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 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 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.
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.
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
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
.
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.
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 Iн
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
+
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
I
н
max
-I
н
min
≤ Imax
-Imin
.
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, Imax
=30 мА и Imin
=5 мА, сопротивление R
0
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 U
ст
меняется на 2,5 В. Тогда
Ri
=∆
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.