Газовые стабилизаторы напряжения
Стабилитрон — ионный прибор тлеющего разряда, в стеклянном баллоне которого, наполненном инертным газом (аргоном или неоном), помещены два электрода: холодный катод, выполненный в виде цилиндра, и анод, представляющий собой тонкий стержень, расположенный вдоль оси цилиндрического катода.
На рис. 125 приведены схемы включения газовых стабилизаторов напряжения и на рис. 125, а — вольт-амперная характеристика стабилитрона (Оабвг). Участок Оа соответствует несамостоятельному разряду, точка а — моменту зажигания стабилитрона, участок бв — тлеющему разряду. Это рабочий участок характеристики. Участок вг определяет аварийный режим работы стабилитрона, так как в этом режиме происходит распыление активного слоя электродов, тлеющий разряд переходит в дуговой н прибор выходит из строя.
Рис.125. Схема включения газовых стабилизаторов напряжения: а — схема с балластным сопротивлением и график, поясняющий его работу; б — схема с барретером; в — мостовая схема.
В режиме тлеющего разряда имеет место постоянство напряжения между электродами при изменении тока через прибор. Для расширения рабочего участка характеристики стабилитрона поверхность катода стремятся делать как можно большей.
Некоторое непостоянство напряжения на стабилитроне в пределах рабочего участка объясняется как недостаточной химической чистотой газа внутри баллона, так и поверхностей электродов и баллона. Величина напряжения, соответствующего рабочему участку характеристики, зависит от того, из какого металла выполнены электроды, от расстояния между ними и инертного газа, заполняющего баллон.
Стабилитроны характеризуются величиной напряжения горения и пределами изменения тока через прибор, в которых напряжение горения остается почти постоянным.
Отечественная промышленность выпускает также стабилитроны, имеющие не два, а несколько электродов. У этих стабилитронов газовые промежутки включены последовательно. Электроды их выполняются в виде цилиндров различных диаметров (постепенно увеличивающихся по мере удаления от анода) и устанавливаются коаксиально. Каждый промежуточный электрод является катодом по отношению к внутреннему газовому промежутку и анодом для наружного. Падение напряжения между соседними электродами составляет обычно несколько десятков вольт. Такие стабилитроны одновременно со стабилизацией выполняют функции делителя выходного напряжения.
Стабилитроны считаются безынерционными приборами для токов промышленной частоты. Они применяются для стабилизации и деления напряжения потребителей постоянного тока при мощности потребителя, не превышающей несколько десятков ватт.
Схема включения газового стабилизатора напряжения (см. рис. 125, а) представляет собой последовательное соединение балластного сопротивления Rб и стабилитрона, к которому параллельно подсоединена нагрузка Rн.
Определение исходного режима и анализ работы стабилизатора можно провести графическим методом. На графике, приведенном на рис. 125, а, кроме вольт-амперной характеристики стабилитрона нанесена также вольт-амперная характеристика нагрузки (прямая OA). Угол наклона этой прямой к оси абсцисс определяется величиной сопротивления Rн: α = arctg Rн. Суммируя абсциссы обеих вольт-амперных характеристик при одинаковых напряжениях на стабилитроне и на нагрузке, получим характеристику суммарного тока I Оа'б'в'г', представляющую зависимость I = Iст + Iн = φ (Uст) = φ (Uвых).
Как видно, рабочий участок характеристики стабилитрона переместился в сторону возрастания тока на величину Iн.
Абсциссу исходной рабочей точки С легко определить из равенства
(215)
где I0 — суммарный ток в исходном режиме.
Если известны Uвх, Iн и напряжение на стабилитроне в исходном режиме U0, то, используя очевидное равенство Uвх = U0 + I0Rб, можно определить величину балластного сопротивления Rб, которое обеспечит выбранный режим работы стабилитрона.
Далее через точку В, соответствующую ординате Uвх, и точку С проводим прямую ВС, которая представляет собой вольт-амперную характеристику сопротивления Rб. Угол наклона этой характеристики к оси ординат β = arctg R'б.
