Содержание

Стабилитроны

Стабилитроны — приборы тлеющего и коронного разряда. Наиболее распространены стабилитроны тлеющего разряда, работающие, в режиме нормального катодного падения. В последнее время они все чаще заменяются полупроводниковыми стабилитронами.

Поскольку темный разряд, предшествующий тлеющему, не используется, его не показывают на вольтамперной характеристике стабилитрона (рис. 21.6). Точку возникновения разряда А отмечают на вертикальной оси. К тому же миллиамперметр для измерения тока тлеющего разряда не покажет ничтожно малого тока темного разряда.

Рис. 21.7. Стабилитроны тлеющего (а) и коронного (б) разряда

Область нормального катодного падения, пригодная для стабилизации, ограничена минимальным током I_min и максимальным I_max. При токе, меньшем I_min, разряд может прекратиться. Ток I_max либо соответствует началу режима аномального катодного падения, либо при нем достигается предельная мощность.

Скачок тока при возникновении разряда может быть различным в зависимости от сопротивления R_orp. Если оно большое, то появляется сравнительно небольшой ток, а если малое, то возникает большой ток и точка Б перемещается к точке В. Для режима стабилизации это невыгодно, так как участок стабилизации напряжения БВ сокращается. При малом сопротивлении R_orp может даже произойти скачок тока в область аномального катодного падения и стабилизации вообще не получится. Таким образом, ограничительный резистор с достаточным сопротивлением необходим по двум причинам: чтобы не произошло чрезмерного возрастания тока и чтобы мог существовать режим стабилизации напряжения.

Чем больше площадь катода, тем больше участок стабилизации БВ, так как ток I_min остается неизменным, а ток I_max возрастает пропорционально площади катода. Поэтому у стабилитронов катод с большой площадью поверхности. Анод делают малых размеров, но он, конечно, не должен перегреваться от тока I_max.

Наиболее распространены двухэлектродные стабилитроны с цилиндрическим катодом из никеля или стали. Анодом служит проволочка диаметром

1,0—1,5 мм (рис. 21.7,а). Баллон наполнен смесью инертных газов (неон, аргон и гелий) под давлением в тысячи паскалей (десятки миллиметров ртутного столба).

Основные параметры стабилитрона: нормальное рабочее напряжение, или напряжение стабилизации U_ст, соответствующее средней точке участка стабилизации (см. рис. 21.6), напряжение возникновения разряда U_B, минимальный и максимальный ток I_min и I_max, изменение напряжения стабилизации ΔU_ст и внутреннее сопротивление переменному току R_i. Если требуется пониженное напряжение U_ст, то поверхность катода с внутренней стороны активируется, чтобы облегчить эмиссию электронов под ударами ионов. Применяя разные смеси газов, подбирают нужное значение U_ст. Напряжение U_B обычно превышает напряжение U_ст не более чем на 20 В. Для снижения напряжения U_B на внутренней поверхности катода имеется проводник (он показан на рис. 21.7, а), уменьшающий расстояние между катодом и анодом. Без него стабилитрон работал бы на восходящей (правой) части характеристики возникновения разряда (см. рис. 21.2).

В пределах области стабилизации напряжение U_ст изменяется на значение ΔU_ст, которое не превышает 2 В. Работа стабилитрона с током выше I_max не рекомендуется, так как ухудшается стабилизация и электроды перегреваются. Внутреннее сопротивление стабилитрона переменному току (дифференциальное сопротивление) R_i = Δu_a/Δi_a и значительно меньше сопротивления постоянному току R₀. Если бы стабилизация была идеальной (U_ст = const), то сопротивление R_i было бы равно нулю.

У отечественных стабилитронов напряжение стабилизации бывает от 75 В до нескольких сотен вольт, ток I_min обычно 3 — 5 мА, а I_max — несколько десятков миллиампер.

Рис. 21.8. Схема включения стабилитрона

Для стабилитронов коронного разряда характерны высокие напряжения и малые токи. У таких стабилитронов (рис. 21.7,6) электроды цилиндрической формы из никеля. Баллон наполнен водородом, причем напряжение стабилизации зависит от давления газа, которое обычно составляет тысячи паскалей (десятки миллиметров ртутного столба). Напряжение U_ст при этом несколько сотен вольт. Рабочие токи в пределах 3 — 100 мкА. Внутреннее сопротивление переменному току сотни килоом. Процесс возникновения разряда длится 15 — 30 с. В последнее время выпущены стабилитроны коронного разряда, оформленные в керамических баллонах, на напряжение в десятки киловольт.

