книги / Электронные приборы контроля и автоматизации нефтехимического производства

Феррорезонансные стабилизаторы могут поддерживать выход­ ное напряжение постоянным (до ±0,5% и выше) только при усло­ вии постоянства частоты тока в сети, которая практически не остается постоянной, поэтому даже хорошо отрегулированный стабилизатор поддерживает выходное напряжение с точностью не более ±1% . Недостатком феррорезонансных стабилизаторов является и сильное искажение формы переменного напряжения сети (появление третьей гармоники — 150 гц). Это приводит к тому, что если феррорезонансный стабилизатор питает выпрямитель, то выпрямленное напряжение несколько изменяется при изме­ нении напряжения питающей сети, несмотря на то, что вольтметр, включенный на выход стабилизатора, показывает неизменное действующее значение напряжения.

Кроме того, большим недостатком ферро­ резонансных стабилизаторов является нали­ чие очень сильного магнитного поля рас­ сеивания вследствие насыщения сердечника одного из дросселей. Это представляет боль­ шую угрозу для работы электронного при­ бора, так как возможно появление паразит­ ных напряжений индукции на его входных цепях. Поэтому или выносят феррорезонансные стабилизаторы из приборов в спе­ циальные блоки, или принимают меры к их тщательной экранировке.

Очень часто применяют феррорезо­ нансный стабилизатор (рис. 79) более про­

стого вида. Здесь дроссель с ненасыщенным сердечником заменен конденсатором С, который включен в первичную обмотку силового трансформатора Тр. Первичная обмотка трансформатора заменяет дроссель с насыщенным сердечником. Стабилизирующее действие этой схемы аналогично предыдущей; при изменении напряжения сети изменяются сила тока в первич­ ной обмотке трансформатора и индуктивное сопротивление этой обмотки. Вследствие этого напряжения между емкостным сопро­ тивлением конденсатора С и индуктивным сопротивлением пер­ вичной обмотки трансформатора перераспределяются так, что напряжение в этой обмотке (а следовательно, и на вторичных обмотках трансформатора) изменяется меньше, чем напряжение сети. Следует иметь в виду,что в цепи первичной обмотки трансфор­ матора этой схемы применяется режим, близкий к резонансному, поэтому напряжения на конденсаторе и первичной обмотке могут значительно превосходить напряжение сети. Схема имеет сле­ дующую особенность: при увеличении нагрузки на вторичные обмотки трансформатора (например, при коротком замыкании

По степени стабилизации простые феррорезонансные стабили­ заторы значительно уступают стабилизаторам с двумя дросселями и компенсационными обмотками.

Газовые стабилизаторы. В главе I описано устройство одной из разновидностей ионных приборов — неоновой лампы. Неоновые лампы, специально предназначенные для использования в схемах стабилизации — стабилитроны, применяются для стабилизации постоянных напряжений.

Особенность стабилитрона заключается в том, что сопротивле­ ние промежутка анод — катод при наличии тлеющего разряда не остается постоянным, а падает с возрастанием тока, проходя­ щего через стабилитрон. Вследствие этого падение напряжения на стаоилнтроне остается примерно постоянным при изменении

силы тока в широких пределах. Из при­

сопротивление Rc, которое обычпо называют стабилизирующим. Сопротивление нагрузки Ra включается параллельно стабили­ трону. На сопротивлении нагрузки устанавливается то же напря­ жение, что и на электродах стабилитрона, т. е. его рабочее напря­ жение U2. Ток I, потребляемый от источника стабилизируемого напряжения, полностью проходит по сопротивлению Rc и затем разветвляется на ток нагрузки / н = Ui!Ru и ток стабилитрона / с. Следовательно, / = /н + 1с. Напряжение на нагрузке и стабили­ троне U2 меньше напряжения Ui па величину падения напряжения на сопротивлении R0, т. е. Ui = Ui — IR C.

До того, как стабилитрон зажегся, ток через него не проходит

ипадение напряжения на сопротивлении Rc определяется током, который в это время проходит через сопротивление нагрузки. После зажигания стабилитрона его сопротивление резко падает

ичерез него начинает проходить ток такой силы, что дополни­

тельное падение напряжения на Rc за счет / с понижает вели­ чину U2 до рабочего напряжения стабилитрона. При этом данные схемы (£/i, Rc, RH) выбираются так, чтобы величина / с во всяком случае не оказалась больше верхнего предела рабочего тока стабилитрона.

При возрастании величины Ui ток через стабилитрон / с резко увеличивается, вследствие чего возрастает падение напряжения на i?c, а напряжение на стабилитроне и нагрузке Ui увеличи­ вается очень мало. При понижении Ui происходит обратное —

132

падает / с, уменьшается падение напряжения на Rc, a £/г остается почти неизменным.

