книги из ГПНТБ / Белопольский, И. И. Стабилизаторы низких и милливольтовых напряжений

При правильном выборе величины сопротивления ре­ зистора Яз избыточная мощность, выделяющаяся в про­ цессе изменения напряжения питающей сети и тока на­ грузки, распределяется между транзисторами Гь Т2 и резистором Яз таким образом, что на резисторе Яз вы­ деляется до 70% мощности, а остальные 30% перерас­ пределяются между транзисторами Ті и Т2.

На рис. 56 представлена схема стабилизатора напря­ жения, питающегося от сети трехфазного тока. Эту схе­ му следует предпочесть однофазной схеме (рис. 55), так как напряжение питания регулирующего элемента, яв­ ляющееся выходным напряжением трехфазного мосто­ вого выпрямителя, не проходит через нуль и область, близкую к нулю, что исключает выход регулирующего элемента из рабочего режима и улучшает его регули­ рующие свойства. Кроме того, эти схемы позволяют равномерно нагружать все фазы питающего напряжения.

13. А Н А Л И З РАБОТЫ И РАСЧЕТ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМ ЕНТА

Как уже отмечалось, применение в качестве измеритель­ ных элементов стабилизаторов низких и милливольтовых напряжений релаксацион­

питания генератора,

109

Благодаря наличию на вольт-амперной характеристи­ ке туннельного диода участка отрицательной проводи­ мости диод этого типа может быть использован для по­ строения схем генераторов релаксационных колебаний. Такие генераторы могут работать на частотах от не­ скольких герц до нескольких мегагерц.

Простейшая схема замещения релаксационного гене­ ратора показана на рис. 57,а, а его полная схема заме­

рактеризуется графиками, приведенными на рис. 58. График рис. 58,а показывает, как перемещается ра­

бочая точка генератора по вольт-амперной характери­ стике туннельного диода; график рис. 58,6 характеризует временную зависимость напряжения на туннельном дио­ де на каждом участке его

но

После прохождения точки д (рис. 58,«) сопротивле­ ние диода становится положительным. Энергия, запа­ сенная в емкости, рассеивается в резисторах и поэтому ток и напряжение достигают значений, соответствую­ щих точке а. Однако напряжение питания генератора вновь выводит рабочую точку на участок / (рис. 58,а), после чего описанный выше цикл повторяется снова.

Приведем теперь расчет релаксационного генерато­ ра на , туннельном диоде и индуктивности, покажем условия возникновения генерации [Л. 19, 20] и рассмот­ рим его работу непосредственно в режиме измеритель­ ного элемента как составной части стабилизатора низ­ ких и миляивольтовых напряжений.

Для первого возрастающего участка вольт-амперной характеристики туннельного диода (рис. 58,а) построим упрощенную схему замещения (рис. 60). При этом пре­ небрегаем значениями Сд, Rl, Ra, La, поскольку они малы и при выводе расчетных соотношений существен­ ной роли не играют.

Запишем уравнение контура в операторном виде

где Rti — R + Rnü h — начальный ток туннельного диода; RKi — дифференциальное сопротивление диода на / уча­ стке (рис. 58).

Применяя преобразование Лапласа к выражению

(74), можно записать:

а

При решении этого уравнения воспользуемся разло­ жением Хевисайда. Учтем также, что после первого

* Увеличение тока в области отрицательной проводимости очень незначительно и в дальнейшем при выводе расчетных соотношений мы будем пренебрегать, полагая ток в точке а равным /2 — току впа­ дины вольт-амперной характеристики туннельного диода.

112

цикла ток Iо становится равным току k. Тогда после нахождения оригинала уравнения (75) получим:

'Rn)

Длительность участка I (рис. 58,а) может быть определена, если подставить u{t)=ui и решить уравне­ ние (76) относительно 7Ѵ В результате решения по­ лучим:

R

Поскольку вольт-амперная характеристика на участ­ ке / близка к линейной, то с некоторым приближением можно считать:

Участки II и IV на рис. 58,а являются неустойчивы­ ми участками (режим переключения).

Согласно {Л- 20] время переключения при возбужде­ нии генератора постоянным током может быть записано в виде

Эта величина очень мала и составляет приблизи­ тельно 1,5 нсек. Небольшой отрицательный выброс

импульса в конце Н и IV участков можно отнести за счет последовательной ■резонансной схемы, со­ стоящей из индуктивности и емкости туннельного ди­ ода. На участке III (рис. 58,а) рабочая точка пере­ мещается вдоль характе­ ристики от точки в к точ­ ке г. Определение вели­ чины дифференциального сопротивления уеложня-

ется зд,есь тем, что прямая, используемая для аппро­ ксимации кривой, не может быть проведена через на­ чало координат. Эту трудность можно преодолеть, если провести прямую, имеющую тот же наклон, что и сред­ ний наклон кривой, и продолжить ее до пересечения с осью напряжения. Характеристика в этой области мо­ жет быть приближенно представлена сопротивлением, равным обратной величине наклона прямой, которое соединено последовательно с источником эквивалентно­ го напряжения, равного напряжению из и включенному встречно по отношению к напряжению питания генера­ тора.

