OCENA SK U T E C Z N O ŚC I M E T O D K O M PE N S A C JI N A PIĘ C IA

Z E S Z Y T Y N A U K O W E P O L IT E C H N IK I Ś L Ą S K IE J Sena: E L E K T R Y K A z. 134

_________ 1994 N r kol. 1225

Janusz G U Z IK B runon S Z A D K O W S K I

O C E N A S K U T E C Z N O Ś C I M E T O D K O M P E N S A C J I N A P IĘ C IA

N IE Z R Ó W N O W A Ż E N IA W K O N W E R T E R A C H P R Ą D -N A P IĘ C IE D O B A D A Ń D IE L E K T R Y K Ó W W Z A K R E S IE IN F R A N IS K IC H C Z Ę S T O T L IW O Ś C I ( 1 0 '3 - 10) H z

S treszczenie. W p ra cy p o ró w n a n o sk u te cz n o ść sto so w an ia d w ó c h m eto d k o m p en sacji napięcia n ie z ró w n o w a ż e n ia k o n w e rte ra p rą d -n a p ięc ie, c o je s t szc ze g ó ln ie isto tn e p rzy przetw arzaniu sk rajn ie m ały c h p rą d ó w p ły n ący ch p rz e z d ielek try k w zak resie infraniskich częstotliw ości. Z a m ie s z c z o n o w yniki b ad ań z b u d o w a n e g o u k ła d u m o d elo w e g o .

E F F IC IE N C Y E V A L U A T IO N O F A N U N B A L A N C E V O L T A G E C O M P E N S A T IO N M E T H O D S IN C U R R E N T -T O -V O L T A G E C O N V E R T E R S F O R D IE L E C T R IC IN V E S T IG A T IO N S A T IN F R A -L O W F R E Q U E N C Y R A N G E (1 O'3 - 10) H z

Sum m ary. In th e p a p e r th e e fficien cies o f tw o ap p lied u n b a la n ce c o m p e n sa tio n m eth o d s o f a c u rre n t-to -v o lta g e c o n v e rte r a re c o m p a re d . T h is is especially im p o rta n t w h e n co n v ertin g extrem e w e ak c u rre n ts flo w in g th ro u g h a d ielectric at in fra-fre q u en c y ra n g e. T h e resu lts o f con stru cted m o d el system h av e b e e n included.

OLiEHKA 30X D EK TH B H O C T U M E T O A O B K O M IlEH CA U klH PA 3EA A A H C A

nPE0BPA30BATEAfl

Pe3K 3M e, B p a S o T e c p a B H e n a a o o e K T H B H o c ib npuM OHeHUñ MeTOAOB K O M n eH cau n n p a 3 ó a A a H c a n p e o 6 p a 3 0 B a T e A B T O K -H a n p H ^ e H n e u r o BBAneTCB o c h o b h o h 3 a A a u 3 i i n p n n p e o 6 p a 3 0 B a H n n 3KCTpeMaAbHO MaAbix t o k o b n p oT eK aiouiM x u e p e 3 a h3 A 6k t p h k b o Ó A ac T n nH ® paH M 3K nx uacT O T . riO M em eH O p e a y A b ta T b i u c cA e A O B a H n ii n o c r p o e H H O ü M OA eA bH oü c x e M u .

18 J. G uzik. B. S za d k o w sk i

1. W P R O W A D Z E N IE

Z a s to s o w a n ie a k ty w n y ch k o n w e rte ró w p rą d -n a p ięc ie, z b u d o w an y c h n a w zm ac n ia c za ch , je s t w literatu rze d o ść p o w s z e c h n ie z n a n e [4], [6], [1], [2], [3], Je d n ą z p rz y czy n p o w sta w a n ia b łę d ó w tak ie g o k o n w e rte ra je s t w y stę p o w a n ie tzw . nap ięcia n iez ró w n o w a ż en ia n a w yjściu, p rzy z ero w e j w a rto ści p rą d u w ejśc io w eg o (p o r. p .2). W celu zm n iejszen ia n ap ięcia n ie z ró w n o w a ż e n ia sto su je się o p isa n e w literatu rze m eto d y ko m p en sacji, k tó re w sk ró cie p rz y p o m n ian o w p .3 . O k a zu je się je d n a k , ż e k o m p e n s a c ja nap ięcia n ie z ró w n o w a ż en ia m o że b yć n ies k u te cz n a w p rz y p ad k u p rz etw a rza n ia sk rajn ie m ały ch p rą d ó w o infraniskiej c zęsto tliw o ści (1 0 ‘3 - 10) H z. P rz y p a d e k taki m a m iejsce w specjalistycznych b ad an iach izolacji e lek try czn ej (o g ó ln ie d ielek try k ó w ), m ających n a celu o c e n ę stan u i jak o ści tych m ate ria łó w

