах выпрямителей, рассчитанных на большой ток, вместо сопротивления ставят дроссель, катушку индуктивности со стальным сердечником. Дроссель имеет большое индуктивное сопротивление и малое сопротивление постоянному току. Поэтому для переменной составляющей его сопротивление велико, чем достигается хорошая фильтрация, а для постоянной составляю­ щей сопротивление незначительно и не вызывает большой потери выпрямленного напряжения.

Фильтры с сопротивлением (обычно непроволочным) выгодны тем, что значительно дешевле и имеют размеры в несколько раз меньше, чем фильтры с дросселями. Поэтому они применяются всегда, когда выпрямленный ток не превосходит нескольких мил­

Полупроводниковые выпрямители могут быть использованы в различных схемах выпрямления: однополупериодных, двухполупернодных, мостиковых и в схемах удвоения и утроения напряжения. В контрольно-измерительных электронных приборах чаще, чем другие, применяются однополупериодная и мостиковая схемы.

При однополупериодной схеме (рис. 76) выпрямительный эле­ мент или столбик включается последовательно с источником пере­ менного напряжения (обмотка трансформатора) и сопротивле­ нием нагрузки. На рис. 76, а показан рисунок столбика, вклю­ ченного по однополупериодной схеме, а на рис. 76, б схема такого включения, причем выпрямительный столбик В обозначен услов­ ным знаком, принятым для твердых выпрямителей. Знак этот применяется независимо от числа выпрямительных элементов (шайб) в столбике; зажим столбика или диода, с которого сни­ мается плюс, обозначается черточкой, минус — треугольником.

Ток через выпрямительный элемент проходит только в тече­ ние одного полупериода. В течение второго полупериода он пре­

123

граждает путь току обратного направления и в это время оказы­

полупроводниковых выпрямительных элементов уже говорилось. Величина обратного напряжения, которое попадает на этот эле­ мент, зависит не только от величины переменного напряжения, но и от схемы выпрямителя.

Схема рис. 76, в поясняет, из каких величин складывается обратное напряжение на выпрямительном элементе В в однополупериоднон схеме в том случае, когда на выходе выпрямителя стоит

ника переменного тока в течение того полупериода, когда ток

Рис. 76. Схема включения полупроводникового выпрямителя в однополупериодную схему выпрямления.

на схеме. Следовательно, обратное напряжение равно сумме выпрямленного и шЫщ> п переменного напряжений, так как они оказываются включенными последовательно.

Так как величина переменного напряжения в течение периода изменяется от нуля до амплитудного значения, то максимальная величина обратного напряжения в однополуперподной схеме равна сумме выпрямленного напряжения и амплитудного значе­ ния переменного напряжения. Амплитудное значение переменного напряжения в 1,41 раза больше эффективного значения перемен­ ного напряжепня, которое показывают обычные измерительные приборы п которое всегда имеют в виду, когда говорят о величине перемеппого напряжения. Таким образом, при однополупернодной схеме выпрямленпя обратное напряжение на столбик пре­ восходит примерно в два с половиной раза переменное напряже­ ние, подводимое к выпрямителю. Из этого и нужно исходить при определении необходимого числа шайб в столбике пли числа диодов, включенных последовательно.

Мостиковая схема выпрямленпя (рис. 77, б) состоит из четырех выпрямительных элементов или столбиков и работает по принципу двухполупериодного выпрямления. Имеются столбики, в которых шайбы и выводы расположены так, что один столбик может быть включен в мостиковую схему (рис. 77, а). На схеме показано

124

прохождение тока через выпрямитель в течение одного (сплошные стрелки) и другого (пунктир) полупериодов переменного напряже­ ния. В мостиковой схеме обратное напряжение на каждом из четы­ рех плеч равно примерно переменному напряжению. Преимуще­ ство мостиковой схемы по сравнению с обычной двухполупернодной состоит в том, что она не требует наличия средней точки в обмотке трансформатора, причем со вторичной обмотки должно сниматься вдвое меньшее напряжение, чем при двухполупериодной схеме.