Степень стабилизации, которую дает при описанном включении стабплптроп, зависит от данных схемы. Во время работы ток, проходящий через стабилитрон, изменяется, за счет чего и компен­ сируются изменения Ui вследствие изменения падения напряже­ ния на Rc. Чем сильнее изменяется в процессе стабилизации ток, проходящий через стабилитрон, тем сильнее колеблется напря­ жение на нагрузке. Если изменение / с захватывает всю рабочую область (5—30 ма), то изменение напряжения на нагрузке равно 2—3 в. Для уменьшения степени колебаний С/г необходимо

Тогда для создания необходимых дополнительных падений напряжения на Rc понадобятся меньшие изменения / с. Правда, при этом необходимо увеличить Ui. Обычно величину Rc выби­ рают такой, чтобы общее падение напряжения на нем составляло от 20 до 50% выходного напряжения С/г. Дальнейшее увеличение сопротивления Rc мало зтлучшает стабилизацию, но приводит к необходимости значительно увеличивать Ui.

Стабилитроны не только компенсируют медленные изменения выпрямленного питающего напряжения, по вследствие того, что стабилитрон практически действует мгновенно, они сглажи­ вают п пульсации выпрямленного напряжения, т. е. действуют, как конденсаторы очень большой емкости.

Если нужно стабилизировать напряжение, превосходящее рабочие напряжения стандартных стабилитронов (75, 105, 150 в), применяют последовательное включение нескольких стабили­ тронов. Можно включать последовательно разнотипные (по ста­ билизируемому напряжению) стабилитроны, подбирая нужное напряжение. В этом случае стабилизируемое напряжение равно сумме рабочих напряжений всех включенных последовательно стабилитронов. Например, если нужно стабилизировать напря­

последовательно три, четыре и более стабилитронов. Для облегче­ ния зажигания при последовательном включении все стабили­ троны, за исключением одного, шуптируются высокоомными сопротивлениями (рис. 81).

Если требуется стабилизированное напряжение, составляющее часть рабочего напряжения стабилитрона, его шунтируют делите­ лем напряжения, с которого снимают нужную часть или включают последовательно с сопротивлением нагрузки добавочное сопро­ тивление, гасящее излишек напряжения. В этих случаях при рас­ чете данных схемы сопротивлением нагрузки считается собственно нагрузка вместе с делителем или добавочным сопротивлением.

При помощи стабилитронов можно стабилизировать ток в нагрузке примерно до 50 ма. К сожалению, параллельное вклю­ чение однотипных стабилитронов с целью увеличения стабили­

133

зируемого тока невозможно, так как в этом случае нельзя добиться одновременного зажигания всех стабилитронов, включенных параллельно. Один из стабилитронов на какое-то мгновение зажигается раньше других, а это приводит к умень­ шению напряжения на всех стабилитронах ниже потенциала зажигания.

Стабилитроны при обычном включении обеспечивают стабиль­

стабилитронов, которым достигается стабильность напряжения до ±0,2% . Каскадное включение (рис. 82) заключается в том,

Нс

подключается стабилитрон Лi через стабилизирующее сопроти­ вление R cl. Но стабилизированное напряжение 17ч подается не на сопротивление нагрузки, а на второй стабилитрон Л ч через второе сопротивление R c2. Сопротивление нагрузки R u подклю­ чается параллельно второму стабилитрону. Так как питающим напряжением для II каскада является уже стабилизированное I каскадом напряжение U ч, то выходное напряжение U з имеет высокую стабильность (±0,2% ). В этой схеме Л \ и Л ч — разно­ типные стабилитроны, причем рабочее напряжение Л\ должно быть выше, чем Л ч. Можно применять такие пары стабилитронов: СГ-4С и СГ-ЗС, СГ-ЗС и СГ-2С, СГ-4С и СГ-2С. Также возможно в одном или обоих каскадах применять последовательное вклю­ чение двух или нескольких стабилитронов. Сопротивление нагрузки может быть подключено не только к выходному каскаду, но одно­ временно и к I каскаду (на схеме показано пунктиром).

Рабочие напряжения отдельных стабилитронов одного типа могут сильно различаться (в пределах нескольких вольт). Напри­ мер, номинальное рабочее напряжение СГ-ЗС равно 105 в. В дей­ ствительности оно может быть в пределах 105—109 в, а иногда и больше. Поэтому, если в схемах используются стабилитроны,

134

Неисправность стабилитрона обычно выражается в том, что он не зажигается при обычных условиях. Происходит это вследствие изменения давления газа внутри баллона (выделение газов элек­ тродами) и изменения поверхности электродов. Заводы-изготови­ тели гарантируют длительность работы стабилитронов в 500 час. На практике этот срок обычно достигает 2000 час. и более.