P rz y p rz e tw a rz a n iu sk ra jn ie m ały ch p rą d ó w n a le ży liczyć się m iędzy innym i z tym , że u ży te cz n y sy g n ał n ap ięcio w y n a w yjściu m o że m ieć w arto ści p o ró w n y w aln e z napięciem n iez ró w n o w a ż en ia. P o n a d to , g d y p rz etw a rz a n y je s t p rą d o infraniskiej częstotliw ości, to o d p o w ie d n ie szybkości zm ian n a p ięcia w y jśc io w eg o , u ż y te cz n e g o są p o ró w n y w aln e z p o w o ln y m i flu k tu acjam i nap ię cia n iez ró w n o w a ż en ia. W takiej sytuacji m o że być b ard zo tru d n e ro z ró ż n ien ie sy g n ału u ż y te c z n e g o o d z ak łó c a ją c e g o i tym sam ym u tru d n io n e m o że być sk o m p e n so w a n ie zak łó cen ia.

C elem p racy je s t p o ró w n a n ie d w ó c h najczęściej sto so w an y ch m eto d k om pensacji nap ięcia n ie z ró w n o w a ż e n ia k o n w e rte ra p rą d -n a p ięc ie o ra z o k reślen ie ich sk u teczn o ści p o p rz ez p o d a n ie w arto ści m o d u łu w s p ó łc z y n n ik a k z d e fin io w an e g o zależnością:

g d z ie A U n i AU'n o z n a c z a ją o d p o w ie d n io w a rto ści na p ięcia n iez ró w n o w a ż e n ia k o n w e rte ra dla u k ła d u b e z i z zasto so w a n ie m k o m p en sac ji P o ie w a ż zw y k le AU n > AU'N, to m o d u ł w sp ó łc z y n n ik a kje s t w ięk szy o d je d n o ś c i i ro śn ie w m iarę w z ro stu sk u teczn o ści zasto so w an ej m eto d y k o m p en sacji n iez ró w n o w a ż e n ia . W sp ó łcz y n n ik km o że zatem być m ia rą sk u te czn o ści ro z p atry w a n y ch m eto d ko m p en sacji.

[5]-

(1)

O cena sk u te cz n o śc i m eto d 1 9

2. S C H E M A T Z A S T Ę P C Z Y N IE Z R Ó W N O W A Ż O N E G O K O N W E R T E R A P R Ą D - N A P IĘ C IE

P o d s ta w o w y u k ła d d o p o m ia ru p rą d u p ły n ą c e g o p rz e z d ielek try k za p o m o c ą k o n w e rte ra prąd-napięcie z w y k o rz y stan ie m w e jśc ia o d w ra c a ją c e g o w z m ac n ia c za p rz e d sta w io n o n a rys la.

R ys.l. a) P o d s ta w o w y u k ła d d o p o m ia ru p rą d u w d ielek try k u za p o m o c ą k o n w e rte ra p rąd - n apięcie; b ) S c h e m a t zastę p c z y n ie z ró w n o w a ż o n e g o k o n w e rte ra

Fig. 1. a) B asic system fo r c u rre n t m ea su re m e n t in th e d ielectric by m ea n s o f c u rre n t-to -v o lta g e c o n v erter; b ) E q u iv a len t sc h e m e o f u n b a la n ce d c o n v e rte r

R ó w n a n ie p rz e tw a rz a n ia id ea lan e g o k o n w e te ra p rą d -n a p ięc ie m o ż n a p rz ed sta w ić za po m o cą z ależ n o śc i (p o r. rys. la ).

