допустимое напряжение коллектор -эмиттер 60 В, допустимое напряжение база - эмиттер 4 В, р= 50 -г- 160, постоянная времени 0,8 мкс, напряжение коллектор - эмиттер в насыщенном состоянии 0,3 В, при / = 0,4 А и степени насыщения, равной пяти. При повышении степени насыщения до десяти Lki, снижается до 0,15 В. Напряжение между базой и эмиттером у этого транзистора при насыщении ((Убн) не более 0,75 В.

Определим теперь напряжения на обмотках силового трансформатора. На вторичной обмотке следует обеспечить напряжение, равное сумме выпрямленного и прямого напряжений на двух диодах мостовой схемы, т. е.

/2т = Ро + 2(Упр=16--2-0,57= 17,14 В.

На первичной обмотке получится напряжение, равное разности напряжения первичной сети и напряжения на насыщенном транзисторе

= 24-0,3 = 23,7 В.

Коэффициент трансформации у силового трансформатора должен быть равен П( - 17,14/23,7 = 0,734. Уточненное значение тока коллектора

/кн = /о с = 0.5-0,734 = 0,367 А, т. е. меньше допустимого. Ток базы силового транзистора инвертора должен превы-

Um > K /Pmin = 0,37/50 = 0,0074 А.

Выбираем ток базы 1бт~ 0.037 А. Фактическая степень насыщения транзистора при таком токе составит

фт1п -бтРт1п/кн~ *фmax = бтРтах/кн ~

Перейдем к расчету цепи возбуждения транзистора. Выберем напряжение на вторичной обмотке переключающего трансформатора (Уб равным 2,5 В, что больше напряжения база - эмиттер при насыщении почти в три раза. Тогда сопротивление резистора

п , (/бт-<7бн 2.5-0,75 -7== 0,037

Полное сопротивление промежутка база - эмиттер транзистора в насыщенном состоянии соответственно равно 0,75/0,037 = 20 Ом.

Выбираем коэффициент трансформации переключающего трансформатора Tpj Пп = 0,5, тогда напряжение на его первичной обмотке должно быть равным 5 В, по ней будет протекать ток Ig = /бт п- 0,0185 А. Отсюда получаем пересчитанное в первичную обмотку сопротивление базовой цепи

?б=(/бт/( 11/в) = 5/0,0185 = 270 Ом.

Пусть напряжение на вспомогательной обмотке трансформатора Тру Ub будет в два раза больше, чем напряжение на первичной обмотке Тр2, т. е. равным 10 В. Тогда сопротивление ограничительного резистора

Us-Uem/nn 10-5

0,0185

= 270 Ом.

Составляющая коллекторного тока силового транзистора-инвертора, идущая на возбуждение, получается много меньшей составляющей, идущей во вторичную обмотку и затем выпрямляющейся; к = в^в1т1 = (10/23.7) 0,0185 = 0,008 А.

При насыщении переключающегося трансформатора составляющая тока коллектора силового транзистора, идущая на возбуждение, возрастет до

/к = (£7в ?з)6/з/£, =0,0159 А.

Таким образом, рост тока коллектора силового транзистора, получающийся при насыщении переключающего трансформатора, настолько мал, что изменение

фактической степени насыщения транзистора moJkho не учитывать. Поскольку допустимое напряжение база - эмиттер больше напряжения на вторичной обмотке переключающего трансформатора, ограничительные диоды в цепь базы включать не нужно. Если бы в схеме стояли ограничительные диоды, то по каждому из резисторов /?б протекал бы ток как при открытом, так и при закрытом транзисторе силовой цепи. Из-за этого пересчитанное в первичную обмотку трансформатора Тр сопротивление базовой цепи было бы в два раза меньше, чем получилось в отсутствие диодов.

Найдем теперь по (13.48) время рассасывания заряда неосновных носителей в базе транзистора силовой цепи:

Tp., = т,lnйф = 0,8 1n(5- 16) = 1,3-2,23 мкс

Будем пока считать, что постоянная времени переключающих базовых цепей силовых транзисторов меньше постоянной времени транзистора. Прн этом время спада коллекторного тока транзистора будет определяться самим транзистором, а не переключающим .трансформатором.

Постоянная времени диода ДЗЮ меньше постоянной времени транзистора. Следовательно, время рассасывания заряда в базовой области диодов выпрямителя определим по (13.51):

Гр.д = 3тт = 2,4 мкс.

Ввиду малости времени Гр.т и Гр.д можем выбрать повышенную частоту переключения в инверторе, что благоприятно скажется на габаритах трансформаторов Tpi и Тр. Пусть частота переключений будет 40 кГц. Период колебаний 2Т при этом будет иметь длительность 25 мкс.

Определим длительность линейных процессов в схеме инвертора:

Гд = Г-Гр.д-Гр.т=12,5-2,4-2,23=: 8 мкс.

