CC BY
14
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО
ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
1966
Том 141
ФОТОСОПРОТИВЛЕНИЕ И ЛАМПОЧКА НАКАЛИВАНИЯ
КАК УПРАВЛЯЕМЫЙ ЭЛЕМЕНТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ
М. С. РОЙТМАН, Б. А. ПЕРМИНОВ, Э. И. ЦИМБАЛИСТ, Н. П. ФЕФЕЛОВ
(Представлена научным семинаром факультета автоматики и вычислительной техники)
Сложность решения различных вопросов по измерению, стабилизации или регулированию напряжений, токов, частоты, фазы и др. параметров в значительной степени, а зачастую и в основном, определяется характеристиками управляемого элемента. Современная техника располагает весьма обширным арсеналом электрически управляемых элементов (электро-вакуумных, полупроводниковых, магнитных, диэлектрических). Однако немногие из них могут быть непосредственно включены в цепь переменного тока и не менять при этом спектр напряжения. Другими словами, количество элементов, линейных по управляемой цепи, невелико. Но перечень элементов еще более сужается, когда наряду с требованиями линейности предъявляется и требование незави^ симости сопротивления от мгновенных значений управляющего фактора, а также линейности по управляющей цепи. Практически этим тре^ бованиям при известных ограничениях удовлетворяют лишь термисторы и металлические термосопротивления с косвенным подогревом, а также лампочки накаливания в сочетании с фотосопротивлениями.
Свойства цепей с термисторами довольно полно изложены в литературе, в частности, в Ш; там же приведены данные по термисторам отечественного производства. Однако, термисторы с косвенным подогревом, наряду с известными положительными свойствами, обладают и рядом недостатков, основными из которых являются значительная зависимость от температуры окружающей среды и большая инерционность (у ТКП-300 постоянная времени раина 13,5 сек., у ТКП-20 — 143 сек.). Металлическим термосопротивлениям с косвенным подогревом 121 указанные недостатки свойственны в значительно меньшей степени, но у них мал относительный коэффициент передачи и, главное, они не выпускаются промышленностью.
За последние годы, в связи с появлением лампочек накаливания с номинальными токами, имеющими порядок десятков ма и напряжениями порядка единиц вольт, а также достаточно стабильных во времени и от температуры фотосопротивлений с большой кратностью изменений проводимости от освещения, появилась возможность создания весьма чувствительных электрически управляемых элементов. О некоторых возможных применениях подобных элементов сообщалось в [3, 4] и др.; однако, насколько известно авторам, достаточно полных характеристик таких элементов нет, что не позволяет четко судить о применимости их для решения той или иной конкретной технической задачи, а также о тех принципиальных возможностях, которые они могут обеспечить.
9. Зак. 4924. 129
Авторами настоящей работы были проведены исследования характеристик управляемых элементов на базе лампочек накаливания (МИН-1, МИН-3, «Тесла») и низкоомных фотосопротивлений (ФС) на основе сернистого кадмия —СФ2-2 и ФСК-2Н. Ниже излагаются результаты этих исследований.
Коэффициент передачи. Под относительным коэффициентом передачи управляемого элемента будем понимать отношение относительного изменения выходного параметра (в нашем случае сопротивления ФС—/?ф) к относительному изменению входного параметра. В зависимости от режима работы входным параметром является либо ток /л, либо напряжение £/л на лампочке. Таким образом» будем различать относительный коэффициент передачи по току и по напряжению Ки:
А/г
Ки
и.
На рис. 1 приведены усредненные зависимости /?ф=/(/л) Для 4 об[азцов СФ2-2 и 8 образцов ФС-К2Н до и после старения. Как
Яф. ком юо
т Гл,ма
Рис. 1. 1—ФС-К2Н и МИН-З до старения; 2 —то же после 1400 часов старения, 3 — СФ2^2 и лампочка «Тесла» до старения, 5—тоже после 400 часов старения. 6—СФ2-2 и МИН-3 до старения, 4 — СФ2-2 и МИН-1 до старения.
видно из рисунка, величина сопротивления освещенного ФС— /? в паре с лампочками „Тесла" (6в., 0,05а) и МИН-1 ([<?., 0,075а) составляет примерно 1 ком\ в паре с лампочкой МИН-3 (2,5в., 0,16а) сопротивление уменьшается до 200—300 ом. Темновое сопротивление ФС—Ят обычно имеет порядок 10®-МО8 ом. Таким образом, крат-130
ность изменения сопротивлений у = —2- имеет величину Ю6 и выше
^осв-
и значительно превышает паспортные данные на фотосопротивления.
В ряде случаев, при анализе схем с управляемым элементом необходимо знать аналитическое выражение функции /?ф = /(/л), либо = /(¿Л)- При аппроксимации характеристик можно воспользоваться функциями:
а
Иф = Яоо-еил, Цф = и др.