Uda = - Id Rf , (2 )

gdzie: U,dd - n a p ięcie w y jśc io w e id ea lan e g o k o n w e rte ra , I, - p rą d p ły n ąc y p rz e z d ielek try k o ad m itan cji Y, Rf- re zy stan cjap ętli sp rz ę ż e n ia z w ro tn e g o .

W p rz y p a d k u rz ec z y w is te g o k o n w e rte ra p rą d -n a p ięc ie, nap ięcie n ie z ró w n o w a ż e n ia A Un

w ystępujące p rz y Ix = 0, o p isa n e je s t ró w n a n ie m (p o r. rys. Ib):

A U n = - Ib Rf + U N, (3 )

przy czy m Ib i Un s ą o d p o w ie d n io w e jścio w y m , w y p a d k o w y m p rą d em i n ap ięciem n iezró w n o w ażen ia s a m eg o w z m a c n ia c z a o p e rac y jn e g o . W ielk o ści Ib o ra z Un m o ż n a z do b ry m przybliżeniem o k re ślić zależn o ściam i:

20 J. G uzik. B. S zad k o w sk i

- a NUNo(0 + PN^OIN(v )+ y NAI

h

(4)

gdzie: IboW , UnoO) - sk ła d o w e re p re z en tu ją c e d ryfty czasow e, AIB(v ), A Un(v) - sk ła d o w e re p re z en tu jąc e dryfty tem p e ra tu ro w e ,

AIB( l /f ) , A U w (l/f) - sk ła d o w e re p re z en tu jąc e szum y ty p u l/f, k tó re są d om inującym i szu m am i w z ak re sie infraniskich c zęstotliw ości,

W in teresu jący m n as z ak resie infraniskich często tliw o ści (1 0 '3 - 10) H z nie je s t m o żliw e o d ró ż n ie n ie ź ró d ła zm ian (c za so w y c h , tem p e ra tu ro w y c h i c zęsto tliw o ścio w y ch ) nap ięcia n iez ró w n o w a ż en ia, co o z n ac za , ż e nie z n am y k o n k re tn y c h w arto ści w s p ó łc z y n n ik ó w w ag i a, b, g (p o r. ró w n . (4 )) i d la te g o k o m p en sacji m o że p o d leg a ć ty lk o w y p a d k o w e n ap ięcie n iez ró w n o w a ż en ia A Un.

3. O C E N A S K U T E C Z N O Ś C I M E T O D K O M P E N S A C J I N A P IĘ C IA N IE Z R Ó W ­ N O W A Ż E N IA

D o k o m p en sac ji n a p ięcia n ie z ró w n o w a ż e n ia A Un k o n w e rte ra (p o r, rys. Ib ) sto su je się na o g ó ł je d n ą z n a stęp u jąc y c h m etod:

a ) p o p rz e z z a s to s o w a n ie d o d a tk o w e g o re zy sto ra k o m p e n s u ją ce g o Rk, z a łą c z o n e g o n a w ejście n ie-o d w ra c a ją c e w z m ac n ia c za o p e rac y jn e g o (p o r. p .3 .1) [4], [6], [1], [2];

b) p o p rz e z z as to s o w an ie d o d a tk o w y c h u k ła d ó w a k ty w n y ch , k o m p en su ją cy c h w yjściow e n ap ięcie nie- z ró w n o w a ż e n ia k o n w e rte ra (p o r. p. 3 .2 ) [4], [2],

W p ra k ty c e, n iezależn ie o d w y m ien io n y c h m eto d , w y k o rz y stu je się m o żliw o ść c zę śc io w eg o zm n iejszen ia n a p ięcia n ie z ró w n o w a ż e n ia U B sa m e g o w z m a c n ia c za o p e rac y jn e g o (p o r. rys. Ib ) p o p rz e z sto so w an ie u k ła d ó w p o te n c jo m e try c z n y ch [4], [6], p rz ez c o działan ie o d p o w ie d n ie g o u k ła d u k o m p en sacji sp ro w a d z a się d o elim inacji sk ład o w ej IbR f nap ięcia n iez ró w n o w a ż en ia A Un o k re śla n e g o ró w n a n iem (3). W dalszym ciąg u w y z n ac z o n e z o sta n ą w sp ó łczy n n ik i k c h ara k te ry zu ją ce sk u te c z n o ść w y m ien io n y ch m e to d kom pensacji.

a , P> Y - w sp ó łcz y n n ik i w ag i o k re ślające ud ziały o d p o w ie d n ic h s k ła d o w y c h p rą d u IB (in d ek s B ) i nap ięcia Un (in d ek s N ).

