Реферат: Стабилитроны

Реферат: 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 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 Rогр. 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 Rогр 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 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 Uст, соответствующее средней точке участка стабилизации (см. рис. 1), напряжение возникновения разряда Uв, минимальный и максимальный ток Imin и Imax, изменение напряжения стабилизации ∆Uст и внутреннее сопротивление переменному току Ri. Если требуется пониженное напряжение Uст, то поверхность катода с внутренней стороны активируется, чтобы облегчить эмиссию электронов под ударами ионов. Применяя разные смеси газов, подбирают нужное значение Uст. Напряжение Uв обычно превышает напряжение Uст не более чем на 20 В. Для снижения напряжения Uв 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 Uст изменяется на значение ∆Uст, 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 R0. Если бы стабилизация была идеальной (Uст=const), то сопротивление Ri было бы равно нулю.

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 Uст 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 Rн, а последовательно включают резистор Rогр (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 Uст и достаточным для возникновения разряда в стабилитроне. Чем выше напряжение Е, тем выше должно быть сопротивление Rогр, 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 Rогр 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 (Rн=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 Rогр. 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 Rогр делают по закону Ома. Если напряжение Е изменяется в обе стороны от среднего значения Еср, то

Rогр=(Еср-Uст)/(Iср+Iн),

где Iср – средний ток стабилитрона, ровной 0,5(Imin+Imax), а Iн – ток нагрузки, Iн= Uст/ Rн.

Значение Еср определяется по максимальному и минимальному напряжению источника как

Еср=0,5(Emin+Emax).

После расчета Rогр 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 Rогр изменяется на ∆Е=Rогр(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 Rогр. Но значение Rогр тем больше, чем больше разница между Е и Uст и чем меньше Iн. Таким образом, стабилизация в более высоком напряжении источника и более низком токе нагрузки. Однако при этом снижается КПД.

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

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 Rогр, включенном последовательно с резистором Rн (рис. 4).

рис. 4 Схема понижения стабильного напряжения с  помощью добавочного резистора

Например, если требуется получить стабильное напряжение 120 В при токе Iн=10 мА, то берут стабилитрон на 150 В, а излишек напряжения 30 В гасят в резисторе сопротивлением Rдоб=30:10=3 кОм.

Параллельное соединение стабилитронов не применяется, так как различные экземпляры стабилитронов данного типа не имеют одинаковых напряжений Uв и Uст. При подаче напряжения на параллельно соединенные стабилитроны разряд возникает лишь в том, у которого напряжение Uв 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 kст. Он показывает. Во сколько раз относительное изменение напряжения стабилитрона ∆Uст/Uст меньше относительного изменение источника ∆Е/Е, т. е.

kст=.

Стабилитрон обеспечивает kст=10÷20. Например, если kст=10, то Е=200 В и Uст=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 Rогр2 на второй стабилитрон Л2, параллельно которому присоединен потребитель. Если коэффициенты стабилизации стабилитронов kст1 и kст2, то общий коэффициент стабилизации

kст= kст1 kст2.

При двух стабилитронов получается коэффициент kст 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 Uст1 можно считать постоянным и вести расчет сопротивления Rогр2 на ток стабилитрона Л2, лишь превышающий минимальный.

Стабилитроны также применяют для стабилизации напряжения при изменяющимся сопротивлении нагрузки и постоянном напряжении источнике Е. Расчет сопротивления Rогр в этом случае проводится описанным методом. Если ток Iн меняется от минимального значения Iнmin, соответствующего Rнmax, до максимального значения  Iнmax, соответствующего Rнmin, то

Rогр=(E-Uст)/(Iст+Iн ст),

где Iст – средний ток стабилитрона, а Iн ст – средний ток нагрузки.

Iн ст=0,5(Iн min+ Iн 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 Uст и общий ток почти постоянны. Следовательно, и падение напряжения на ограничительном резисторе Rогр изменяется незначительно. Так и должно быть, поскольку Uст+UR=E=const.

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

Iн max-Iн min≤ Imax-Imin.

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 Uст=150 В, Imax=30 мА и Imin=5 мА, сопротивление R0 меняется от 5 до 60 кОм. А внутреннее сопротивление переменному току Ri значительно меньше. Пусть, например, для того же стабилитрона при изменении тока от 5 до 30 мА напряжение Uст меняется на 2,5 В. Тогда

Ri=∆Uст/∆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.