Реферат
«Стабилитроны»
Выполнил:
Проверил:
2001 г.
Стабилитроны– приборы тлеющего и коронного разряда. Наиболее распространены стабилитронытлеющего разряда, работающие в режиме нормального катодного падения. Впоследнее время они все чаще заменяются полупроводниковыми стабилитронами.
Поскольку темный разряд, предшествующий тлеющему, не используется, егоне показывают на вольт-амперной характеристике стабилитрона (рис. 1).
рис. 1 Вольт-амперная характеристика стабилитрона
Точку возникновения разряда А отмечают на вертикальной оси. Ктому же миллиамперметр для измерения тока тлеющего разряда не покажет ничтожномалого тока темного разряда.
Область нормального катодного падения, пригодная длястабилизации, ограничена минимальным током Iminмаксимальным Imax. При токе, меньшем Iminразряд может прекратиться. Ток Imax либосоответствует началу режима аномального катодного падения, либо при немдостигается предельная мощность.
Скачок тока при возникновении разряда может быть различнымв зависимости от сопротивления Rогр. Если оно большое, то появляется сравнительнонебольшой ток, а если малое, то возникает большой ток и точка Бперемещается к точке В. Для режима стабилизации это невыгодно, так какучасток стабилизации напряжения БВ сокращается. При малом сопротивлении Rогр может дажепроизойти скачок тока в область аномального катодного падения и стабилизациивообще не получится. Таким образом, ограниченный резистор с достаточнымсопротивлением необходим по двум причинам: чтобы не произошло чрезмерноговозрастания тока и чтобы мог существовать режим стабилизации напряжения.
Чем больше площадь катода, тем больше участокстабилизации БВ, так как ток Imin остается неизменным, а ток Imax возрастает пропорционально площади катода. Поэтому устабилитронов катод с большой площадью поверхности. Анод делают малых размеров,но он, конечно, не должен перегреваться от тока Imax.
Наиболее распространены двухэлектродные стабилитроныс цилиндрическим катодом из никеля или стали. Анодом служить проволочкадиаметром 1,0 – 1,5 мм. Баллон наполнен смесью инертных газов (неон, аргон игелий) под давлением в тысячи паскалей (десятки миллиметров ртутного столба).
Основные параметры стабилитрона: нормальное рабочеенапряжение, 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 внутреннеесопротивление переменному току Ri. Если требуетсяпониженное напряжение Uст, топоверхность катода с внутренней стороны активируется, чтобы облегчить эмиссиюэлектронов под ударами ионов. Применяя разные смеси газов, подбирают нужноезначение Uст.Напряжение Uвобычно превышает напряжение Uст неболее чем на 20 В. Для снижения напряжения Uв на внутренней поверхности катода имеется проводник,уменьшающий расстояние между катодом и анодом. Без него стабилитрон работал бына восходящей (правой) части характеристики возникновения разряда (см. рис 2).
рис.2 Характеристика возникновения разряда
В пределах области стабилизации напряжение Uст изменяется назначение ∆Uст,которое не превышает 2 В. Работа стабилитрона с током выше Imax не рекомендуется, так как ухудшается стабилизация иэлектроды перегреваются. Внутреннее сопротивление стабилитрона переменному току(дифференциальное сопротивление) Ri=∆ua/∆Iaи значительно меньше сопротивления постоянному току R. Если бы стабилизация была идеальной (Uст=const), то сопротивление Ri было бы равно нулю.
У отечественных стабилитронов напряжение стабилизациибывает от 75 В до нескольких сотен вольт, ток Iminобычно 3 –5 мА, а Imax – несколько десятков миллиампер.
Для стабилитронов коронного разряда характерны высокиенапряжения и малые токи. У таких стабилитронов электроды цилиндрической формыиз никеля. Баллон наполнен водородом, причем напряжение стабилизации зависит отдавления газа, которое обычно составляет тысячи паскалей (десятки миллиметровртутного столба). Напряжение Uст приэтом несколько сотен вольт. Рабочие токи в пределах 3 –100 мкА. Внутреннеесопротивление переменному току сотни килоом. Процесс возникновения разрядадлится 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 последовательновключают 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.), которыйнужно питать стабильным напряжением. Напряжение источника Е должно быть вышенапряжения стабилизации Uст идостаточным для возникновения разряда в стабилитроне. Чем выше напряжение Е,тем выше должно быть сопротивление Rогр, и тогда стабилизация сохраняется при изменениинапряжения Е в более широких пределах. Но при большем ограничительномсопротивлении КПД схемы снижается, так как потери мощности в стабилитроне ирезисторе Rогрмогут оказаться выше полезной мощности потребителя. Поэтому стабилитроныприменяют только для установок небольшой мощности, в которых снижение КПД нетак важно, как в мощных установках.
Стабилитроны наиболее часто работают в режиме, когдасопротивление нагрузки неизменно (Rн=const), напряжение источника нестабильно (E=var).В этом случае происходит следующее. Когда напряжение источника повышается, тоувеличивается ток стабилитрона и почти все изменение напряжения приходится надолю резистора Rогр.Напряжение на стабилитроне и на нагрузке почти постоянно (лишь незначительновозрастает), если изменение тока стабилитрона не выходит за пределы режиманормального катодного падения.
Расчет сопротивления Rогр делают по закону Ома. Если напряжение Е изменяется вобе 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 помаксимальному и минимальному напряжению источника как
Еср=0,5(Emin+Emax).