Упрощенная схема замещения для этого участка по­ казана на рис. 61. Здесь, как и в схеме замещения уча­ стка /, значениями Сд, Rl, Rb и LB можно пренебречь.

Если прямая проходит через точки в н г (рис. 58,а),, то сопротивление туннельного диода в этой области мо­ жет быть представлено как

Ядз = г Е т L (8°)

L\ 12

и требуемое выражение для напряжения Из может быть записано в следующем виде:

Это выражение выводится с помощью уравнения прямой, характеризующей дифференциальное сопротив­ ление туннельного диода на участке III и проходящей через точки в и г. При выводе выражения используется наклон прямой и точка и3, в которой прямая в, г пере-

114

секается с осью напряжения. В начале участка III на­ чальные условия преобразования Лапласа IqL запишут­ ся как iiL, поскольку/о=г’і.

Тогда

Решая уравнение (82) с помощью преобразования Лапласа, получаем:

и — Из

При решении (84) для определения оригинала вос­ пользуемся разложением Хевисайда.

Тогда

Из (79) и (86) видно, что период повторения им­ пульсов зависит от величины напряжения и. Таким образом, с изменением напряжения меняется и период

повторения импульсов, причем при увеличении напря­ жения и время Ті (время паузы) уменьшается с увели­ чением Т3 (времени импульса), а при уменьшении на­ пряжения и — значение Ті увеличивается, а Т3— умень­ шается. Это способствует увеличению стабильности напряжения на выходе стабилизатора, так как среднее за период значение сигнала, воздействующего на регу­ лирующий элемент, будет увеличиваться с увеличением выходного напряжения стабилизатора и уменьшаться с его уменьшением. При этом в первом случае регули­ рующий элемент будет находиться в закрытом состоя­ нии в течение большого времени (по сравнению со вто­ рым случаем). Из выражения (79) видно, что Ті— >-оо, когда и приближается к ііЯи.

Для обеспечения нормальной работы генератора не­ обходимо, чтобы

в уравнение (81), получаем условие, при котором еще сохраняется устойчивая работа генератора в виде

Это соотношение является одним из условий, необхо­ димых для возникновения генерации. С другой стороны, если в (91) обе части неравенства равны между собой, то колебания прекратятся.

Отсюда находим максимальное значение R из урав­ нения

iiR + Ui= izR + Uz.

11 6

В результате получим следующее выражение для определения величины R:

ется в возникновении генерации при подаче на генера­ тор с выхода стабилизатора напряжения и> и1+ ііЯ, что обеспечивается соответствующим построением прин­ ципиальной электрической схемы стабилизатора, и сры­ ве колебаний при u < U y + iyR. Таким образом, напряже­ ние и, при котором генератор запускается, будет равно:

возникновение (при -НАи )или срыв (при —Аи) колеба­ ний генератора.

Но в стабилизаторе после запуска генератора про­ изойдет понижение выходного напряжения, а следова­ тельно, и понижение напряжения и до значения:

u = Ui+ iyR—Аих

что нарушает одно из необходимых условий работы ге­ нератора, в результате чего происходит срыв генерации. Далее цикл будет повторяться. В результате на выходе стабилизатора напряжение колеблется в пределах

ровать в широком диапазоне путем изменения коэффи­ циента а. Напряжение, снимаемое с выходного делителя стабилизатора іRit R2 (рис. 62,а), может быть представ­

Следовательно, при выборе сопротивления делителя должно выполняться условие (92), а в случае стабили­ зации напряжений в пределах 0,2—0,5 в необходимо также учитывать и выражение (88).

Для получения высокой стабильности выходного на­ пряжения и малых выходных пульсаций частота пере­ ключения релаксационного генератора должна выби­

117

раться достаточно высокой; при этом скважность им­ пульсов должна быть небольшой, так как в этом случае мощность генератора, отдаваемая в нагрузку, будет увеличиваться.

Для определения длительности периода колебаний релаксационного генератора может быть предложена следующая последовательность расчета [Л. 20].

L

Рис 62. К расчету выходного делителя стабили­ затора напряжения.

а — принципиальная электрическая схема; б — схема за­ мещения.

1)Выбирают туннельный диод и определяют его параметры i'i, k, щ, и2, из, Ut по вольт-амперной харак­ теристике (рис. 58,а).

2)Выбирают сопротивление R на основании (92)

ис учетом (88).

3)Определяют диапазон и, при котором возможен запуск релаксационного генератора, на основании урав­ нения (91).

4)Задаваясь временем Гі или Тз, определяют зна­

ных элементов стабилизатора. Качественные показатели стабилизатора определяются в основном показателями измерительного элемента, важнейшими из которых яв­ ляются высокая чувствительность, стабильность пара­ метров во времени и при изменении внешних факторов, воздействующих на измерительный элемент, особенно температуры.

118