2.3. Bierne elementy regulacyjne 2.3.1. rezystory,

2.3.
Bierne elementy regulacyjne
2.3.1. rezystory,
Rezystory spełniają w laboratorium funkcje regulacyjne oraz
dysypacyjne (rozpraszają energię obciążenia)
Parametry rezystorów.
Rezystancja znamionowa - jest to wartość rezystancji podawana
jako cecha rezystora. Różnica pomiędzy wartościami rezystancji
rzeczywistej (którą ma rezystor w określonych warunkach) i
nominalnej jest nazywana odchyłką rezystancji i wiąże się z tzw.
tolerancją rezystora. Wartości rezystancji nominalnej są
znormalizowane i tworzą szeregi liczbowe. Dopuszczalne
odchyłki są zawarte w przedziale 0,1 – 20 %.
Moc znamionowa, która jest największą dopuszczalną mocą
możliwą do wydzielenia w rezystorze w postaci ciepła podczas
pracy rezystora w określonych warunkach, przy zachowaniu
wartości pozostałych parametrów w granicach ustalonych dla
danego typu rezystora. Moc ta jest zależna od konstrukcji i
powierzchni rezystora, zastosowanych materiałów, sposobu
odprowadzenia ciepła, maksymalnej dopuszczalnej temperatury
pracy i temperatury otoczenia. Moc znamionową ustala się,
przyjmując najwyższą dopuszczalną temperaturę, do jakiej może się
rozgrzać rezystor. Podaje się ją w odniesieniu do temperatury
otoczenia. Zazwyczaj jest to 70°C, ale zdarza się też 40°C lub
125°C.
Napięcie graniczne - jest to największa wartość napięcia stałego
(lub największa wartość skuteczna napięcia przemiennego), którą
można doprowadzić do końcówek rezystora nie powodując jego
uszkodzenia. Wartość napięcia granicznego zależy od konstrukcji
rezystora, głównie wytrzymałości izolacji. Wartości napięcia
granicznego są znormalizowane, np. dla powszechnie stosowanych
rezystorów małej mocy wynoszą 150, 250, 350, 500 V.
Rezystory opisywane są także współczynnikami charakteryzującymi
zmianę rezystancji w funkcji temperatury, wilgotności, napięcia itp.
Zależność rezystancji od napięcia - rezystancja wszystkich rezystorów jest zależna od napięcia. Zależność ta
powoduje zniekształcenia harmoniczne prądu przy zasilaniu napięciem zmiennym.
Zależność impedancji od częstotliwości - rezystor rzeczywisty posiada, oprócz rezystancji również
pojemności i indukcyjności pasożytnicze. Przy zastosowaniach w obwodach prądu zmiennego, zaczyna
odgrywać rolę impedancja, którą w niektórych wypadkach należy brać pod uwagę. Rezystory drutowe mają
zarówno dużą indukcyjność, jak i pojemność. Ich impedancja będzie największa przy częstotliwości
rezonansowej. Przy częstotliwościach niższych od rezonansowej mają charakter indukcyjny, przy wyższych pojemnościowy.
R - rezystancja, CL - pojemność własna,
LR - indukcyjność elementu oporowego, LS - indukcyjność wyprowadzeń.
Konstrukcja rezystorów laboratoryjnych.
Przy małych mocach (rzedu kilku watów) stosowane są typowe rezystory stosowane w elektronice. Przy
większych mocach stosuje się rezystory drutowe nawijane. Składają się one z drutu o wysokiej rezystancji
(CrNi, CrAlFe, CuNi), nawiniętego na korpus z ceramiki, szkła lub włókna szklanego. Indukcyjność
pasożytnicza rzędu 0,1-10uH, pojemność - 0,2-10 pF zależą od liczby zwojów drutu i wymiarów korpusu. W
celu zmniejszenia indukcyjności można nawijać druty w rożny sposób np. bifilarnie, krzyżowo, albo sekcyjnie w
rożnych kierunkach. W typach precyzyjnych współczynnik temperaturowy jest niski (1-100 ppm/K). Zależność
napięciowa wynosi ok. 1 ppm/V. Rezystory drutowe mocy mają współczynnik temperaturowy miedzy -50 a
+1000 ppm/K w zależności od typu drutu. Przy stosowaniu drutowych rezystorów mocy ważne jest aby
pamiętać, że temperatura na powierzchni może dochodzić do 200 - 400°C.
Rezystory wzorcowe
Tolerancje:
1 - 10 Ω ±0.005% (50ppm)
10 - 100 Ω ±0.0025% (25ppm)
100 - 1000 Ω ±0.001% (10ppm)
- Regulacja prądu za pomocą rezystora szeregowego
- Regulacja napięcia za pomocą potencjometru
Zobacz także plik: straty_w_potencjometrze.xls
Dobór rezystora obciążającego do hamownicy prądu stałego.
Przykład:
Jako hamownicę zastosowano prądnicę prądu stałego o napięciu znamionowym UN = 24V, prądzie
znamionowym IN = 33,3A i znamionowej prędkości obrotowej nN = 1500 rpm. Badany jest silnik indukcyjny o
mocy znamionowej PN = 750 W i znamionowej prędkości obrotowej nN = 1400 rpm.
Jaka powinna być wartość i moc rezystora obciążającego hamownicę?