Применяя в выпрямителях германиевые диоды (ДГ-Ц), при­ ходится считаться с их особенностями: очень малым сопротивле­ нием в прямом направлении и значительным разбросом значений сопротивлений в обратном направлении у различных экземпляров.

а

Рис. 77. Мостиковая схема.

Небольшая величина сопротивления в прямом направлении является преимуществом этих диодов, но одновременно не допу­ скает даже кратковременного закорачивания нагрузки, а тем более выходных зажимов выпрямителя до фильтра. В этих слу­ чаях германиевые диоды, как правило, быстро разрушаются. К таким же последствиям приводит неправильное включение хотя бы одного диода в мостиковой схеме. В этом случае раз­ рушаются два диода. Для предупреждения подобных явлений целесообразно собранные выпрямители на ДГ-Ц опробовать при пониженном напряжении. По возможности следует избегать применения в фильтрах электролитических конденсаторов; в про­ тивном случае необходимо включать добавочные сопротивления на выходе выпрямителя.

Разброс по сопротивлениям в непроводящем направлении приводит к необходимости при последовательном включении германиевых диодов отбирать их с примерно равными сопротивле­ ниями или же шунтировать диоды постоянными непроволочными сопротивлениями. В противном случае обратное напряжение, распределяясь неравномерно между диодами (пропорционально величинам их сопротивлений), может пробить сначала один диод (с более высоким сопротивлением), а затем и другой.

Силовые трансформаторы. Для питания электронного прибора от сети переменного тока необходимо бывает не только выпрямить

125

переменное напряжение сети, но и изменить его по величине, причем обычно требуется несколько различных величин перемен­ ного напряжения для питания выпрямителя, накала ламп, пита­ ния фазочувствителыюго каскада и т. д.

Напряжение сети изменяют прп помощи силового трансформа­ тора.

Силовые трансформаторы электронных приборов контроля п автоматизации мало отличаются от трансформаторов радио­ приемников и другой радиоаппаратуры малой мощности. Основное отличие состоит в том, что прп расчете трансформаторов для при­ боров принимаются меры к тому, чтобы снизить влияние магнит­ ных полей рассеивания, которые ведут к возрастанию помех на входе электронного усилителя. Достигается это главным образом тем, что стальной сердечник трансформатора делается значительно большего сечения, чем это требуется величиной мощности.

Кроме того, силовые трансформаторы приборов рассчитывают на длительную непрерывную работу прп неблагоприятных усло­ виях охлаждения.

Для уменьшения помех, проникающих из сети, первичная обмотка трансформатора обычно экранируется от остальных обмо­ ток так называемым электростатическим экраном, который пред­ ставляет собой незамкнутый виток из тонкой металлической ленты (фольги), соединенной с корпусом прибора.

Ниже приводится упрощенный расчет трансформатора, кото­ рый практически дает вполне удовлетворительные результаты

всмысле получения необходимых напряжений и мощностей.

1.Определяется мощность, отдаваемая вторичными обмотками трансформатора. Для этого находят мощность, отдаваемую каждой вторичной обмоткой, путем умножения напряжения, снимаемого с обмотки, на силу тока в ее цепи. Затем мощности всех вторичных обмоток складываются. Результат дает мощность вторичных

обмоток Р 2 .

2.Определяется первичная мощность Pi из соотношения

Л= 1,25 Рг.

3.Определяется необходимое сечение стального сердечника по формуле

126

5.Определяется число витков в каждой обмотке но формулам:

впервичной обмотке

мд = 0.97Y и г: во вторичной повышающей обмотке

w2 =■ 1,06 Y U2; во вторичной понижающей обмотке

ws = 1,04Y Us.

6. Определяются диаметры проводов обмоток. При этом исхо­ дят из силы тока, который протекает в данной обмотке при полной нагрузке трансформатора. Токи во вторичных обмотках задаются,

ав первичной обмотке сила тока определяется из выражения

Вмаломощных трансформаторах (до 100 вт) при определении диаметров проводов следует считать допустимой плотностью тока, т. е. допустимой силой тока, приходящегося на 1 мм2сечения провода, величину в 2 а!мм2. Можно определить диаметр прово­

дов и по следующей формуле: d = 0 ,8 }//, где / в a, a d в мм. Следует предпочитать провода с эмалевой изоляцией.

