zeszyty luuK ogB p o l it e c h n ik i ś l ą s k i e j
S e r i a : AUTOMATYKA z . 30
_________ 1575 Kr k o l . 447
K a r o l Ś w ie r c
I n s t y t u t A p a r a tu r y i A u to m a ty k i M edycznej
ZASTOSOWANIE ELEMENTÓW NIELINIOWYCH DO STABILIZACJI NAPIĘCIA DIODĄ ZENERA
S t r e s z c z e n i e . P r z e d s ta w io n o p r o p o z y c ję z a s t ą p i e n i a r e z y s t o r a s z e reg o w eg o w p ro sty m s t a b i l i z a t o r z e n a p i ę c i a , z d io d ą Z e n e r a , ż a ró w - k ą . Po p r z e p r o w a d z e n iu a n a l i z y , o d n o ś n ie wymagań w s t o s u n k u do r e z y s t o r a s z e r e g o w e g o , w ykazano w y ż s z o ś ć e le m e n tu o c h a r a k t e r y s t y c e n i e l i n i o w e j . Na p o d s t a w ie c h a r a k t e r y s t y k i n a p ię c io w o - p r ą d o w e j żarów k i otrzym an o w ym ierne k o r z y ś c i t a k i e j m o d y f ik a c j i u k ła d u . Ka koniec o k r e ś lo n o z a k r e s c z ę s t o t l i w o ś c i , w k t ó r y c h podane k o r z y ś c i s ą e w i
d e n t n e . O s t a t e c z n y w n io s e k p o tw ie r d z a p r a k ty c z n e z a l e t y układu z ż a rów ką.
J l ____ . Jl
- > — r i— i — * —
% p o
1 . Wstęp
N a jp r o s ts z y m u r z ą d z e n ie m s t a b i l i z u j ą c y m n a p i ę c i e j e s t d io d a Zenera w łą czon a r ó w n o le g le z o d b io r n ik ie m o r a z r e z y s t o r e m szeregow ym ( r y s . 1 ) . Wła
ś c i w o ś c i s t a b i l i z a c y j n e t a k i e g o u k ła d u c h a r a k t e r y z u j ą dwa p a ra m etry :
a . R e z y s t a n c j a w ew nętrzna ( w y jś c io w a ) k tó r a d e te r m in u j e zmiany n a p i ę c i a wyj-
U w ej Rl M U wyj ś c io w e g o pod wpływem zm ian prądu o b -
q______________ i ________ £ c i ą ż e n i a . S ta n o w i j ą r e z y s t a n c j a z a s t ę p c z a r ó w n o le g le p o łą c z o n e j r e z y - R y s. 1 . S t a b i l i z a t o r r ó w n o le g ły sta n C j i d y n a m iczn ej d io d y s t a b i l i z a
c y j n e j Rd o r a z r e z y s t a n c j i s z e r e g ow ej Rg z a w ie r a j ą c e j r e z y s t a n c j ę ź r ó d ła p rą d u .
b . W sp ó łc z y n n ik s t a b i l i z a c j i , o k r e ś l a j ą c y d o p u s z c z a ln e zm iany n a p i ę c i a w e j ś c io w e g o AU . d la z a ło ż o n y c h zm ian n a p i ę c i a s t a b i l i z o w a n e g o
we j AUwy
ii U RS + R , + K,
u = w e i „ d
wyj
Rd H
Rd *L
i
p r z y Re Rd *L > > Rd
U ^ “ U 4
a weJ S ti. :d
2 . Warunki d ob oru r e z y s t o r a sz e r e g o w e g o
U ż y te c z n y o b s z a r p r a c y d io d y s t a b i l i z a c y j n e j j e s t o g r a n ic z o n y w a r t o ś c ia m i e k str e m a ln y m i prądu
J e < J : j J >
min max
P rzy z a ł o ż e n i u
U wy j. « c o n s t ,
« c o n s t .
otrzym ujem y dwa w aru n k i d la r e z y s t o r a s z e r e g o w e g o
Uw ej min ~ Uwyj, ( 2 )
8 J d min + L
U + AU - U
0 ^ we.1 min we.1 max wy.1
d min d max L
O dnoszą s i ę one d la dwóch k rań cow ych punktów p r a c y .
