Стабилитроны

Реферат

«Стабилитроны»

Выполнил:

Проверил:

2001 г.

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 вольт-амперной характеристике стабилитрона (рис. 1).

рис. 1 Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Точку возникновения разряда А отмечают на вертикальной оси. К тому же миллиамперметр для измерения тока тлеющего разряда не покажет ничтожно малого тока темного разряда.

Область нормального катодного падения, пригодная для стабилизации, ограничена минимальным током I_min 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_огр. 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_огр может даже произойти скачок тока в область аномального катодного падения и стабилизации вообще не получится. Таким образом, ограниченный 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 служить проволочка диаметром 1,0 – 1,5 мм. 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. 1), напряжение возникновения разряда U_в, минимальный и максимальный ток I_min и I_max, изменение напряжения стабилизации ∆U_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_в обычно превышает напряжение U_ст не более чем на 20 В. Для снижения напряжения U_в на внутренней поверхности катода имеется проводник, уменьшающий расстояние между катодом и анодом. Без него стабилитрон работал бы на восходящей (правой) части характеристики возникновения разряда (см. рис 2).

рис. 2 Характеристика возникновения разряда

В пределах области стабилизации напряжение U_ст изменяется на значение ∆U_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=∆u_a/∆I_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.

Для стабилитронов коронного разряда характерны высокие напряжения и малые токи. У таких стабилитронов 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_н, а последовательно включают резистор R_огр (рис. 3).

рис. 3 Схема включеня стабилитрона

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_н=const), напряжение источника нестабильно (E=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),

где I_ср – средний ток стабилитрона, ровной 0,5(I_min+I_max), а I_н – ток нагрузки, I_н= U_ст/ R_н.

Значение Е_ср определяется по максимальному и минимальному напряжению источника как

Е_ср=0,5(E_min+E_max).

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

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

Поскольку I_max и I_min для данного стабилитрона постоянны, то значение ∆Е 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 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.

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 получить напряжения 75, 105, 150 В и так далее или от комбинаций этих напряжений. Тогда включают стабилитрон (или несколько стабилитронов) на ближайшее напряжение и поглощают излишек напряжения в добавочном резисторе R_огр, включенном последовательно с резистором R_н (рис. 4).

рис. 4 Схема понижения стабильного напряжения с помощью добавочного резистора

Например, если требуется получить стабильное напряжение 120 В при токе I_н=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_в и U_ст. При подаче напряжения на параллельно соединенные стабилитроны разряд возникает лишь в том, у которого напряжение U_в наименьшее. Напряжение на нем скачком понижается, и в остальных стабилитронах разряда не будет. Если ба 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 ∆U_ст/U_ст меньше относительного изменение источника ∆Е/Е, т. е.

k_ст=.

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

Коэффициент стабилизации увеличивается при каскадном соединении стабилитронов (рис. 5).

рис. 5 Каскадное включение стабилитронов

В схеме напряжение первого стабилитрона Л₁ попадается 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.

При двух стабилитронов 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 превышающий минимальный.

Стабилитроны также применяют для стабилизации напряжения при изменяющимся сопротивлении нагрузки и постоянном напряжении источнике 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=(E-U_ст)/(I_ст+I_{н ст}),

где I_ст – средний ток стабилитрона, а I_{н ст} – средний ток нагрузки.

I_{н ст}=0,5(I_{н min}+ I_{н max}).

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=E=const.

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

I_{н max}-I_{н min}≤ I_max-I_min.

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 60 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=∆U_ст/∆I=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.

Литература

И. П. Жеребцов «Основы электроники», Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1989 г.