Стабилитроны тлеющего разряда

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание:

Введение

1. Назначение приборов

2. Устройство и принцип действия

3. Основные физические закономерности

3.1 Область стабилизации напряжения

3.2 Область зажигания разряда

3.3 Работа параметрического стабилизатора

Список литературы

Введение

Стабилитромн тлемющего разрямда -- ионный газоразрядный электровакуумный прибор, предназначенный для стабилизации напряжения. Стабилитроны тлеющего разряда заполнены смесью инертных газов и предназначены для стабилизации напряжений от 80 В (аргоново-гелиевая и неон-криптоновая смеси) до 1,2 кВ (гелиево-неоновая смесь). Конструктивно близкие стабилитроны коронного разряда заполнены водородом и предназначены для стабилизации напряжений от 0,4 до десятков кВ.

Работа стабилитрона основана на свойстве тлеющего разряда при изменении тока через прибор не изменять падение напряжения между электродами. Конструктивно стабилитрон состоит из 2 коаксиальных электродов (катод обычно снаружи), помещённых в стеклянный или металлический баллон, содержащий смесь газов (как правило, инертных) при давлении в десятки мм рт. ст. Рост тока при тлеющем разряде при таком расположении электродов происходит за счёт увеличения площади катода, охваченной разрядом, при этом плотность тока в ионизированной части газа остаётся неизменной, следовательно, остаётся неизменным и падение напряжения на разрядном промежутке. В некоторых случаях для снижения напряжения зажигания внутрь прибора вводится небольшое количество радиоактивного вещества.

1. Назначение приборов

Стабилитроны тлеющего разряда предназначены для поддержания постоянного напряжения на нагрузке при изменении в определенных пределах питающего напряжения и/или нагрузочного резистора. Типовая схема применения стабилитрона (так называемый параметрический стабилизатор) представлена на рис. 1.1. Схема работает таким образом, что изменения напряжения источника питания (входного напряжения U0) почти полностью выделяются на балластном резисторе Rб, а выходное (стабилизированное) напряжение Uст на стабилитроне V1 и нагрузке Rн остается практически неизменным.

Рис. 1.1. Электрическая схема параметрического стабилизатора напряжения. U0 - напряжение источника питания; Rб - балластный резистор; V1 - стабилитрон; Rн - нагрузочный резистор; Uн - напряжение на нагрузке

Диапазон рабочих (стабилизированных) напряжений стабилитронов тлеющего разряда - от 80 до 180 В, диапазон токов - от 1 до 50 мА. По характеристикам и области применения газоразрядные стабилитроны сходны с полупроводниковыми. Преимуществами газоразрядных приборов в сравнении с твердотельными являются широкий диапазон рабочих температур (от -60 до +300 0С), низкий температурный коэффициент изменения напряжения стабилизации и способность выдерживать большие перегрузки по току. К недостаткам газоразрядных стабилитронов относятся наличие напряжения зажигания, существенно (на 20 - 50 %) превышающего рабочее, скачки напряжения на рабочем участке характеристики, вызывающие появление электрических шумов, и заметная (доли секунды) задержка включения стабилитрона в рабочий режим в результате статистического запаздывания зажигания разряда.

2. Устройство и принцип действия

Работа стабилитронов основана на закономерностях нормального тлеющего разряда. На рабочем участке вольт-амперной характеристики (ВАХ) стабилитрона (область 3 на рис. 1.2) при увеличении тока на 1 - 2 порядка напряжение возрастает всего на 1 - 5 %, т. е. остается практически неизменным. Это напряжение является основным рабочим параметром прибора и называется напряжением стабилизации (Uст). Начальный участок ВАХ (область 1) определяет другой рабочий параметр стабилитрона - напряжение зажигания (Uз). Для нормальной работы схемы, изображенной на рис. 1.1, необходимо, чтобы напряжение источника питания превышало Uз, так как иначе стабилитрон не сможет перейти в рабочую область ВАХ.