O cena sk u te cz n o śc i m eto d 21

3.1. Kompensacja niezrównoważenia w obwodzie wejściowym konwertera

Isto ta tej m eto d y k o m p en sac ji p o leg a n a w łą c z en iu re zy sto ra k o m p en s ac y jn e g o Rk n a w ejście n ie o d w ra c a ją c e w z m a c n ia c z a o p e ra c y jn e g o o w ła sn y m p rą d zie p o lary zacji Ik (rys. 2).

W y jścio w e n a p ię cie n ie z ró w n o w a ż e n ia A Un3 k o n w e rte ra m o ż n a w ó w c z a s o p isać za p o m o cą z ależn o ści (p o r. ró w n . (3)):

AUn. = - ( 1k% R f+ U n . (5 )

R F

Z ak ład a jąc , ż e p rz e p ro w a d z o n o o d p o w ie d n i d o b ó r w a rto ści R f (d la d a n e g o zak resu p rz etw a rza n ia ) i w c ze śn ie js zą m in im alizację w a rto śc i U n u k ład a m i p o ten c jo m e try c z n y m i, ró w n a n ie (5 ) m o ż n a z d o b ry m p rzy b liże n iem p rz ed sta w ić w p ostaci:

AUN l = - ( I K - JL) R F + U N (6)

F

Rys. 2 . K o m p e n sa c ja n ie z ró w n o w a ż e n ia w o b w o d z ie w ejścio w y m k o n w e rte ra (z asto s o w an ie re z y sto ra Rk)

Fig. 2 . U n b a la n c e c o m p e n sa tio n a t in p u t circu it o f th e c o n v e rte r (th e ap p lic atio n o f re sisto r Rk

W a rto ś ć re z y sto ra k o m p e n s u ją c e g o Rk d o b ie ra się tak , aby AUn> = 0, czy li;

22 J. G uzik. B S zad k o w sk i

W sp ó łcz y n n ik k, c h ara k te ry z u ją c y s k u te c z n o ść ro zw ażan ej m eto d y k o m pensacyjnej (p o r. r ó w n .( l) ) m o ż n a o k reślić z a p o m o c ą n astęp u jąc e g o ró w n an ia:

i i Ia u nI

A U , ⁽ >

- I - I — — RR k f+u n

< Rf v

(8)

lub p rz y Un = 0:

(8 a)

N a rys. 3 p rz e d sta w io n o w y k re s ilu stru jący zm ian y m o d u łu w sp ó łc z y n n ik a k, w funkcji zm ian sto su n k u p rą d ó w I k / I b p rz y ró ż n y ch , lecz stały ch w arto śc ia ch sto su n k u rezystancji Rk/ Rf.

a b s - Z J r

ó l c u ł e c z o o ju

f > e r i S a c / i

n/<2z/r>'*srfc rV4ż eo/ct

Rys. 3. Z a leż n o ść w sp ó łc z y n n ik a k , o d w a rto ści sto su n k u p rą d ó w Ik/ Ib w u k ład zie k o m p en sacji z rys. 2

Fig. 3. C o efficien t k. d é p e n d a n c e o f ra tio c u rre n t Ik/Ib in th e c o m p e n sa tio n sch em e by F ig 2

Z ak ład a jąc , ż e dla w ięk sz o ści ty p o w y c h w z m ac n ia c zy o p eracy jn y ch zac h o d zi Ik/Ib ~ 1 [4], [6] i d o b iera ją c w a rto ś ć re zy sto ra k o m p e n s a c y jn e g o Rk ~ Rf , u zyskuje się |k,| > 8 (k o m p e n s a c ja idealn a). J e d n a k w p rz y p a d k u w z m ac n ia c zy do p rz etw a rza n ia skrajnie m ałych p rą d ó w sto su n e k Ik/Ib ró żn i się o d je d n o ś c i i o k re ślo n y je s t z a le ż n o śc ią (p o r. ró w n . (4)):