N a jw ię k sz a sp ra w n o ść w y s t ą p i w p ierw szy m p rzyp ad k u i w y n o si
U . J T
■ V , _________ WY.1 L_______
? max Ti w ej v d m m i ( J j ■ + J T )i '
d la
^d min _
- X ---
^>mal " " C j
O p ty m a liz a c ja w y n ik a ją c a z równań ( 2 ) , ( 4 ) wymaga, aby
(4)
Zastosowanie elementów nieliniowych. 73
n a t o m ia s t z równań ( 1 ) , ( 3 ) , aby
Rs —
W p r z y p a d k a c h , k ie d y w z g lę d y e n e r g e t y c z n e o d g ry w a ją d r u g o r z ę d n ą r o l ę o r a z i s t n i e j e m o ż liw o ś ć z a p e w n ie n ia d o s t a t e c z n e g o nadm iaru n a p i ę c i a w e j
ś c io w e g o w s t o s u n k u do w y j ś c io w e g o , w ynik równań ( 2 ) , ( 4 ) t r a c i na zn a c z e n i u . Na o g ó ł przyjmowanym kompromisem j e s t
U wej min • . , > J , 5 0 wyj, ( 5 )
Byw ają je d n a k p r z y p a d k i, k ie d y j e s t t o n ie m o ż liw e . P rzyk ład em może być s t a b i l i z a c j a n a p ię c i a d la u r z ą d z e ń e l e k t r o n i c z n y c h w p o ja z d a c h m e c h a n ic z n y c h , k t ó r y c h n a p i ę c i e znam ionowe n i e w i e l e o d b ie g a od m in im a ln e j w a r t o ś c i n a p i ę c i a p o k ła d o w e g o . W t a k i c h w arunkach k on ieczn ym a w p o z o s t a ły c h ko
r z y stn y m j e s t z a s t ą p i e n i e r e z y s t o r a elem en tem n ie lin io w y m n p . : b a r e te r e m s p e łn ia j ą c y m z a l e ż n o ś ć
* z - T i > Ro ' I AJ o J
3 . W ła ś c iw o ś c i ż a r ó w k i w olfram ow ej
K la s y c z n y b a r e t e r z włóknem sta lo w y m u m ieszczon ym w bańce n a p e łn i o n e j wodorem o c i ś n i e n i u o k o ło 50 Tr j e s t elem en tem tru d n o d o stęp n y m . Z b liż o n ą c h a r a k t e r y s t y k ę n a p ię c io w o -p r ą d o w ą w y k a zu je typowa żarówka z włóknem w o l
framowym. W n o rm ą ln y ch w arunkach e k s p l o a t a c y j n y c h , te m p e r a tu r a ż a r z e n ia w y n o si 3000°K . S t a r z e n i e spowodowane r o z p y la n ie m m e ta lu w łókna m a le je w p r z y b l i ż e n i u p r o p o r c j o n a l n ie do 6 p o t ę g i n a p i ę c i a . Mały o p ó r c i e p l n y p rzy d od atn im term iczn y m w s p ó łc z y n n ik u r e z y s t a n c j i p o w o d u je, ż e r e z y s t a n c j a g r z e j n i k a r o ś n i e p r z y nom inalnym n a p ię c i u o k o ło 14 k r o t n i e . Dla te m a ty c z n eg o z a s t o s o w a n ia n a j k o r z y s t n i e j s z y j e s t z a k r e s w y n o szą cy 5-20% n a p ię c i a n o m in a ln e g o . I n t e r e s u j ą c y n a s o b s z a r c h a r a k t e r y s t y k i n a p ię c io w o prądow ej p r z e d s t a w ia r y s . 2 . K o r z y s t a n ie z w y m ien io n eg o z a k r e s u , p r z y z a s t ą p i e n i u r e z y s t o r a Ra żarów k ą, j e s t d la w s p ó łc z y n n ik a s t a b i l i z a c j i rów n ozn aczn e z o k o łó 4 ,5 -k r o t n y m w zro stem r ó ż n i c y ( p r z e d ł u ż e n i e l i n i i przerywanej na r y s . 2 ) . O znacza w ię c z g o d n ie z rów naniem ( 1 ) w z r o s t w sp ó ł
c z y n n ik a s t a b i l i z a c j i lu b p r z y z a ch o w a n iu w s p ó łc z y n n ik a s t a b i l i z a c j i na s t a ły m p o z io m ie 4 ,5 - k r o t n ą m o ż liw o ś ć z m n ie j s z e n ia spadku n a p i ę c i a na ż a r ó w c e . U m o żliw ia t o p r z e k s z t a ł c e n i e n ie r ó w n o ś c i ( 5 ) do p o s t a c i
Ą y s. 2 . C h a r a k te r y s ty k a ty p o w ej ż a r ó w k i
4 . .'/pływ c z ę s t o t l i w o ś c i s k ła d o w e j z m ien n ej
j f r z e b ie g r e z y s t a n c j i s t a t y c z n e j 1 d y n a m ic z n e j p r z e d s t a w ia r y s u n e k 3-
¿miana rezystancji w łókna w olfram ow ego j e s t wywołana zm ian ą j e g o te m p e r a tu r y . I n e r c y j n y c h a r a k t e r t e g o p r o c e s u s t w a r z a o g r a n ic z e n i a w s t o s u n k u do
iiy a . 3 . R e z y s ta n c ja 3 t a t y c z n a i d yn am iczn a ż a ró w k i (Unam ’ 6 *3 M J “ LAJ )
Zastosowanie elementów nieliniowych. 75
c z ę s t o t l i w o ś c i zm ian n a p i ę c i a w e j ś c io w e g o , d la k t ó r y c h można o c z e k iw a ć o - m ówioną poprawę p r a c y u k ła d u . Schem at z a s t ę p c z y s t a b i l i z a t o r a , u w z g lę d n i a j ą c y b e z w ła d n o ść c i e p l n ą g r z e j n i k a , p r z e d s t a w ia r y s . 4 .
