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 Imin максимальным Imax . При токе, меньшем Imin разряд может прекратиться. Ток Imax 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.
Возможно вы искали - Реферат: Стереотелевизионные системы
Чем больше площадь катода, тем больше участок стабилизации БВ, так как ток Imin остается неизменным, а ток Imax возрастает пропорционально площади катода. Поэтому у стабилитронов катод с большой площадью поверхности. Анод делают малых размеров, но он, конечно, не должен перегреваться от тока Imax .
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 Uв , минимальный и максимальный ток Imin и Imax , изменение напряжения стабилизации ∆ U ст и внутреннее сопротивление переменному току Ri . 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 Imax не рекомендуется, так как ухудшается стабилизация и электроды перегреваются. Внутреннее сопротивление стабилитрона переменному току (дифференциальное сопротивление) Ri =∆ ua /∆ Ia и значительно меньше сопротивления постоянному току R 0 . Если бы стабилизация была идеальной (U ст = const ), то сопротивление Ri было бы равно нулю.
Похожий материал - Реферат: Стробоскопический аналого-цифровой преобразователь
У отечественных стабилитронов напряжение стабилизации бывает от 75 В до нескольких сотен вольт, ток Imin обычно 3 –5 мА, а Imax – 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.
Очень интересно - Реферат: Схема сопряжения датчика с ISA
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 Еср , то
R огр =(Еср - U ст )/( I ср + I н ) ,
где I ср – средний ток стабилитрона, ровной 0,5( Imin + Imax ) , а I н – ток нагрузки, I н = U ст / R н .
Значение Еср определяется по максимальному и минимальному напряжению источника как
Вам будет интересно - Реферат: ТЭС - расчет канала
Еср =0,5(Emin +Emax ) .
После расчета R огр следует проверить, сохранится ли стабилизация при изменении напряжения от Emin до Emax . Это делается следующим образом.
При изменении тока стабилитрона от Imin и Imax напряжение на R огр изменяется на ∆Е= R огр ( Imin + Imax ) . Стабилизация возможна при изменении Е не более чем на ∆Е . Если ∆Е< Emax - Emin , то стабилизация будет не во всем диапазоне изменения Е, а только в части его, причем эта часть тем меньше, чем меньше ∆Е .
Поскольку Imax и Imin 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 Imax .
Похожий материал - Реферат: Тактильные датчики
Для стабилизации более высоких напряжений стабилитроны соединяют последовательно, обычно не более двух – трех. Они могут быть на разные напряжения, но должны иметь одинаковые токи Imin и Imax . 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.