Ik _ “kIkoM '1' Pk^ kM + Ik^ kII / O (9)

I B a Bl B o ( t ) + P BA I B ( v ) + Y BA I B ( l / f ) ’

O c en a sk u te cz n o śc i m etod. 23

g d zie p rz e z IkoW, A Ik(v ), A IK( l /f ) , a K, Pk, Y k o z n a c z o n o o d p o w ie d n ie sk ła d o w e i w sp ó łczy n n ik i w a g i o k re ślając e u d z ia ły ty ch s k ła d o w y c h w c ałk o w ity m p rą d zie Ik (p o r. rys.

2). W tym p rz y p ad k u d o b ó r R K ~ R f nie je s t w ła śc iw y i n ależy d o b ra ć R K w e d łu g w z o ru (7), przy z n an y m sto su n k u p rą d ó w Ik/Ib (ró w n . (9 )). N ależy je d n a k zau w a ż y ć, ż e sto su n e k p rą d ó w 1k/ Ib n ie m o ż e b y ć tra k to w a n y ja k o stały, g d y ż je g o sk ła d o w e p o d le g a ją p e w n y m flu k tu acjo m , k tó ry ch nie m o ż n a p o m in ą ć p rz y in fran isk ich c zę sto tliw o śc iac h p rz e tw a rz a n y c h p rąd ó w .

Z p rz e d sta w io n y c h ro z w a ż a ń w y n ik a, ż e w k o n w e rte ra c h d o p rz e tw a rz a n ia b a rd z o m ałych p rą d ó w (p ły n ąc y ch p rz e z b a d a n y d iele k try k ) o b a rd z o m ały ch c zęsto tliw o ściach o m aw ia n a m e to d a k o m p en sac ji n a p ięcia n ie z ró w n o w a ż e n ia nie je s t m e to d ą sk u teczn ą.

Z m ieniający się sto su n e k p rą d ó w Ik/Ib, p rz y stały ch re zy sta n cja ch R K i R F, p o w o d u je o d p o w ie d n ie zm ian y w s p ó łc z y n n ik a k, (p o r. ró w n . (8 ) i (8 a )) i m o żliw e je s t z n ac z ą ce obniżenie je g o w a rto ści. P o tw ie rd z iły to p rz e d sta w io n e w p. 4 (rys. 5) w yniki b ad ań d o św iad czaln y ch , g d z ie k, m a w a rto ś ć z b liż o n ą d o je d n o ś c i, c o o z n ac za , ż e p ra k ty c zn ie nie m a efektu k o m p en sacji.

P e w n ą p o p ra w ę sk u te cz n o śc i o m aw ia n ej m eto d y k o m p en sacy jn ej m o ż n a b y u zy sk ać ko ry g u jąc o d p o w ie d n io w a rto ś ć rezy stan cji re z y sto ra Rk n a bieżąco . Je d n a k w y m a g ało b y to p e w n eg o ro z b u d o w a n ia u k ła d u p o d s ta w o w e g o w g rys. 2 i z b liży ło b y tę m e to d ę d o m eto d gru p y (b ) (p o r. p. 3 i p. 3 .2).

3.2. Kompensacja niezrównoważenia w obwodzie wyjściowym konwertera

Isto ta tej m e to d y k o m p en sac ji p o le g a n a w y k o rz y stan iu u k ład u a k ty w n e g o z p am ięcią, ra liz o w a n ą z a p o m o c ą u k ła d u p ró b k u ją c o -p a m ię ta ją c e g o S & H (p o r. rys. 4).