Выбираем сердечник трансформатора Тр - типа ОЛ12/14-3 из пермаллоя 79НМ. Этот сердечник имеет сечение 1x3 = 3 мм, коэффициент заполнения сечения металлом 0,7, индукцию насыщения 0,7 Т.

Исходя из этих данных, определим число витков в первичной обмотке Тр:

8. 10-6.5

2S,So 2-0.7 .0,7.3. 10-6

-= 13,6 витка.

Выбираем wi = 14 виткам и тогда Г.т = 8,25 мкс.

Из-за разброса коэффициентов усиления транзисторов период колебаний инвертора будет величиной нестабильной. Максимальная величина полупериода окажется равной

а минимальная

max = S25 + 2,4+2,23= 12,9 мкс, ri = 8,25 + 2,4 + l,3=l2 мкс

Соответственно частота колебаний будет лежать в пределах 39,8 ~- 41,7 кГц. Число витков во вторичной обмотке трансформатора Тр при принятом его коэффициенте трансформации 0,5 должно быть равным семи.

Проверим, как оправдывается принятое выше допущение о малости постоянной времени цепи возбуждения транзистора. Для этого подсчитаем индуктивность насыщенного трансформатора Тр, приведенную к его первичной обмотке. Относительную, магнитную проницаемость насыщенного сердечника трансформатора }i примем равной 700. Тогда

L21 = 1,256. 10-бц = 1,256. 10-6. 700.-444 = 8.8 10-6 г.

41 10-3

Отсюда постоянная времени переключающей базовой цепи равна

(5а± Р,077 мкс < 0,8 мкс RsR6

Предположение оправдалось, следовательно, вычисление величины Тр. проведено правильно.

Л\алыевеличины перепада напряжения на выходном конденсаторе выпрямителя не оказывают заметного влияния на величину его выходного напряжения. Поэтому выходное сопротивление преобразователя определится сопротивлением насыщенных транзисторов, открытых диодов выпрямителя и омическим сопротивлением дросселя фильтра. Примем омическое сопротивление дросселя фильтра равным 1 Ом, тогда

вы.х = кн а/к., + . + = 0-734 (0,3/0,37) + 0,34 + l = l ,78 Ом.

Глава XIV

Первичные источники электрической энергии

§ 14.1. Химические источники электрической энергии

Химические источники тока (гальванические элементы и аккумуляторы) - одни из старейших источников электрической энергии. До настоящего времени они продолжают занимать видное место в питании бортовых радиоустройств.

Несмотря на долгую, более чем столетнюю, историю, химические источники электрической энергии с успехом совершенствуют. Так, за последние тридцать лет удельная энергия ряда источников возросла более чем в 5 раз. Улучшения достигаются за счет усовершенствования конструкции известных элементов и применения новых веществ для электродов и электролитов.

Одной из важных характеристик химического источника тока является разрядная емкость, определяемая количеством электричества (зарядом); который можно получить от этого источника. Заряд Q при токе нагрузки f (t) определяется интегралом:

Q= \ iAi)dt, (14.1)

где tp - время протекания тока в нагрузке (время разрядки).

Энергия, которую отдает в нагрузку источник, определяется как током источника, так и напряжением на нагрузке и„ (/);

W= \ uAt)iAi)dt.

14.2)

Средняя за время разрядки мощность, отдаваемая источником в нагрузку Р, также характеризует способность его работать на ту или иную нагрузку:

р = (1/д S u,{t)h{i)dt.

(14.3)

Разрядку источника считают законченной тогда, когда напряжеиие на нагрузке, уменьшающееся в течение всего процесса разрядки, достигает некоторой величины, называемой разрядным напряжением. Поэтому во всех трех формулах время разрядки зависит от среднего тока (сопротивления) нагрузки, т. е. от режима работы источника.

Приведенные характеристики являются определенными интегра-.лами и, следовательно, зависят от своего верхнего предела - времени разрядки, т. е. от режима работы. Эта зависимость возникает из-за

2 it 6 8 10 12 Уде/?ьноя мщность,В1л/кГ

Удельная мощностьВт/дм

а) 5)

Рис. 14.1. Удельные массовые (а) и объемные (б) характеристики хими- ческих источников тока:

/ - ртутЕЮ-цннковые элементы; 2 - серебряно-цинковые аккумуляторы;

3 - маргаицово-ципковые герметичные элементы щелочным электролитом;

4 - иикель-цимковые аккумуляторы; 5 - безламёльные ннкель-кадмиевые аккумуляторы; 6 - кислотные аккумуляторы; 7 - ламельиые никель-кад-мневые аккумуляторы; s - медно-магыиевые батареи; 9 - прессованные никель-кадмиевые аккумуляторы; 10 - марганцово-цинковые элементы ста- канчиковой конструкции; - марганцово-цинковые элементы галетной конструкции

ограничений в скорости протекания химических реакций. Так как в химических источниках тока в электрическую энергию превращается химическая энергия окислительно-восстановительных процессов, то при быстрой разрядке не вся масса имеющихся в источнике химических веществ успевает прореагировать и отдаваемые в нагрузку заряд и энергия уменьшаются.

