Фотосопротивление и лампочка накаливания как управляемый элемент электрической цепи

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

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 /?*=/

4.5

в пределах ¿/л=0,8 -г- 1 »6 в. аппроксимируется выражением /?ф = 420£ул (с погрешностью ± 10%). При этом:

л-ц=-4Ту-

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

/л = 6,15 (2,4+ £/л), для лампочек МИН-3 (кривая 2) /л = 38 (1,35+ ¿/л). Выражая напряжение через ток, получим:

(/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--

— 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