Z ad a n ie m u k ła d u S & H je s t z ap a m ię ta n ie w a rto ści n a p ięcia n ie z ró w n o w a ż e n ia AUN(t0) k o n w e rte ra w w y b ran ej chw ili c za so w ej to (k lu c z K l- o tw a rty , K 2 -z am k n ięty ). P o d c z a s norm alnej p ra cy u k ła d u (k lu c z K -z am k n ięty , K 2 -o tw a rty ) n a p ięcie w y jśc io w e k o n w e rte ra o k reślo n e je s t zależn o ścią:

U x(to+At) - -IxR F+A U N(to),

g d zie At je s t czasem p rz e łą c z a n ia k lu cz y K I i K 2.

(1 0 )

24 J. G uzik. B. S zad k o w sk i

Rys. 4 K o m p e n sa cja n ie z ró w n o w a ż e n ia w o b w o d z ie w yjściow ym k o n w e rte ra (z asto so w an ie u k ła d u S & H )

Fig. 4. U n b a lan c e c o m p e n sa tio n at o u tp u t circu it o f th e c o n v e rte r (th e ap p licatio n o f S & H circu it)

D la z ak re su infraniskich c zę sto tliw o ści (1 0 '3 - 10) H z czasy p rz ełąc z an ia kluczy m o żn a u z n a ć ja k o po m ijaln ie m ałe. S u m a ry cz n e nap ięcie w y jścio w e U x u k ła d u k o n w e rte ra w ra z z o b w o d e m p ró b k u jąc o -p am iętają c y m S & H je s t ró ż n ic ą p o m ięd zy napięciem U x(t<,+At) na w yjściu k o n w e rte ra o ra z nap ięciem n iez ró w n o w a ż e n ia A UnOo) zap am iętan y m w o b w o d z ie S

& H:

U x = U x(t,+ A t) - A U N(to) = -IxRf = U x,d (1 1 )

W y raż en ie (1 1 ) je s t ró w n a n ie m k o n w e rte ra sk o m p e n so w a n e g o idealnie. W rzeczy w isto ści n ależy liczyć się z p e w n ą n ie d o k ła d n o śc ią kom pensacji. G łó w n y m ź ró d łe m b łę d ó w ró w n o w a ż o n e g o u k ła d u k o m p en s ac y jn e g o je s t u k ład S & H , k tó re g o n ied o k ła d n o ść w z g lęd n a |s°| (rz ę d u 10-4 - 10'2 [6 ]) p o w o d u je stan ie b łęd u p rz etw a rz a n ia |5°|, zd efin io w an e g o zależn o ścią.

O cena sk u te cz n o śc i m etod. 25

S k u te cz n o ść Kb tej m e to d y k o m p en sac ji m o ż e b y ć zate m p rz ed sta w io n a b ró w n a n ie m (por. ró w n . (1)):

Ią m A 1

1 b| |a uJ |e0A U N( t o)| h i

W a rto ść |Kb| je s t p ra k ty c z n ie stała, tzn. z a leż e ć m o ż e ty lk o o d zm ian n ied o k łd n o śc i układu S & H . W p ra k ty c e n ie d o k ła d n o ść |e°| m o ż e o sią g ać w a rto ści w ię k sz e o d w cześniej p rzy to czo n y ch [ 6 ] , c o m o ż e m ie ć w p ły w n a o d p o w ie d n i sp a d e k w a rto śc i w s p ó łc z y n n ik a Kb.

O m aw iana m e to d a k o m p en sac ji, w o d ró ż n ie n iu o d m eto d y p rz ed sta w io n ej w p. 3 .1 , d o b rz e nadaje się d o sto so w an ia , w k o n w e rte ra c h d o p rz e tw a rz a n ia b a rd z o m ały ch p rą d ó w o infraniskiej c zęsto tliw o ści. Jed y n y m o g ra n ic z e n iem sto so w aln o śc i je s t tu taj w a ru n e k o d p o w ied n ie g o d o b o ru c z a só w p rz e łą c z a n ia k lu cz y K I i K 2, o k re ślając y ilość p ró b e k sygnału p rą d o w eg o Ix n a o k res, z g o d n ie z w y m a g an iam i tw ierd z en ia S h an n o n a -K o tie ln ik o w a .