- r e z y s t a n c j a d yn am iczn a d io d y Z e n e r a ,
- r e z y s t a n c j a d yn am iczn a ż a r ó w k i na p o d s t a w ie r y s .
r e z y s t a n c j a r e d u k c y jn a s p e ł n i a j ą c a w p u n k c ie p r a c y w aru n ek .
*</
U i
o -
E
UcR y s. 4 . Schem at z a s t ę p c z y d la w y ż sz y c h c z ę s t o t l i w o ś c i
R R
2__ 5_
R p + R z
P u n k cja p r z e j ś c i a t a k i e g o u k ła d u w y n o si 1 + pT K(P ) T - T p r :
'1 V ‘ 2
Moduł t e g o w y r a ż e n ia w f u n k c j i p u l s a c j i w y n o si R , R
<Rp * 0
R 'R_ + ~K 'z d
J.(w )
A m plitudow ą c h a r a k t e r y s t y k ę lo g a r y t m ic z n ą f u n k c j i p r z e j ś c i a p r z e d s t a w ia r y s . 5 . P a m ię t a j ą c , ż e w ah an ia n a p i ę c i a s t a b i li z o w a n e g o s ą r ó ż n i c ą U1 - otrzym u jem y p r a k t y c z n i e dwa z a k r e s y o różnym w s p ó łc z y n n ik u s t a -
R y s. 5 . C h a r a k te r y s ty k a lo g a r y t m ic z n a s t a b i l i z a t o r a z żarów ką
b i l i z a c j i - p o n i ż e j oij o r a z p o w y żej tx>2 . P ie r w s z y d la r e z y s t a n c j i d y
n a m ic z n e j H , d r u g i d la r e z y s t a n c j i s t a t y c z n e j pu n k tu p r a c y ż a r ó w k i.
S to s u n e k gl^ / g^ , p r z y sp ad k u w z a k r e s i e środkowym równym 20 d b /d e k ., w ynika z e s t o s u n k u t y c h r e z y s t a n c j i . P u ls a c j a środkow a co b ęd ąca ś r e d n i ą g e o m e t r y c z n ą b rzeg o w y ch p u l s a c j i , j e s t f u n k c j ą m o n o to n ic z n ą s t o s u n k u e f e k t y w n e j p o w ie r z c h n i p r o m ie n io w a n ia g r z e j n i k a do j e g o m asy. Dla p r z e c i ę t n e j ż a r ó w k i o n a p i ę c i u
6 [v ]
i p r ą d z ie0 ,3 [
a]
c z ę s t o t l i w o ś ć ta wyn o s i o k o ło 10 [Hz] .
D la p r a c y o d b io r n ik a w z a s a d z i e n i e i s t o t n y j e s t sam w s p ó łc z y n n ik s t a b i l i z a c j i z a s i l a c z a a d o p u s z c z a ln e w ahania n a p i ę c i a . J e ś l i w ię c widmowy vr o z k ła d w ah an ia n a p i ę c i a p ie r w o tn e g o b ę d z ie t e g o r o d z a j u , ż e w ię k s z e am
p l i t u d y w y s t ą p i ą j e d y n i e d la b a rd zo n i s k i c h c z ę s t o t l i w o ś c i c o < a2| , d la k t ó r y c h w s p ó łc z y n n ik s t a b i l i z a c j i j e s t d u ż y , zm odyfikow any u k ła d ek sp o n u j e w p e ł n i s w o je z a l e t y .