Кремниевые стабилизаторы. В последнее время получили широкое применение для стабилизации низких постоянных напря­ жений кремниевые диоды. Принцип дей­ ствия этих полупроводниковых приборов

описан в главе II, § 2. Схема их вклю­ чения для стабилизации напряжения (рис. 83) аналогична схеме с газоразряд­ ными стабилизаторами.

чаях применяются стандартные феррорезонансные стабилиза­ торы, выпускаемые промышленностью в виде самостоятельных

нансным стабилитронам, выпускаемым промышленностью.

В приборах, в которых требуется стабильность напряжений, питающих некоторые цепи, выше ±10% , феррорезонансные стабилизаторы вводятся в схему или комплект прибора.

135

Примененные порознь феррорезонансные и однокаскадные газовые стабилизаторы не могут обеспечить постоянство напря­ жения более ±1 % . Часто такой стабильности оказывается недо­ статочно, а поэтому предварительно стабилизируют переменное напряжение при помощи феррорезонансного стабилизатора, а затем после выпрямления постоянное напряжение стабилизируют при помощи стабилитрона.

стабильность напряжения приблизительно 0,1—0,2%, что во мно­ гих случаях дает возможность отказаться от применения батарей, сухих элементов и нормальных элементов. Имеющийся опыт показывает, что при помощи стабилизаторов можно вполне успешно и с большой выгодой питать не только приборы с непо­ средственным отсчетом (параметрические), но и измерительные схемы компенсационных приборов.

Обычно измерительные схемы компенсационных приборов питаются от сухих элементов со стандартизацией тока по нормаль­ ному элементу. Иногда приходится помещать нормальный элемент вне прибора из-за не подходящих для него температурных условий. Особенно много хлопот доставляет питание схем от сухих эле­ ментов, когда расход тока в цепи нагрузки имеет сравнительно значительную величину (выше 10 ма). Но и при меньшем потребле­ нии тока приходится менять сухие элементы не реже одного раза в год, что часто связано с трудностями.

Поэтому применение стабилизаторов для питания измеритель­ ных схем значительно упрощает эксплуатацию приборов.

Но следует учитывать, что стабилизируемое напряжение может с течением времени медленно изменяться. Поэтому в лабо­ раторных приборах, от которых требуется большая точность и которые проградуированы непосредственно в милливольтах, следует сохранить возможность периодической проверки по нор­ мальному элементу.

На рис. 84 приведены схема и все данные комбинированного стабилизатора, применяемого для питания измерительной схемы регистрирующего pH-метра. Он состоит из феррорезонансного стабилизатора (Tpi, Трг и Сх), который отдает мощность прибли­ зительно 10 ва, селенового выпрямителя В с фильтром и стабили­ трона типа СГ-ЗС. Сг и Сз — конденсаторы фильтра, сопроти­ вление В является одновременно стабилизирующим сопротивле­ нием и сопротивлением фильтра. Этот стабилизатор может отдавать ток до 12—15 ма. Сопротивление нагрузки //„ здесь, разумеется, включает и добавочные сопротивления, необходимые для гашения излишка напряжения.

На рис. 85 приведены схема и данные выпрямителя с двух­ каскадным газовым стабилизатором, также применяемого для пита­ ния измерительных схем компенсационных приборов.

Преимуществом комбинированного стабилизатора является его способность удерживать стабилизируемое напряжение при зна­

136

чительных понижениях напряжения сети (на 35—40%). К его недостаткам следует отнести некоторую сложность наладки феррорезонансного стабилизатора и наличие значительного магнитного поля рассеивания, что может создавать помехи в работе электрон­ ного прибора. Двухкаскадный газовый стабилизатор отличается

1 м к ф , 400 в (бумажный); С» — 2 м к ф , 400 в (бумажный); Сз — 30 м к ф , 300 в (электроли­ тический); R = 3 тыс. о м , 10 «ш ; В — селеновый выпрямитель, не менее 10 ш а й б тина

ВС-18 в плече (или по одпому диоду типа ДГ-Ц27 в плече).

1,5т 1,5т

Рис. 85. Выпрямитель с двухкаскадным газовым стабилизатором для пита­ ния измерительных схем компенсационных приборов.

Я — селеновый выпрямитель из шайб ВС-18 пли ВС-25 (по 10 шайб в плече) или ДГ-Ц27 (по одному диоду в плече); Ci— бумажный конденсатор 10 мкф, 400 в; С2 — электролити­

ческий конденсатор 30 мкф; 300 в.

простотой в устройстве п наладке, малогабаритен, не создает помех. Его недостатком является неустойчивая работа в случаях, когда понижения напряжения сети превосходят 10—15%, осо­ бенно при токах нагрузки более \Ъ м а . Степень постоянства выходного напряжения обоих видов стабилизаторов примерно одинакова.

137

В ответственных случаях все же следует предпочесть комбини­ рованный стабилизатор, как более надежный.