4. W Y N IK I B A D A Ń

D o b a d a ń w y k o rz y sta n o u k ła d k o n w e rte ra p rą d -n a p ięc ie w g rys. la , z b u d o w a n y n a w zm acn iaczu o p e rac y jn y m ty p u K P 5 4 4 Y D 1 A o p rą d a c h p o lary zacji Ib, Ik ró w n y c h 1 4 ,lp A i 13,0 pA . W a rto ść rezy stan cji re z y sto ra R f o b w o d u sp rz ęż e n ia z w ro tn e g o k o n w e rte ra u stalo n o na 1 M f i .

D la u k ła d u k o m p en sac ji n a p ię cia n ie z ró w n o w a ż e n ia w g rys. 2 d o b ra n o rezy stan cję rezystora k o m p e n s u ją c e g o R K = 1,1 M Q , n a to m ias t w u k ład z ie w g rys. 4 p rz y ję to n a stęp u jąc e w arto ści p a ram etró w : R = 10 k f i , C = 1 p F . K lu c ze K I i K 2 sta n o w iły k o n tak tro n y .

W y zn a cz o n e d o św ia d c za ln ie c h ara k te ry sty k i zm ian w s p ó łc z y n n ik ó w sk u te cz n o śc i ko m p en sacji |Ka| i |icb| w fu n k cji czę sto tliw o ści f, dla f = (0,1 - 100) H z p rz e d sta w io n o n a rys. 5.

W s p ó łc z y n n ik |k, | i |Kb| o b lic z o n o z g o d n ie z p rz y ję tą d efin icją (p o r. ró w n . (1 )), d o k o n u jąc p o m ia ró w n ap ię cia n a w yjściu k o n w e rte ra b e z i z za sto so w an ie m o d p o w ie d n ic h u k ład ó w k o m p en su ją cy c h . N a rys. 5 p rz e d sta w io n o ty lk o w yniki p o m ia ró w przy c zęsto tliw o ściach 0,1 H z, 1 H z, 10 H z o ra z 100 H z, p o n ie w a ż z a o b s e rw o w a n o stabilizację w sp ó łc z y n n ik ó w |k,| i |łcb| d la f < 0,1 H z.

26 J. G uzik. B. S zadkow ski

R ys. 5. Z a leż n o ść w s p ó łc z y n n ik a sk u te cz n o śc i k o m p en sacji n iez ró w n o w a ż e n ia |k|

k o n w e rte ra w funkcji c zę sto tliw o ści f ( |k,| - u k ła d k o m p en sacji w g rys.2, |Kb| - u k ład w g rys. 4 )

Fig. 5. C o n v e rte r efficiency c o m p e n sa tio n co efficien t |k| d e p e n d e n c e o n freq u en cy f(|K,| - c o m p e n sa tio n sc h e m e by F ig .2 , |Kb| - sc h e m e by Fig. 4).

5. W N IO S K I K O Ń C O W E

Z a s to s o w a n ie p a sy w n e g o u k ła d u k o m p en sac ji n a p ięcia n iez ró w n o w a ż e n ia w g rys. 2 jest m ało sk u te cz n e, a o d p o w ie d n i w s p ó łc z y n n ik sk u teczn o śc i k o m p en sacji z aw ie ra się w g ra n ic ac h |k,| = 1,1 - 1,3 (p o r. rys. 5). W arto śc i a w sp ó łc z y n n ik a |k| o siąg an e przy z as to s o w an iu u k ła d u a k ty w n e g o w g rys. 4 s ą w p rzybliżeniu 2 - 4 razy w iększe, tzn . |Kb| = 2 ,0 - 4,1.

O siąg n ięcie w ię k sz y ch w a rto śc i |iCb| b y ło b y m o żliw e p rz y innym ro z w iąz an iu b u k ład u S

& H. Je d n a k celem p rz e p ro w a d z o n y c h b a d ań b y ło nie tyle osiąg n ięcie m o żliw ie dużej w arto ści w sp ó łc z y n n ik a k, ile w y k azan ie, że w k o n w e rte ra c h p rz ez n ac z o n y c h d o b ad ań d ielek try k ó w , z w ła s z c z a w z ak resie infran isk ich c zęsto tliw o ści, należy sto so w ać m eto d y k o m p en sacji o p isan e w p .3 .2 . W n io sek tak i z o sta ł sfo rm u ło w a n y w w yn ik u ro z w aż a ń teo re ty c z n y ch , a p rz e d sta w io n e w yniki b a d ań d o św ia d c za ln y c h w w y starczający m sto p n iu p o tw ierd ziły je g o słuszność.