Рис. 1.2. Вольт-амперная характеристика стабилитрона: 1 - область зажигания разряда; 2 - переход к нормальному тлеющему разряду; 3 - рабочая область стабилизации напряжения; 4 - аномальный тлеющий разряд

Участок 2 на рис. 1.2 соответствует переходу к нормальной плотности тока и определяет минимальный ток стабилизации (Imin), ниже которого стабилизация напряжения не обеспечивается. В рабочей области 3 существует нормальный тлеющий разряд. Плотность тока и напряжение с ростом тока здесь не изменяются, а площадь поперечного сечения разряда пропорционально увеличивается. Область 4 соответствует аномальному тлеющему разряду. С ростом тока напряжение горения разряда здесь сравнительно быстро увеличивается, что не позволяет использовать эту область для стабилизации напряжения. Начало области 4, где площади разряда и катода равны, определяет рабочий параметр стабилитрона - максимальный ток стабилизации (Imax).

Электроды стабилитрона обычно выполняются в виде двух коаксиальных цилиндров. Внешний цилиндр служит катодом, что обеспечивает его большую площадь и высокое значение параметра Imax, который пропорционален площади катода. Приборы наполняются инертными газами или их смесями до давления 103 - 104 Па. Максимальные габаритные размеры (длина) стабилитронов составляют 5 - 10 см для стеклянных приборов и 2 - 3 см для металлокерамических. Обозначение типов стабилитронов содержит буквы СГ (стабилитрон газоразрядный) и порядковый номер разработки. После номера следует буква, отражающая особенности конструкции: Б - стеклянный сверхминиатюрный, П - стеклянный «пальчиковой» серии, К - металлокерамический (например, СГ21Б, СГ204К и т. д.).

стабилизатор разряд напряжение

3. Основные физические закономерности

3.1 Область стабилизации напряжения

Нормальный тлеющий разряд, на котором основана работа стабилитронов, существует, когда произведение давления газа p на межэлектродное расстояние d соответствует правой ветви кривой Пашена (зависимости напряжения зажигания от pd). После зажигания разряда пространственный заряд ионов вблизи катода изменяет линейное распределение потенциала в межэлектродном промежутке таким образом, что практически все приложенное к электродам напряжение оказывается сосредоточенным на участке dk (рис. 1.3), называемом участком катодного падения потенциала (Uк). В общем случае напряжение горения разряда (падение потенциала на промежутке) состоит из Uк, разности потенциалов на положительном столбе разряда и анодного падения потенциала. Наиболее часто последние составляющие существенно меньше, чем Uк, или просто отсутствуют и напряжение на промежутке можно считать равным величине Uк.

Рис. 1.3. Распределение потенциала в межэлектродном промежутке при нулевом (2) и положительном (1) пространственном заряде. dк - ширина области катодного падения потенциала Uк, d - межэлектродное расстояние

В нормальном тлеющем разряде катодное падение потенциала приблизительно равно минимальному напряжению зажигания разряда (напряжению в минимуме кривой Пашена). Эта величина определяется только родом газа и материалом катода, то есть не зависит от тока, давления газа, межэлектродного расстояния и площади катода. Это очень важно для стабилизаторов, так как позволяет свести к минимуму технологический разброс параметра Uст, обусловленный погрешностью соблюдения размеров и давления газа. Кроме этого, исключается дрейф напряжения в течение срока службы, связанный с постепенным уменьшением давления газа, поглощаемого электродами и оболочкой.

Описанные выше условия не выполняются на левой ветви кривой Пашена, где разряд существует в так называемой затрудненной форме (межэлектродное расстояние меньше ширины области катодного падения потенциала нормального тлеющего разряда). С уменьшением произведения pd напряжение горения затрудненного разряда быстро растет и поэтому удовлетворительная стабилизация напряжения не обеспечивается.

Напряжение зажигания в минимуме кривой Пашена приближенно рассчитывается по следующим формулам:

, (1.1)

где А и В - эмпирические константы, характеризующие процесс объемной ионизации в данном газе; - коэффициент вторичной ионно-электронной эмиссии, зависящий от материала катода и рода газа.