ил+С
Здесь ил — напряжение на лампочке накаливания,
#оо — величина сопротивления ФС при £/л = оо, а, Ь, с — постоянные. Например, для фотосопротивления СФ2-2 и лампочки „Тесла" зависимость сопротивления от напряжения на лампочке в пределах от
2,5 до 6 в. (30-^-50 ма) до старения хорошо передается следующей
10.8
функцией (с погрешностью + 10%): /?ф=180£Ул* Отсюда нетрудно получить выражение для относительного коэффициента передачи по напряжению
К 10'8 /п
Для МИН-3 и ФСК-2Н после 1400 час старения зависимость /?*=/(ил)
4.5
в пределах ¿/л=0,8 -г- 1 »6 в. аппроксимируется выражением /?ф = 420£ул (с погрешностью ± 10%). При этом:
л-ц=-4Ту- (2)
У л
Знак минус в обоих случаях указывает на уменьшение сопротивления ФС при увеличении напряжения на лампочке. Относительный коэффициент передачи по току может быть выражен через Ки следующим образом: Л*,-= Щ-Ка, где /г, — коэффициент, определяемый по усредненным вольтамперным характеристикам лампочек (рис. 2). Согласно рис. 2 для лампочек „Тесла" (кривая 1)
/л = 6,15 (2,4+ £/л), для лампочек МИН-3 (кривая 2) /л = 38 (1,35+ ¿/л). Выражая напряжение через ток, получим:
(^)тесла ~ ~~ ~~т , ' (3)
(/л - 14,5 у
1к1>-—и!=Ш" т
Здесь /л — ток лампочки в ма.
Зависимость |Я'и| = /=,(/л) и (#¿1 = Ф (/л)> построенные по формулам (1-^-4), приведены на рис. 3.
Из рассмотрения рис. 3 можно заключить следующее: 1- В режиме заданного тока коэффициент передачи К/ больше, чем в режиме заданного напряжения Ка ■ Это связано с эффектом баррети-
131
рования у лампочек накаливания. Последнее наглядно иллюстрируется вольт-амперными характеристиками лампочек. Например, для лампочки «Тесла» изменению тока /л от 30 ма до 35 ма, т. е. приблизительно на:
17% соответствует изменение
и
33%.
„Тесла" 2л,ма /
мин- -1 г 70 мин-3 / 3
1/ / 2
60 120
50 100 1
и
ио 80 / / А к
г / А /
/ 30 Л / Р
/
/у/ 20 ■ио
4 V У
■20
/ !и
4 } 1 „Тесла" ил
о
2 мин-з.мин-1
Рис. 2. 1 — «Тесла»; 2— МИН-3 после старения, 3 — МИН-3 до старения,
4 — МИН-1.
2. Максимальный коэффициент передачи (около 10) имеет мест-при малых токах; по мере увеличения управляющего тока (напряжена
\
2 > \
1 \
\ \ V
\ \ Э1 N
Л ч,
\ ч >*
N О
V
с> 20 60 80 100 120 1л%ма
Рис. 3. Зависимость коэффициента передачи по току и напряжению от тока лампочек: 1, 2 — «Тесла» 3, 4—МИН-3.
ния) коэффициент- передачи падает, стремясь к определенной величине, 132
Нелинейность. Линейность по управляющей цепи определяется линейностью цепи лампочки накаливания. Как известно, лампочка накаливания является инерционным нелинейным элементом. Ее сопротивление линейно для переменных напряжений с частотой выше некоторой граничной /гр и нелинейно для более низких частот. Значение граничной частоты определяется постоянными времени лампочки, а также допустимой для конкретного случая величиной нелинейных искажений.
Линейность элемента по управляемой цепи определяется вольт-амперной характеристикой фотосопротивлений. Линейность последней соблюдается до значительных электрических полей, после чего она нарушается вследствие инжекции электронов из контактов: при этом концентрация носителей тока перестает быть постоянной величиной и начинает возрастать с нарастанием электрического поля. Однако в области малых напряжений (порядка десятков мв) фотосопротивления обладают заметной нелинейностью, которая в основном обусловлена не-омичностью контактов и, следовательно, их асимметрией.
Динамические характеристики. В общем случае рассматриваемый управляемый элемент является нелинейным апериодическим звеном второго порядка. Коэффициент передачи его может быть выражен в следующем виде:
где Щ1Л)
Ч
Переходный процесс в лампочке накаливания определяется условиями теплового баланса и в общем случае зависит от начальных значений и величин изменений мощности, потребляемой лампочкой. Следует отметить, что характер переходного процесса зависит от режима включения лампочек. Экспериментально исследовался характер переходных процессов светового потока лампочек накаливания МИН-3, МИН-1 и «Тесла». Источником напряжения прямоугольной формы являлся генератор НГПК, измерителем светового потока служил фотоумножитель ФЭУ-1. Эксперименты показали, что переходные характеристики имеют типично нелинейный характер. При начальном напряжении, меньшем напряжения зажигания лампочки, на переходных характеристиках имеется задержка (рис. 4), обусловленная отсутствием светового потока в течение некоторого времени. С увеличением величины скачка напряжения время задержки и время нарастания светового потока уменьшаются. Постоянные времени нарастания светового потока тн меньше постоянных времени спадания тсп для всех указанных выше лампочек. тн и тгп. различных лампочек лежат в пределах от десятков мсек до 0,2-^0,3 сек. Постоянная времени как по нарастанию, так и по спаданию фототока для СФ2-2 не превышает 0,06 сек, для ФСК-2Н — 0,1 сек. Об инерционности управляемого элемента можно судить по виду амплитудно-фазовых характеристик (АФХ). АФХ для' СФ2-2 и лампочки МИН-3 (рис. 5, кривые 1, 2, 3, 11>Ь) и СФ2-2 и лампочки «Тесла» (кривые 4, 5 14>1б) снимались с помощью генератора НГПК и осциллографа С1-19 с двумя блоками БГ1У-1. Кривые даны :в относительном масштабе (в делениях шкалы осциллографа).