Ocena sk u teczn o ści m eto d . 27

L IT E R A T U R A

[1] Franiel S.: W p ły w p rą d ó w p o lary z acji w z m a c n ia c z a o p e rac y jn e g o w p rz etw o rn ik u fo to elek try czn y m n a d o k ła d n o ś ć p o m ia ru ekstynkcji. Z .N . P ol.Ś l. seria A u to m aty k a, z. 81, G liw ice 1987, ss. 7-17.

[2] G uzik J., S a d k o w sk i B .: A n a liza b łę d ó w k o n w e rte ra p rą d -n a p ięc ie p rzy p rz etw a rza n iu skrajnie m ały ch p rą d ó w o infraniskiej c zęsto tliw o ści (1 0 '3 - 10) H z, Z .N . P ol.Ś l. seria E lektryka, z. 108, G liw c e 1989, ss. 101-109.

[3] G uzik J.: O c e n a g ran iczn ej zd o ln o śc i ro zd zielczej k o n w e rte ra p rą d -n a p ięc ie przy p rzetw arza n iu sk ra jn ie m ały c h p rą d ó w o infraniskiej c zę sto tliw o ści (1 0 '3 - 10) H z. Z .N . Pol.Śl. seria E le k try k a, z. 128, G liw ice 1992, ss. 59-67.

[4] K ulka Z ., N a d a c h o w s k i M .: A n a lo g o w e u k ła d y sc alo n e . W K iT , W a rsz a w a 1983.

[5] S zad k o w sk i B .: M e to d y b a d a n ia izolacji e lek try cz n ej nap ięciem o c zęsto tliw o ści ( 1 0 '5- 10) Hz. M a teriały k o n fe re n c y jn e “ U rz ą d z e n ia E le k tro e n e rg e ty c z n e ” B ielsk o -B iała, w rz esień

1983.

[6] T ietze U ., S c h e n k C h.: U k ła d y p ó łp rz e w o d n ik o w e . W N T , W arsz a w a 1987.

R ece n ze n t: P ro f, d r hab. inż. L eszek K ie łty k a IV p ły n ęło d o R e d ak c ji d n ia 2 0 m aja 1993 r.

A b s tr a c t

In th e p a p e r th e efficien cies o f tw o ap p lied u n b a la n c e c o m p e n sa tio n m e th o d s o f a c u rre n t-to -v o ltag e c o n v e rte r a re c o m p a red . T h e e v alu atio n o f th e efficiency is d efin ed by th e coefficient |k|:

w h e re |A Un| a n d |A U N| a re th e v alu e s o f o u tp u t c o n v e rte r’s u n b a la n ce v o ltag es w ith o u t and w ith u se o f c o m p e n sa tio n , resp ectiv ely . T h is is especially im p o rta n t w h e n c o n v e rtin g e x tre m e w eak c u rre n ts (typically fo r d ielectrics) a t th e ra th e r u n ty p ical freq u e n c y range. In m e th o d I

28 J. G uzik. B. S zad k o w sk i

(see c h a p te r 3 .1) th e in p u t bias c u rre n t h as b e e n passively co m p e n sa te d b y th e use o f a resistor, w h ile in m e th o d II (se e c h a p te r 3 .2 ) th e re h as b e e n u se d th e sa m p le -an d -h o ld S & H circuit w h ic h h o ld s th e o u tp u t u n b a la n ce v o lta g e o f th e c o n v erter, u n d e rg o in g su b stractio n fro m real c o n v e rte r’s o u tp u t v o ltag e. T h e efficiency o f a co m p e n sa tio n is o n level: |kw |= 1,1 : 1,3 (fo r m e th o d I), w h ile fo r m e th o d II: |K(b,|= 2 : 4,1. T h e w ay s o f fu rth er m ax im izatio n o f this c o efficien t a re indicated.

\