Стабилитрон соединяют параллельно с нагрузкой R_H, а последовательно включают резистор R_огр (рис. 21.8). Нагрузкой является тот или иной потребитель (например, анодные цепи и цепи экранных сеток какого-либо усилителя и т. д.), который нужно питать стабильным напряжением. Напряжение источника Е должно быть выше напряжения стабилизации U_ст и достаточным для возникновения разряда в стабилитроне. Чем выше напряжение Е, тем выше должно быть сопротивление R_огр, и тогда стабилизация сохраняется при изменении напряжения Е в более широких пределах. Но при большем ограничительном сопротивлении КПД схемы снижается, так как потери мощности в стабилитроне и резисторе R_огр могут оказаться выше полезной мощности потребителя. Поэтому стабилитроны применяют только для установок небольшой мощности, в которых снижение КПД не так важно, как в мощных установках.

Стабилитроны наиболее часто работают в режиме, когда сопротивление нагрузки неизменно (R_H = const), а напряжение источника нестабильно (Е = var). В этом случае происходит следующее. Когда напряжение источника повышается, то увеличивается ток стабилитрона и почти все изменение напряжения приходится на долю резистора R_огр. Напряжение на стабилитроне и на нагрузке почти постоянно (лишь незначительно возрастает), если изменение тока стабилитрона не выходит за пределы режима нормального катодного падения. Расчет сопротивления R_огр делают по закону Ома. Если напряжение Е изменяется в обе стороны от среднего значения Е_ср, то

R_огр = (Е_ср - U_ст )/(I_ср + I_Н), (21.2)

где I_ср — средний ток стабилитрона, равный 0,5 (I_min + I_max), a I_Н - ток нагрузки, I_Н = U_ст / R_H.

Значение Е_ср определяется по максимальному и минимальному напряжению источника как

Е_ср = 0,5(Е_min + Е_max). (21.3)

После расчета R_огр следует проверить, сохранится ли стабилизация при изменении напряжения от Е_min до Е_max. Это делается следующим образом.

При изменении тока стабилитрона от I_min до I_max напряжение на R_огр изменяется на ΔE = R_огр (I_max - I_min). Стабилизация возможна при изменении Е не более чем на ΔE. Если ΔE < Е_max - Е_min, то стабилизация будет не во всем диапазоне изменения Е, а только в части его, причем эта часть тем меньше, чем меньше АЕ.

Поскольку I_max и I_min для данного стабилитрона постоянны, то значение АЕ пропорционально R_огр. Но значение R_огр тем больше, чем больше разница между Е и U_ст и чем меньше I_Н. Таким образом, стабилизация в более широких пределах возможна при более высоком напряжении источника и более низком токе нагрузки. Однако при этом снижается КПД.

Если ток нагрузки большой, то сопротивление R_огр мало и стабилизация происходит в очень узких пределах изменения напряжения Е, что невыгодно. Поэтому имеет смысл применять стабилитроны при токах I_Н, не превышающих значительно ток I_max.

Рис. 21.9. Схема понижения стабильного напряжения с помощью добавочного резистора

Рис. 21.10. Каскадное включение стабилитронов

Для стабилизации более высоких напряжений стабилитроны соединяют последовательно, обычно не более двух-трех. Они могут быть на разные напряжения, но должны иметь одинаковые токи I_min и I_max. Соединенные последовательно стабилитроны используются в качестве делителя, дающего различные стабильные напряжения. Потребители подключаются к одному или нескольким стабилитронам. Например, от трех стабилитронов на 75 В можно получать напряжения 75, 150 и 225 В. Иногда напряжение на потребителе должно отличаться от стандартных напряжений стабилитронов 75, 105, 150 В и так далее или от комбинаций этих напряжений. Тогда включают стабилитрон (или несколько стабилитронов) на ближайшее большее напряжение и поглощают излишек напряжения в добавочном резисторе R_доб, включенном последовательно с резистором R_H (рис. 21.9). Например, если требуется получить стабильное напряжение 120 В при токе I_H = 10 мА, то берут стабилитрон на 150 В, а излишек напряжения 30 В гасят в резисторе сопротивлением R_доб = 30:10 = 3 кОм.