Стабильность параметров во времени. Для определения стабильности-пар авторами использовались фотосопротивления типов ФС-К2Н и
К(р) =-МЛ--
(1+/"лМ1+/«ф)
— соответствует рабочей точке на характеристиках, изоб раженных на рис. 1,
— постоянная времени лампочки накаливания;
= тн при нарастании тока и тл = тсп. при спадании тока,
— постоянная времени фотосопротивления.
СФ2-2 в сочетании с лампочкой МИН-3. Было изготовлено 16 комплектов пар и поставлено на старение. Через определенное время снималась зависимость /?ф ==/(/л), по которой рассчитывалось относительное изменение сопротивления =ф(/) для определенных значений тока
и напряжения на лампочке. На стабильность пары оказывает влияние старение как лампочек, так и фотосопротивлений. Процесс старения
Рис. 4. Переходная характеристика лампочки накаливания МИН-3: вниз—включение, вверх — выключение.
весьма сложен и определяется в основном испарением вольфрама в вакууме, а также рекристаллизацией волокнистой структуры нити. Скорость испарения, а следовательно, и срок службы лампочек, весьма резко зависит от температуры накаленной нити, являющейся, в свою
очередь, функцией тока 1Л. Экспериментальные исследования показы* вают (рис. 6), что в течение первых 100—200 часов происходит интенсивное старение, обусловленное в основном рекристаллизацией нити, а затем, при условии, что ток лампочки на 10—20% ниже номинального, параметры лампочек становятся весьма стабильными. Срок службы-лампочек МИН-3 при 10%-недокале составляет около 7000 часов и резко увеличивается с уменьшением тока,
Старение фотосопротивлений из СёБ, как указывалось в [5], длится 300-=-400 часов. Максимальная величина изменения за эта время достигает 40%, далее нестабильность резко уменьшается и изменение отношения —за 7000 часов не превышает 3—5%. Причем
Яф
на стабильность пары в целом за первые 300—400 часов большее влияние оказывает старение лампочек.
trie 12 8 и
20 40 60 80• W0 120 1Ь0 160 , ISO 200 220 Г, час
Рис. 6. Старение лампочки накаливания МИН-3.
Исследования пар, прошедших старение, на кратковременную не-
до
стабильность показали, что изменение -— за 8 часов непрерывной
работы не превышает 0,2%.
Температурные характеристики. Температурные характеристики управляемого элемента в основном определяются температурными зависимостями фотосопротивлеиий. Изменение проводимости ФС из CdS типов СФ2-2 и ФС-К2Н мало в интервале температур от +10°С до. +35°С. Вне этого интервала ТКС возрастает. ТКС в интервале температур от 0°С до 50°С для СФ2-2 составляет в среднем (для 7 образцов) 0,37 %/°С, а для фотосопротивлений типа ФСК-2Н не превышает 0,12 %/°С.
Фото- и термо-ЭДС фотосопротивлений. Для измерения фото-э.д.с. фотосопротивление освещалось лампой накаливания 220 в., 150 вт. через тепловой фильтр. Освещенность ФС составляла 360 лк. Значение фото-э.д.с. в среднем для 7 образцов ФС типа СФ2-2 равно 37 мкв., тер-мо-э.д.с. СФ2-2 составляет примерно 3,7 мкв. Фото-э.д.с. фотосопротивлений СФ2-2 при освещении лампочкой типа МИН-3 равна 1,5 мкв., а при уменьшении тока составляет доли микровольта.
ЛИТЕРАТУРА
1. А, Г. Ша ш к о в и А. С. Касперович. Динамические свойства цепей с тер-мисторами. Госэнергоиздат, Москва, 1962.
2. В. С. П о п о в. Подогревное сопротивление для телеизмерений линейных перемещений. «Измерительная техника», № 1, 1962.
3. М. С. Ройтман, В. К. Жуков. Применение фотосопротивлений для стабилизации напряжения. (Труды II конфеернции). Издательство Сибирского отделения АН СССР. Новосибирск, 1962.
4. С. В. Свечников. Бесконтактный фотопотенциометр. «Автоматика и телемеханика», том. XXIV, № 9, 1963.
5. Б. Т. Коломне ц, А. О. О л е с к. Характеристики фотосопротивлений из поликристаллического СйБ. «Электричество», № 11, 1951