7. Определяются размеры окна стального сердечника, необхо­ димые для того, чтобы все обмотки разместить в окне. Для этого определяют площадь, которую займут обмотки (по таблице при­ ложения 7), прокладки между ними и каркас.

Для определения площади окна нужно сложить полученные по таблице результаты для всех обмоток и удвоить, чтобы учесть недостаточно плотную намотку, прокладки между слоями и между обмотками и место, занимаемое каркасом.

В практике работы цеха КИП нужные трансформаторы чаще всего изготовляются на сердечнике из имеющихся в наличии подходящих по размерам пластин. В этом случае дело сводится к проверке заполнения окна, т. е. войдут ли обмотки в окно данных размеров.

Проверка заполнения ведется в следующей последовательности. 1. Определяют ширину намотки, которая на 2—3 мм меньше ширины каркаса катушки и на 5—8 мм меньше длины окна.

2.Определяют для каждой обмотки количество витков, кото­ рое укладывается в одном слое. Для этого ширину намотки делят на диаметр изолированного провода обмотки.

3.Определяют количество слоев в каждой обмотке, для чего число витков в обмотке делят на число витков в одном слое.

4.Находят толщину каждой обмотки, пользуясь выражением

127

Коэффициент 1,25 учитывает плотность намотки. Прибавление к результату величины от 1 до 3 мм учитывает место, занимаемое прокладками. В случае обмотки с большим количеством слоев следует прибавлять к результату 2—3 мм, при небольшом числе

ширины окна, так как нужно учитывать место, занимаемое гиль­ зой каркаса, и необходимость зазора между катушкой и сер­ дечником.

Если при проверке окажется, что катушка не помещается в окне сердечника, потребуется или взять сердечник с большим окном, или увеличить толщину пакета железа. В последнем случае увеличится сечение сердечника Qc, уменьшится число витков на вольт у и, следовательно, сократятся количество витков во всех обмотках и толщина катушки. Однако злоупотреблять излишним увеличением Q0 не следует, так как это приводит к нерациональному использованию сердечника. Нужно стараться подобрать сердечник с такими размерами окна, чтобы катушка входила при Q0, которое не превосходит величины сечения, опре­ деляемого величиной мощности первичной обмотки Pi.

При выборе размеров пластин для сердечника следует исходить из того, что отношение толщины пакета к ширине среднего керна пластины должно быть в пределах от 1,5 : 1 до 2,5 : 1.

§ 3. Стабилизаторы

Для нормальной работы некоторых цепей электронных при­ боров, питаемых от сети, а иногда и всех цепей приборов тре­ буется постоянство напряжения. В этих случаях прибегают к стабилизации напряжений, к компенсации изменений питающих напряжений, вызываемых изменением напряжения сети. Стабили­ зируются переменное и постоянное напряжения после выпрямле­ ния.

В контрольно-измерительных приборах обычно применяются простые стабилизаторы — феррорезонансные стабилизаторы и ста­ билитроны.

Феррорезонансные стабилизаторы. Переменное напряжение обычно стабилизируется при помощи феррорезонансных стабили­ заторов. В этих стабилизаторах используется нелинейность характеристики намагничивания трансформаторной стали, из кото­ рой делаются пластины сердечников трансформаторов и дрос­ селей.

Известно, что если увеличивать силу тока, протекающего по обмотке дросселя или трансформатора, то увеличивается и магнитный поток в сердечнике. При сравнительно небольших величинах магнитного потока он увеличивается пропорционально силе тока, т. е., например, при увеличении силы тока вдвое магнитный поток увеличивается вдвое. Но когда магнитный

128

поток превысит некоторый предел, эта пропорциональность нарушается, наступает так называемое насыщение сердечника. При этом режиме с увеличением силы тока вдвое магнитный поток возрастает всего на 10—15%, при уменьшении силы тока вдвое магнитный поток уменьшается также на 10—15%. Происходит это потому, что при насыщении сердечника резко уменьшается его магнитная проницаемость, т. е. возрастает его магнитное сопротивление.