При наладке комбинированных стабилизаторов нужно начи­ нать с феррорезонансного стабилизатора, причем в качестве нагрузки следует использовать омическое сопротивление, имеющее величину, примерно эквивалентную сопротивлению стабилитрона и нагрузки.

При наладке феррорезонансных стабилизаторов следует иметь в виду, что каждый стабилизатор, изготовленный по приведенным данным, хорошие результаты дает обычно только после подбора наивыгоднейшей толщины пакета сердечника трансформатора Тр i (с насыщенным сердечником) и величины воздушного зазора дросселя. Объясняется это прежде всего различным качеством трансформаторной стали. Нужно добиваться, чтобы при нормаль­ ной нагрузке стабилизатор входил в режим (т. е. давал на выходе стабилизированное напряжение) уже при первичном напряжении, которое меньше нормального на 30—40%, и чтобы при отклоне­ ниях этого напряжения на ±10% от нормы вольтметр, включен­ ный параллельно нагрузке, не показывал заметных на глаз откло­ нений.

При наладке стабилизатора со стабилитроном следует обратить внимание на то, чтобы величина тока, проходящего через стабилитрон, при нормальной величине нагрузки была в пределах 17—20 ма. В случае невыполнения этого условия следует изме­ нить величину стабилизирующего сопротивления R c или, если есть возможность, напряжения на выходе выпрямителя. Если стаби­ лизатор работает с селеновым или купроксным выпрямителем, нужно помнить, что сопротивление выпрямителя через несколько месяцев работы может возрасти настолько, что может по­ надобиться дополнительная регулировка стабилизатора, обычно выражающаяся в уменьшении стабилизирующего сопротив­ ления.

Необходимость регулировки определяется по величине изме­ нения силы тока, проходящего через стабилитрон. Если не принять соответствующих мер, то рабочий участок может распростра­ ниться на изгиб характеристики стабилитрона, в этом случае степень стабилизации уменьшится. При значительном возрастании сопротивления выпрямителя может наступить режим, при котором возникают так называемые релаксационные колебания. Внешне это проявляется в том, что стабилитрон непрерывно зажигается и гаснет («мигает»). Устраняется это явление созданием условий, при которых сила тока, проходящего через стабилитрон, имела бы нормальную величину, т. е. нужно уменьшить сопротивление R c или увеличить напряжение выпрямителя.

При наладке каскадного газового стабилизатора следует подобрать такие данные схемы, чтобы токи, протекающие через оба стабилитрона, незначительно отличались от токов наивыгодненшей величины (17—20 ма). При этом нужно обратить внимание на такую характерную деталь: оба стабилитрона должны зажи­

138

гаться при подаче напряжения на стабилизатор при подключенной нагрузке. Если этого не удается достигнуть при данном напряже­ нии выпрямителя, то следует напряжение повысить. Наивыгод­ нейшей парой стабилитронов для работы в двухкаскадном стаби­ лизаторе нужно считать СГ-4С и СГ-ЗС (СГ-Ш и СГ-2П). В таком стабилизаторе (рис. 85) при токе нагрузки до 15 ма требуются напряжение выпрямителя £7i = 220—240 в и стабилизирующие сопротивления Rci = R c = 1500 ± 1700 ом. При токе нагрузки больше 15 ма для получения той же степени стабилизации необхо­ димо увеличить U1. Можно добиться устойчивой работы стабили­ затора при токах нагрузки до 35—40 ма и при Ui = 240 в путем

Рис. 86. Стабилизированный источник питания с кремниевыми стабили­ тронами.

литический конденсатор ЭМ 15 мкф, 2и в; KCi — кремниевый стабилитрон Д813; НС2 —

уменьшения величины стабилизирующих сопротивлений до 800— 1000 ом, но при этом стабильность выходного напряжения зна­ чительно снизится.

К двухкаскадному стабилизатору, разумеется, относится все, что сказано о комбинированном в отношении наблюдения за токами стабилитронов и о необходимости дополнительной регулировки при изменении сопротивления выпрямителя.

Феррорезонансные и газовые стабилизаторы поддерживают постоянство выходного напряжения не только при изменении питающего (первичного) напряжения, но и при изменении нагруз­ ки стабилизатора, т. е. при изменении силы тока, который потребляется от стабилизатора. Обычно стабилизаторы имеют постоянную нагрузку, что облегчает условия их работы.

На рис. 86 приведены схема и данные двухкаскадного стабили­ затора на кремниевых диодах. Он дает на выходе стабилизирован­ ное напряжение приблизительно 7 в при токе нагрузки до 10 ма. При неизменной температуре окружающей среды обеспечивается стабильность выходного напряжения в пределах ±0,1% . Однако колебания температуры окружающей среды приводят к тому,

139