Если входное напряжение будет меняться в пределах от Uвх.макс= U0 + IмаксR'б до Uвх.мин = U0 +IминR'б, то напряжение на стабилитроне (на выходе) будет практически неизменным, так как точка С перемещается при этом в пределах рабочего участка характеристики суммарного тока. Величина балластного сопротивления, включаемого в схему, отличается от расчетного: Rб = R'б — Ri, где Ri — внутреннее сопротивление источника тока.
Практически, в пределах рабочего (прямолинейного) участка характеристики все же имеет место некоторое непостоянство напряжения на стабилитроне. Поэтому напряжение на стабилитроне Uст в пределах рабочего участка характеристики можно выразить уравнением
где Rдин — динамическое сопротивление стабилитрона.
Величина этого сопротивления не превышает нескольких сот ом, в то время как статическое сопротивление Rстат = Uст/Iст составляет несколько килоом.
Точность действия стабилизатора оценивают статическим и динамическим коэффициентами передачи стабилизатора.
Статическим коэффициентом передачи стабилизатора Кстат называется отношение выходного напряжения стабилизатора ΔUвых ко входному напряжению Uвх:
Динамическим коэффициентом передачи стабилизатора Кдин называется отношение приращения выходного напряжения ΔUвых к вызвавшему его приращению входного напряжения ΔUвх:
В ряде случаев качество стабилизатора оценивают также коэффициентом стабилизации по входному напряжению SUвх, который равен отношению статического коэффициента передачи Kстат к динамическому коэффициенту передачи Кдин:
(216)
Отношение Rстат/Rдин ≈ 50÷80, а второй сомножитель имеет величину порядка 0,2—0,5, поэтому коэффициент стабилизации газовых стабилизаторов напряжения SUвх обычно находится в пределах от 10 до 40.
Если во время работы меняется также и сопротивление нагрузки, а значит и ток нагрузки, то характеристика суммарного тока U = φ (I) принимает два предельных положения, одно из которых соответствует Iмин, а другое Iмакс. Для того чтобы при любых заданных пределах изменения Uвх и Iн режим стабилитрона не выходил за границы рабочего участка характеристики, необходимо, чтобы входное напряжение менялось от
Uвх.мин≥Uс.мин + IминRб = Uст.мин + (Iн.мин + Iст.мин) Rб
до Uвх.макс≤Uст.мин+ IмаксRб = Uст.мин + (Iн.макс + Iс.макс) Rб
Если известен диапазон изменения тока, нагрузки Дi =Iн.макс / Iн.мин то диапазон изменения входного напряжения
С возрастанием величины Дi величина ДUвх становится уже. Для расширения диапазона стабилизации как по напряжению, так и по току нагрузки вместо балластного сопротивления Rб в схему включают бареттер (рис. 125, б). При этом диапазон изменения входного напряжения становится независимым от диапазона изменения тока в нагрузке. Однако при внезапном повышении входного напряжения или при резком уменьшении тока нагрузки стабилитрон в течение некоторого времени оказывается перегруженным, а при обратных изменениях Uвх и Iн, наоборот, может погаснуть. Поэтому такая схема включения находит практическое применение лишь в установках с медленно меняющимися напряжениями и токами.
Более совершенной, обеспечивающей высокую точность стабилизации, является мостовая схема (рис. 125, в). Здесь повышение напряжения на стабилитроне сопровождается таким же по величине увеличением напряжения на R2, благодаря чему напряжение в диагонали моста (на нагрузке) остается неизменным. При монтаже этой схемы надо обязательно предусмотреть разрыв цепи нагрузки в случае замены стабилитрона, иначе в момент отсутствия его весь ток пойдет через нагрузку и напряжение на ней резко возрастет.
Наиболее распространенными являются стабилитроны типа ОГ1П; СГ13П; СГ15П с диапазонами рабочих токов от 5 до 30 ма и напряжениями стабилизации около 100—150 в. Напряжение зажигания стабилитронов на 30—40% выше, чем напряжение стабилизации.