При горении нормального тлеющего разряда площадь катода, покрытая свечением (), линейно возрастает с увеличением тока:

, (1.4)

где - нормальная плотность тока. Когда с ростом тока свечением покрывается весь катод, нормальный тлеющий разряд переходит в аномальный. Точка перехода соответствует параметру стабилитрона Imax и ограничивает область стабилизации со стороны больших токов. Нормальная плотность тока увеличивается с ростом давления газа:

, (1.5)

где - нормальная плотность тока при единичном давлении, определяемая родом газа и материалом катода.

Со стороны малых токов область стабилизации напряжения ограничивается величиной Imin , ниже которой катодное падение потенциала увеличивается в результате влияния диффузии электронов и ионов из узкого разрядного канала в поперечном направлении. Рост напряжения ведет к увеличению коэффициента , что компенсирует уход зарядов. Диффузия проявляется при снижении тока до 0,1 - 1 мА (в зависимости от площади электродов, рода газа и материала катода), когда поперечные размеры катодного пятна уменьшаются до величины, сравнимой с длиной области катодного падения потенциала dk. Разряд в переходной области 2 на рис 1.2 называется поднормальным тлеющим.

3.2 Область зажигания разряда

Для удобства применения стабилитронов желательно, чтобы напряжение зажигания разряда превышало напряжение стабилизации на минимальную величину. Это пожелание выполняется в минимуме кривой Пашена, где величина Uз равна напряжению стабилизации. Однако если произведение pd выбрать равным значению (pd)min, то в процессе работы прибора уменьшение давления за счет поглощения газа электродами приведет к переходу произведения pd на левую ветвь кривой Пашена и к недопустимому росту напряжения стабилизации. Поэтому произведение pd выбирают несколько больше (pd)min, так что напряжение зажигания на 20 - 50 % превышает напряжение стабилизации. Напряжение зажигания рассчитывается по следующей формуле:

. (1.6)

Соотношения (1.4) - (1.6) позволяют при физическом проектировании стабилитрона по заданным параметрам Uз и Imax выбрать давление газа, межэлектродное расстояние и площадь катода. Из соотношений (1.4) и (1.5) следует, что необходимая площадь катода уменьшается с ростом давления газа. Это открывает возможность миниатюризации стабилитронов, предел которой определяется повышением температуры приборов при уменьшении их габаритов и неизменности подводимой мощности. Разогрев ведёт к выделению газов из катода и оболочки, к изменению состава газового наполнения и напряжения стабилизации, к сокращению срока службы. Допустимая удельная (на единицу площади катода) мощность Р1 составляет 0,1 - 1 Вт/см2. Более высокие значения Р1 характерны для металлокерамических приборов, у которых катод является элементом вакуумной оболочки и хорошо охлаждается конвективными потоками воздуха. С учетом величины Р1 максимально допустимое давление газа pmax определяется по следующему соотношению:

. (1.7)

3.3 Работа параметрического стабилизатора

Принцип действия параметрического стабилизатора, схема которого представлена на рис. 1.1, иллюстрируется вольт-амперной характеристикой стабилитрона с нагрузочными прямыми для различных значений напряжения источника питания (рис. 1.4). Уравнение нагрузочной прямой следует из первого закона Кирхгофа:

, (1.8)

где U - напряжение на стабилитроне, U0 - напряжение источника питания, I - ток стабилитрона.

При напряжении источника U01 (рис 1.4) после зажигания разряда устанавливается равновесное состояние, соответствующее точке А. Случайное уменьшение напряжения источника после зажигания разряда до величины U02 перемещает нагрузочную прямую в соответствии с уравнением (1.8) параллельно вниз, и равновесие обеспечивается в точке В. Из рисунка видно, что при переходе в эту точку изменение напряжения на стабилитроне (и соответственно на нагрузочном резисторе) значительно меньше, чем изменение напряжения источника, т. е. обеспечивается стабилизация выходного напряжения.