W sa m o c h o d z ie w s p ó łp r a c a a k u m u la to ra o m a łe j r e z y s t a n c j i w e w n ę tr z n e j d la s z y b k i c h zm ian n a p i ę c i a z p r ą d n ic ą , k tó r a d o p ie r o w p r o c e s i e ła d o w a n ia w y w o łu je p o d n i e s i e n i e s i ę n a p i ę c i a p o k ła d o w e g o , j e s t k la s y c z n y m p r z y k ład em t a k i e g o w ł a ś n i e r o z k ła d u widmowego t ę t n i e ń n a p i ę c i a . O d n o si s i ę on je d n a k r ó w n ie ż , p oza s z c z e g ó ln y m i p rzy p a d k a m i, do w i ę k s z o ś c i ź r ó d e ł z a s i l a n i a ,
5 . Uwagi końcow e
T r w a ło ś ć ż a r ó w k i p r z y ta k ob n iżon ym n a p i ę c i u j e s t b a rd zo d u ż a . D la n i e z a w o d n o ś c i p r a c y u k ła d u p o żą d a n e J e s t u ż y c i e ż a r ó w k i, w k t ó r e j w łókno j e s t zg r z e w a n e do e le k t r o d d o p r o w a d z a ją c y c h a n i e z a g n ia t a n e . P on ad to i - s t n i e j ą w y s o k ie wym agania o d n o ś n ie op raw k i ż a r ó w k i. Z a le c a s i ę n aw et b e z p o ś r e d n i e lu t o w a n ie przew odów .
Zastosowanie elementów nieliniowych. 77
IIPHMEHEHUE HEJIHHEiiHUX 9JIEMEHT0B JPH CTAEHJIH3AUI1H HAirPHJiCEHHH riOCPEflCTBOM JIMOM 3EHEPA
P e 3 » m e
BneoeHO npeflJiosceHHe 3aMeHHTb jiawnoft HaKajiHBaHM nocJieflOBaTeatHŁift pe3nciop b npHMOM 0Ta6HJiH3aT0pe HanpaxeHHH c ahoaom 3eH epa.
Ha ocHOBaHHH a H a ^ H s a AaHHbnc OTHOCHTeJibno T peboB aH H tt, npeflbHBJifleMbix n o - M eAO BaiejibHOM y p e3 H C T o p y , npHBe^eHbi AO Ka3aTejibCTBa npeHM ymecTBa sjiew eH T a o HeJHHeSHOił xapaKTepHCTHKOito
B jiaro flap a BOJibTaMnepHOił xapaKiepHCTHKe jxaMnu HaKanHBaHHs n o jiy a e a a BnojiHe onpeaejiH M as nojib3a o t npe^JiaraeM oft MOflmpHKamiH CHCTeMu.
HaKOHeu npHBe,neK A nana30H a a c io T ł o n a , npn KOTopbtx yKa3aHHaa n o jib 3 a d a -
H O B H T C H O n p e A e ^ H M O l ł .
B 3aKJiK>aHTeJibHOM npeAJioxeHHH noA TB epscflaeTca n p a K im ie c K o e npenuym ecT B O on- OTeubi o jiaMnoft HanaJiHBaHHa.
APPLICATION OP NON-LINEAR ELEMENTS FOR VOLTAGE STABILIZATION BY MEANS OP THE ZENER’ S DIODE
S u m m a r y
The p r o p o s a l o f r e p la c e m e n t o f a s e r i e s r e s i s t o r i n a s im p le t e n s i o n s t a b i l i z e r w it h th e Z e n e r ’ s d io d e by an in c a n d e s c e n t lam p h a s b e e n p r e s e n t e d .
A f t e r an a n a l y s i s c o n c e r n in g r e q u ir e m e n ts i n c o m p a r iso n w it h th e s e r i e s r e s i s t o r , th e s u p e r i o r i t y o f t h e e le m e n t w it h n o n - l i n e a r c a r a c t e r i - s t i c s h a s b een d e m o n s tr a te d . On t h e b a s i s o f t e n s i o n and c u r r e n t c a r a c t e - r i s t i c s o f t h e in c a n d e s c e n t lam p , t h e m e a s u r a b le a d v a n ta g e s o f s u c h a mo
d i f i c a t i o n o f th e s y s te m h a s b een o b t a i n e d . M o reo v er, t h e r a n g e o f f r e q u e n c ie s h a s b een d e f in e d i n w h ic h th e s t a t e d a d v a n ta g e s a r e e v i d e n t .
The f i n a l c o n c lu s io n c o n fir m s t h e p r a c t i c a l a d v a n ta g e s o f t h e s y s te m w it h an in c a n d e s c e n t lam p.