Параллельное соединение стабилитронов не применяется, так как различные экземпляры стабилитронов данного типа не имеют одинаковых напряжений U_B и U_ст. При подаче напряжения на параллельно соединенные стабилитроны разряд возникает, лишь в том, у которого напряжение U_B наименьшее. Напряжение на нем скачком понижается, и в остальных стабилитронах разряда не будет. Если бы Он даже и возник, то вследствие различия напряжений стабилизации одни из стабилитронов работали бы с недогрузкой, другие — с перегрузкой. Возможно даже, что какой-то стабилитрон работал бы в режиме аномального катодного падения. Он не будет участвовать в стабилизации, а станет дополнительной бесполезной нагрузкой и уменьшит пределы стабилизации по напряжению. Конечно, можно подобрать близкие по параметрам стабилитроны, но это сложно и ненадежно, так как с течением времени их параметры меняются.

Эффективность стабилизации оценивают коэффициентом стабилизации k_ст. Он показывает, во сколько раз относительное изменение напряжения стабилитрона ΔU_ст/U_ст меньше относительного изменения напряжения источника ΔЕ/Е, т. е.

k_ст = (ΔЕ/Е) / (ΔU_ст/U_ст) (21.4)

Стабилитрон обеспечивает k_ст = 10 … 20. Например, если k_ст = 10, Е = 200 В и U_ст = 75 В, то при изменении напряжения источника на ΔЕ = 40 В, т. е. на 20%, напряжение стабилитрона изменится только на 1,5 В, т. е. на 2%.

Коэффициент стабилизации увеличивается при каскадном соединении стабилитронов (рис. 21.10). В схеме напряжение первого стабилитрона Л₁ подается через ограничительный резистор R_огр2 на второй стабилитрон Л₂, параллельно которому присоединен потребитель. Если коэффициенты стабилизации стабилитронов k_ст1 и k_ст2, то общий коэффициент стабилизации

k_ст = k_ст1 k_ст2 (21.5)

При двух стабилитронах получается коэффициент k_ст от 100 до 400. Недостаток схемы — снижение КПД, так как потери будут в двух стабилитронах и двух ограничительных резисторах. Более двух стабилитронов обычно не включают. Стабилитрон Л₂ должен быть рассчитан на более низкое напряжение, нежели Л₁. Напряжение U_ст1 можно считать постоянным и вести расчет сопротивления R_огр2 на ток стабилитрона Л₂, лишь немного превышающий минимальный.

Стабилитроны также применяют для стабилизации напряжения при изменяющемся сопротивлении нагрузки и постоянном напряжении источника Е. Расчет сопротивления R_огр в этом случае проводится описанным методом. Если ток I_Н меняется от минимального значения I_Нmin, соответствующего R_Нmax , до максимального значения I_Нmax, соответствующего R_Нmin, то

R_огр = (Е - U_ст)/( I_ср + I_Нср), (21.6)

где I_ср — средний ток стабилитрона, а I_Нср — средний ток нагрузки,

I_Нср = 0,5 (I_Нmin + I_Нmax). (21.7)

В этом режиме общий ток перераспределяется между стабилитроном и нагрузкой. Например, если ток нагрузки возрастает, то ток стабилитрона почти на столько же уменьшается, а напряжение U_ст и общий ток почти постоянны. Следовательно, и падение напряжения на ограничительном резисторе R_огр изменяется незначительно. Так и должно быть, поскольку U_ст + U_r = Е = const.

Конечно, стабилизация возможна при токе стабилитрона в пределах от I_min до I_max. Изменение тока нагрузки не должно превышать наибольшее изменение тока стабилитрона, т. е. условием стабилизации является неравенство

I_Нmax - I_Нmin ≤ I_max - I_min (21.8)

Стабилитрон имеет различное внутреннее сопротивление постоянному и переменному току. Кроме того, значение R₀ в зависимости от тока меняется от единиц до десятков килоом. Например, у стабилитрона, имеющего U_ст = 150 В, I_max =30 мА и I_min = 5 мА, сопротивление R₀ меняется от 5 до 30 кОм. А внутреннее сопротивление переменному току R_i значительно меньше. Пусть, например, для того же стабилитрона при изменении тока от 5 до 30 мА напряжение U_ст меняется на 2,5 В. Тогда

R_i = ΔU_ст / ΔI = 2,5/25 = 0,1 кОм.

Для переменного тока стабилитрон эквивалентен конденсатору большой емкости (при частоте 50 Гц сопротивление 0,1 кОм соответствует емкости 32 мкФ). Поэтому в выпрямителях стабилитроны обеспечивают дополнительное сглаживание пульсаций.

Продолжение

Информация

Радиодетали с доставкой