Z wystarczającym przybliżeniem można przyjąć, że prądnica wytwarza napięcie proporcjonalne do prędkości
obrotowej. Zatem przy prędkości znamionowej silnika napięcie na zaciskach prądnicy (przy wzbudzeniu
znamionowym) będzie równe 22,4 V.
Ze względów cieplnych nie możemy przekroczyć prądu znamionowego prądnicy. Rezystor powinien mieć
wartość 0,67 Ω i moc 746 W
Zastosowanie rezystora o większej wartości nie pozwoli na pełne obciążenie hamownicy. Zastosowanie
rezystora o mniejszej mocy spowoduje uszkodzenie prądnicy lub/i samego rezystora.
Jeśli badany będzie silnik o regulowanej prędkości należy zastosować kilka rezystorów lub rezystor regulowany.
2.3.2. kondensatory,
Kondensatory znajdują zastosowanie w filtrach zasilaczy prądu stałego, w układach
regulacyjnych prądu przemiennego oraz w układach obciążenia o regulowanym
współczynniku mocy.
W obwodach zasilania jako kondensatory filtrujące i gromadzące energię stosowane są
kondensatory elektrolityczne aluminiowe.
Do pracy w obwodach impulsowych, gdzie występują napięcia i prądy o znacznej
stromości stosuje się kondensatory polipropylenowe (krajowe oznaczenia KMP, KFMP,
europejskie MKP).
Parametry kondensatorów.
- pojemność znamionowa jest wyrażona w faradach, określa zdolność kondensatora do gromadzenia ładunków
elektrycznych. Wartość pojemności znamionowej jest założona przy wytwarzaniu kondensatora, która z
uwzględnieniem tolerancji jest podawana jako jego cecha. W określonych warunkach różnica między
pojemnością rzeczywistą a znamionową kondensatora, tj. odchyłka pojemności kondensatora, nie może być
większa niż wartość wynikająca z tolerancji.
- napięcie znamionowe jest to wartość napięcia
stałego (dla niektórych kondensatorów wartość
napięcia
przemiennego
o
określonej
częstotliwości, zwykle 50 Hz), które może być
długotrwale doprowadzone do kondensatora nie
powodując jego uszkodzenia ani jakiejkolwiek
trwałej zmiany jego parametrów. Wartości
napięcia znamionowego są znormalizowane.
Przez określony czas (zwykle 1 minutę)
kondensator powinien także bez żadnej szkody
wytrzymać napięcie o większej wartości,
nazywane napięciem probierczym.
- tangens kąta stratności (tgδ ) – stosunek mocy czynnej wydzielającej się w kondensatorze przy napięciu
sinusoidalnie zmiennym o określonej częstotliwości. Wartość strat zależy od częstotliwości i temperatury.
Wartość tgδ podaje się dla ściśle określonej częstotliwości pomiarowej, zwykle 1 kHz lub 1 MHz (dla
kondensatorów elektrolitycznych - 100 Hz).
- prąd upływowy – prąd płynący przez kondensator, przy doprowadzonym stałym napięciu;
- temperaturowy współczynnik pojemności – αC, określa względną
zmianę pojemności, zależną od zmian temperatury.
ESL szeregowa indukcyjność zastępcza jest indukcyjnością wyprowadzeń i elektrod LS. Indukcyjność
współczesnych kondensatorów zwykle zawiera się w zakresie 10-100 nH.
Odporność na napięcie impulsowe określa, z jaką częstotliwością kondensator może być ładowany i
rozładowywany. Zmiany napięcia powodują przepływ prądu przez elektrody i doprowadzenia, w rezystancji
których następuje wydzielenie pewnej mocy. Gdy gęstość prądu w elektrodach będzie duża, wzrasta oporność
własna, a w związku z tym straty mocy. Przy bardzo wysokich prądach może nastąpić stopienie i wyparowanie
elektrod. Zmiany napięcia prowadzą ponadto do strat w dielektryku, które wspólnie ze stratami w rezystancji
powodują wzrost temperatury kondensatora. Odporność na napięcie impulsowe jest parametrem katalogowym i
zależy od przyjętych warunków badania.
Schemat zastępczy kondensatora rzeczywistego
RP – rezystancja dielektryka,
C - pojemność własna,
LS - indukcyjność wyprowadzeń.
RS - rezystancja wyprowadzeń.
2.3.3. cewki indukcyjne.
Indukcyjności stosuje się u układach filtrów zasilaczy
prądu stałego, w układach przeciwzakłóceniowych, do
tłumienia przepięć w układach zasilających oraz w
układach obciążenia o zmiennym współczynniku
mocy.
L – indukcyjność znamionowa,
RS - rezystancja szeregowa (rezystancja drutu +
pozostałe straty w drucie i rdzeniu),
CL - pojemność własna cewki np. pojemność między
warstwami uzwojeń, zwana też pojemnością
upłynnościową, pasożytniczą albo rozproszoną.
Dobroć Q (ang. Quality), jest stosunkiem reaktancji
cewki do rezystancji szeregowej. Niższa rezystancja
daje wyższą dobroć i filtry mają wówczas większe nachylenie zbocza: Q = XL / RS
Zależność indukcyjności od temperatury – indukcyjność cewek bezrdzeniowych praktycznie nie zależy od
temperatury, lecz przenikalność ferrytu albo rdzenia proszkowego zależy silnie od temperatury.
Schemat zastępczy cewki
CL - pojemność własna,
L – indukcyjność,
RS - rezystancja przewodu.