Индуктивное сопротивление дросселя или обмотки трансфор­ матора зависит от магнитной проницаемости его сердечника и остается постоянным только при неизменной величине магнитной проницаемости сердечника. В случае насыщения сердечника магнитная проницаемость резко падает и вызывает уменьшение индуктивного сопротивления. В дросселе или трансформаторе

Рис. 78. Схемы феррорезонансных стабилизаторов.

с насыщенным сердечником индуктивное сопротивление обмоток сильно зависит от силы протекающего по обмоткам тока: с увели­ чением силы тока сопротивление падает, с уменьшением воз­ растает. Это явление и используется для стабилизации перемен­ ных напряжений.

На рис. 78, а приведена простая схема феррорезонансного стабилизатора. Напряжение сети, которое подлежит стабили­ зации, подается на делитель напряжения, состоящий из двух дросселей Дрх п Дръ.

Дрх — дроссель с ненасыщенным сердечником. Нужный режим его магнитной цепи достигается тем, что сердечник дросселя имеет воздушный зазор. Большое магнитное сопротивление воздушного зазора приводит к тому, что общее магнитное сопро­ тивление сердечника дросселя Дрх при изменении силы тока, протекающего по его обмотке, изменяется очень мало. В резуль­ тате этого и индуктивное сопротивление его практически не изме­ няется.

Дрг — дроссель с насыщенным сердечником. Сеченпе его сер­ дечника делается незначительным, а количество витков в обмотке большим, так что в рабочем режиме сердечник оказывается насы­ щенным и его магнитное сопротивление сильно зависит от намаг­ ничивающего тока. Следовательно, индуктивное сопротивление

дросселя Др2 изменяется при изменении силы тока, протекающего по его обмотке.

Выходное напряжение С/г снимается с дросселя Дрг, его вели­ чина зависит от U\ и относительных величин индуктивных сопро­

ние Дрг уменьшится, Дрг останется неизменным. Следовательно, сопротивление Дрг составит меньшую часть общего сопротивления делителя напряжения, а напряжение Иг меньшую часть напря­

этого колебания выходного напряжения 11г будут меньше, чем входного U1, т. е. напряжение будет стабилизироваться.

Чтобы облегчить получение необходимого режима насыщения в сердечнике дросселя Дрг и усилить стабилизирующее действие схемы, параллельно обмотке Дрг включают конденсатор С, емкость которого подбирают так, чтобы он с Дрг образовывал колебательный контур, резонансная частота которого была бы близка к частоте сети, т. е. в контуре был режим, близкий к резо­ нансу токов (откуда и название способа стабилизации).

На схеме (рис. 78, а) выходное напряжение Uг меньше вход­ ного напряжения Uь Чтобы получить иг нужной величины (равной U1 , большей его или меньшей), включают дроссель Дрг как автотрансформатор (рис, 78, б). Здесь U-^a больше падения напряжения на Дрг, a U%e меньше его. С этой же целью часто делают на дросселе Дрг специальную обмотку, с которой и сни­ мают стабилизированное напряжение С/з (рис. 78, в). В этом случае Дрг фактически уже является не дросселем, а трансформа­ тором. Как правило, применяют также автотрансформаторное включение конденсатора С, как это показано на рис. 78, в и г. Делается это для уменьшения емкости С, необходимой для созда­ ния резонансного режима. Чтобы увеличить степень стабилизации, на дросселе Дрг делают дополнительную обмотку (рис. 78, в), которая включается последовательно с выходной обмоткой Дрг так, чтобы напряжение Uг вычиталось из С/з. Тогда выходное напряжение

и2= и3- и4.

Величину U 4 подбирают так, чтобы изменения напряжений С/з и U4 при изменении Ui были одинаковы и компенсировались. При этом абсолютная величина С/з будет значительно больше Ui, так как напряжение на Дрг при изменении Ui изменяется гораздо сильнее, чем напряжение на Дрг. При тщательной подгонке компенсирующего напряжения Ui можно получить очень высокую степень стабилизации. Когда необходимо иметь несколько стаби­ лизированных напряжений, применяют несколько пар таких обмоток (рис. 78, г).

130