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 R>0>. 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 Л>1> попадается через ограничительный резистор R>огр2> на второй стабилитрон Л>2>, 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 Л>2> должен быть рассчитан на более низкое напряжение, нежели Л>1>. Напряжение U>ст1> можно считать постоянным и вести расчет сопротивления R>огр2> на ток стабилитрона Л>2>, 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>н>>min>, соответствующего R>н>>max>, до максимального значения I>н>>max>, соответствующего R>н>>min>, 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 R>0> 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 R>0> 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.