Рис. 1.4. Вольт-амперная характеристика стабилитрона и нагрузочные прямые балластного резистора при различных напряжениях источника питания: U01, U02 и U03. А, В, С и D - характерные точки

Для того чтобы стабилизатор функционировал как при увеличении, так и при уменьшении входного напряжения, подбором балластного резистора и напряжения источника обеспечивают пересечение нагрузочной прямой с вольт-амперной характеристикой в центре рабочего участка.

Заметим, что при напряжении источника U02 в момент включения стабилизатора зажигается слаботочный разряд (точка С ), который не обеспечивает заданный режим стабилизации. В то же время нормальная работа стабилитрона в точке В, соответствующей той же нагрузочной прямой, что и точка С, и даже в точке D, соответствующей значительно пониженному напряжению источника U03, возможна, если напряжение источника уменьшилось после зажигания тлеющего разряда.

Увеличение балластного сопротивления в соответствии с уравнением (1.8) поворачивает нагрузочную прямую по часовой стрелке. Для входа стабилитрона в рабочий режим в этом случае требуется более высокое напряжение источника. Перемещению рабочей точки на участке вольт-амперной характеристики A - D в этом случае соответствуют более значительные изменения напряжения источника. В результате этого коэффициент стабилизации устройства увеличивается, но коэффициент полезного действия снижается.

Уравнение (1.8) справедливо лишь в случае, когда ток нагрузки значительно меньше тока стабилитрона. Если токи соизмеримы, то нагрузочная прямая описывается следующим уравнением:

. (1.9)

Из уравнения следует, что прямая идет ниже (меньше постоянный член уравнения прямой) и с меньшим наклоном (меньше угловой коэффициент уравнения). Зависимость выходного напряжения стабилизатора от входного определяется в этом случае совместным решением уравнений нагрузочной прямой и вольт-амперной характеристики (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Зависимости напряжения на нагрузке (Rн = 70 кОм) от входного напряжения при двух значениях балластного резистора (1 - 5 кОм; 2 - 7 кОм)

Решение справедливо лишь после зажигания разряда. До зажигания стабилитрон не влияет на работу схемы, которая в этом случае представляет собой простой делитель напряжения. Величина балластного резистора, обеспечивающая исходное положение рабочей точки в центре вольт-амперной характеристики, рассчитывается по формуле:

. (1.10)

Параметрический стабилизатор обычно используется, когда ток нагрузки существенно меньше тока стабилитрона. В противном случае коэффициент стабилизации заметно снижается и становится недостаточно широким рабочий диапазон изменений напряжения источника питания. Поэтому для стабилизации напряжения при большом токе нагрузки выход параметрического стабилизатора подключается к высокоомному входу усилителя тока (мощности) и стабилитрон обеспечивает неизменность так называемого опорного напряжения всего стабилизирующего устройства.

Список литературы

1. Теоретические основы электротехники. / Г.И.Атабеков, С.Д.Купалян, А.В.Тимофеев, С.С.Хухриков.-М.: Энергия, 1979. 424 с.

2. М.Р.Шебес. Теория линейных электрических цепей в упражнениях и задачах. М.: Высшая школа, 1990. 528 с.

3. Первачев С.В. Радиоавтоматика: Учебник для вузов. - М.: Радио и связь, 1982.

4. Радиоавтоматика: Учебное пособие/ Под ред. В.А.Бесекерского. - М.: Высшая школа, 1985

5. Гришаев Ю.Н. Синтез частотных характеристик линейных систем автоматического регулирования: Метод. указания / РГРТА, 2000

6. Гришаев Ю.Н. Системы радиоавтоматики и их модели: учебное пособие.: Рязань,1977.

7. Гришаев Ю.Н. Радиоавтоматика. компьютерный лабораторный практикум/ РГРТА.: Рязань, 2004

Размещено на Allbest.ru