После расчета Rогр следует проверить, сохранится ли стабилизация приизменении 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 ∆ЕEmax-Emin, то стабилизация будет не во всем диапазоне измененияЕ, а только в части его, причем эта часть тем меньше, чем меньше ∆Е.
Поскольку Imax и Imin для данного стабилитрона постоянны, то значение ∆Епропорционально Rогр.Но значение Rогртем больше, чем больше разница между Е и Uст и чем меньше Iн. Таким образом, стабилизация в более высокомнапряжении источника и более низком токе нагрузки. Однако при этом снижаетсяКПД.
Если ток нагрузки большой, то сопротивление Rогр мало и стабилизацияпроисходит в очень узких пределах изменения напряжения Е, что невыгодно.Поэтому имеет смысл применять стабилитроны при токах Iн, не превышающихзначительно ток Imax.
Для стабилизации более высоких напряжений стабилитронысоединяют последовательно, обычно не более двух – трех. Они могут быть наразные напряжения, но должны иметь одинаковые токи Iminи Imax. Соединенные последовательно стабилитроныиспользуются в качестве делителя, дающего различные стабильные напряжения.Потребители подключаются к одному или нескольким стабилитронам. Например, оттрех стабилитронов на 75 В можно получить напряжения 75, 105, 150 В и так далееили от комбинаций этих напряжений. Тогда включают стабилитрон (или несколькостабилитронов) на ближайшее напряжение и поглощают излишек напряжения вдобавочном резисторе Rогр,включенном последовательно с резистором Rн (рис. 4).
рис.4 Схема понижения стабильного напряжения с помощью добавочного резистора
Например, если требуется получить стабильноенапряжение 120 В при токе Iн=10мА, то берут стабилитрон на 150 В, а излишек напряжения 30 В гасят в резисторесопротивлением Rдоб=30:10=3кОм.
Параллельное соединение стабилитронов не применяется,так как различные экземпляры стабилитронов данного типа не имеют одинаковыхнапряжений Uв и Uст. При подаченапряжения на параллельно соединенные стабилитроны разряд возникает лишь в том,у которого напряжение Uвнаименьшее. Напряжение на нем скачком понижается, и в остальных стабилитронахразряда не будет. Если ба он даже и возник, то вследствие различия напряженийстабилизации одни из стабилитронов работали бы с недогрузкой, другие – сперегрузкой. Возможно даже, что какой-то стабилитрон работал бы в режимеаномального катодного падения. Он не будет участвовать в стабилизации, а станетдополнительной бесполезной нагрузкой и уменьшит пределы стабилизации понапряжению. Конечно, можно подобрать близкие по параметрам стабилитроны. Но этосложно и ненадежно, так как с течением времени их параметры меняются.
Эффективность стабилизации оценивают коэффициентомстабилизации kст. Онпоказывает. Во сколько раз относительное изменение напряжения стабилитрона ∆Uст/Uст меньшеотносительного изменение источника ∆Е/Е, т. е.
kст=/>.
Стабилитрон обеспечивает kст=10÷20. Например, если kст=10, то Е=200В и Uст=75В, 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 каскадномсоединении стабилитронов (рис. 5).
рис.5 Каскадное включение стабилитронов
В схеме напряжение первого стабилитрона Л1попадается через ограничительный резистор Rогр2 на второй стабилитрон Л2,параллельно которому присоединен потребитель. Если коэффициенты стабилизациистабилитронов kст1 и kст2, то общийкоэффициент стабилизации
kст= kст1kст2.
При двух стабилитронов получается коэффициент kст от 100 до 400.Недостаток схемы – снижение КПД, так как потери будут в двух стабилитронах идвух ограничительных резисторах. Более двух стабилитронов обычно не включают.Стабилитрон Л2 должен быть рассчитан на более низкоенапряжение, нежели Л1. Напряжение Uст1 можно считать постоянным и вести расчет сопротивленияRогр2на ток стабилитрона Л2, лишь превышающий минимальный.
Стабилитроны также применяют для стабилизациинапряжения при изменяющимся сопротивлении нагрузки и постоянном напряженииисточнике 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 междустабилитроном и нагрузкой. Например, если ток нагрузки возрастает, то токстабилитрона почти на столько же уменьшается, а напряжение Uст и общий ток почтипостоянны. Следовательно, и падение напряжения на ограничительном резисторе Rогр изменяетсянезначительно. Так и должно быть, поскольку Uст+UR=E=const.
Конечно, стабилизация возможна при токе стабилитрона впределах от Imin до Imax. Изменение тока нагрузки не должно превышатьнаибольшее значение стабилитрона, т. е. Условием стабилизации являетсянеравенство
Iнmax-Iнmin≤ Imax-Imin.
Стабилитрон имеет различное внутреннее сопротивлениепостоянному и переменному току. Кроме того, значение Rв зависимости от токаменяется от единиц до десятков килоом. Например, у стабилитрона, имеющего Uст=150 В, Imax=30 мА и Imin=5 мА,сопротивление Rменяется от 5 до 60 кОм. А внутреннее сопротивление переменному току Ri значительно меньше. Пусть, например, для того же стабилитрона приизменении 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 токастабилитрон эквивалентен конденсатору большой емкости (при частоте 50 Гцсопротивление 0,1 кОм соответствует емкости 32 мкФ). Поэтому в выпрямителяхстабилитроны обеспечивают дополнительное сглаживание пульсаций.
Литература
И.П. Жеребцов «Основы электроники», Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение,1989 г.