Наиболее наглядно свойства источника представлены зависимостью удельной энергии источника от его удельной мощности (рис. 14.1).. Аналогичные зависимости уже были приведены для одного из типов аккумуляторов в гл. 5.

Заданному времени разрядки (работы) источника на графиках Рис. 14.1 соответствует прямая, проходящая через началокоординат,

Рис. 14.2. Разрядные кривые химических источников тока (обозначения те же, что и на рис. 14.1)

Она тем круче, чем больше время разрядки. По этой прямой легко определить, какой из типов источников будет при данном режиме обладать наименьшими весом и объемом.

Те химические источники, у которых после разрядки возможно восстановление израсходованной энергии при пропускании через них тока с направлением, противоположным разрядному (зарядного тока),

называют аккумуляторами. Заряд гальванических элементов удается восстановить после разрядки лишь на небольшую по сравнению с первоначальной величину. По этой причине у элементов используется только один первоначальный разрядный цикл. Для характеристики восприимчивости заряда аккумулятором вводят понятие отдачи по емкости, определяемое, как отношение разрядной емкости к зарядной.

Сохранность и срок службы химического источника тока во многом определяется его саморазрядкой, т.е. уменьшением заряда источника во времени при отключенной нагрузке. Возможность сопряжения химического источника тока с нагрузкой или сопряжения гальванического элемента с аккумулятором опре--деляется разрядной кривой рис. 14.2, которая показывает изменение напряжения на выходе источника при разрядке. Пологая разрядная кривая позволяет иногда обеспечить достаточно постоянное напряжение на нагрузке без дополнительных стабилизаторов.

Все названные характеристики химических источников тока заметно меняются при изменении рабочей температуры. С уменьшением температуры удельные весовые и объемные характеристики всех источников ухудшаются (рис. 14.3). Наиболее резко падают с уменьшением температуры показатели самых хороших (при комнатной температуре) )тутно-цинковых элементов и серебряно-цинковых аккумуляторов. 1ри температуре -40° С они становятся даже самыми плохими.

В наименованиях химических источников тока указывают материалы электродов, вид электролита (кислота или щелочь) и его конструктивные особенности.

§ 20 I О

-50 -40 -20 0

Температура^ С

Рис. 14.3. Зависимость удельной энергии химических источни.ков тока от температуры (обозначения те же, что и на рис. 14.1)

Не разбирая устройство химических источников и протекающих в них химических реакций, остановимся на показателях наиболее распространенных их типов.

1. Марганцово-цинковые элементы (рис. 14.4) отличаются малой стоимостью, достаточно широким температурным диапазоном, хорошей сохранностью. Вместе с тем они обладают наихудшими из всех элементов разрядными и наименьшими удельными массовыми характеристиками.

Напряжение на выходе марганцово-цинкового элемента в процессе разрядки (см. рис. 14-:2) непрерывно и довольно круто падает. С ростом разрядного тока (мощности) удельная энергия марганцово-цинкового элемента резко падает. Так, при увеличении удельной мош-

Рис 14.4. Конструкция га-летного марганцово-цинкового элемента:

/ - цинковая пластина с электропроводящим слоем; 2 - положительный электрод; 3 - пористая перегородка, пропитанная электролитом; 4 - бумажная прокладка; 5 - хлорвиниловое кольцо

7 В

Рис. 14.5. Конструкция ртутно-цинко-вого элемента:

/ - крышка; 2 - отрицательный электрод (цинковые опилки); 3 - корпус; 4 - положительный электрод; 5 - резиновое кольцо; 6 - сепаратор; 7 - бумажная диафрагма

НОСТИ 0,2 -г- 2 Вт на килограмм удельная энергия такого элемента снижается более чем в четыре раза.

Выпускают марганцово-цинковые элементы двух конструкций: стаканчиковой (цилиндрической) и в виде параллелепипеда или диска (галетной). Последние имеют большую поверхность электродов, из-за этого обладают несколько лучшими мощностными характеристиками.

Новые марганцово-цинковые элементы со щелочным электролитом (в обычных элементах электролит солевой) выпускают герметизированными. Их основные эксплуатационно-технические характеристики следующие: хорошие удельные показатели, хорошая механическая прочность, саморазрядка 3-5% за месяц, сохранность более 18 месяцев, безвредность для обслуживающего персонала, весьма простой уход.

2. Ртутно-цинковые элементы (рис. 14.5) имеют высокую механическую прочность, саморазрядку за месяц 3-5%, сохранность более 18 месяцев, безвредны для обслуживающего персонала, но в их производстве применяются весьма вредные вещества. Уход за ними очень прост, стоимость ртутно-цинковых элементов в 12-17 раз больше, чем ма р га и цово-цинковых.