Стабилитроны тлеющего разряда

14.02.2024

Стабилитрон тлеющего разряда сегодня можно встретить очень редко. Они использовались в ламповой аппаратуре до появления полупроводниковых стабилитронов, которыми и были практически полностью вытеснены. Да, в ламповой аппаратуре тоже требовались источники стабильного напряжения. Дольше всего продержались высоковольтные стабилитроны. Тем не менее, рассмотреть газоразрядные стабилитроны стоит. Может быть не столько с практической или теоретической точки зрения, сколько с точки зрения истории электронной техники. Но фанатов ламповой техники, стремящихся к максимальной аутентичности, больше заинтересует практическая сторона.

Газоразрядные стабилитроны выпускались двух типов: стабилитроны тлеющего разряда и стабилитроны коронного разряда. В статье рассматриваются только стабилитроны тлеющего разряда.

Устройство стабилитрона тлеющего разряда

Для стабилизации напряжения используется режим нормального катодного падения (нормального тлеющего разряда). Как вы помните из предыдущей статьи Вольт-амперная характеристика тлеющего разряда, в этом режиме, при изменении тока через разряд, напряжение между анодом и катодом газоразрядной ячейки изменяется мало. В отличии от рассматриваемых нами ранее газоразрядных ячеек, в стабилитроне электроды не вплавлены в торцы стеклянной трубки, а расположены соосно, причем анод находится внутри катода, в отличии от обычных вакуумных электронных ламп. Такое расположение электродов называется концентрическим или коаксиальным

В левой части иллюстрации показан работающий стабилитрон тлеющего разряда, в сверхминиатюрном исполнении. Но чаще можно было встретить стабилитроны тлеющего разряда в пальчиковом, а еще ранее в октальном, исполнении. Справа упрощенно показано устройство такого стабилитрона. Катод выполняется в виде цилиндра из сплава никеля или, реже, из стали. Внутренняя поверхность катода может активироваться напылением тонкой пленки редкоземельных металлов. Это делается для снижения напряжений зажигания и стабилизации. Для снижения напряжения зажигания, которое всегда превышает напряжение стабилизации, на внутренней поверхности катода может размещаться небольшой отросток электрически соединенный с катодом. На иллюстрации он обозначен как вспомогательный электрод, хоть самостоятельным электродом и не является. Анод стержневой, из никелевого сплава, реже стали. Часто изготавливается из проволоки. Жесткость конструкции обеспечивается слюдяными или керамическими опорами. В стабилитроне на иллюстрации выше используется слюда.

Вспомогательный электрод практически не оказывает влияния на работу стабилитрона после возникновения разряда, так как его площадь мала, но снижает напряжение возникновения разряда за счет уменьшения расстояния между электродами. Чтобы понять как, и почему, это работает, вспомним график зависимости напряжения возникновения разряда от произведения давления газа на расстояние между электродами из статьи Тлеющий разряд Уменьшая расстояние мы приближаем pd к pd_опт, которое соответствует минимальному напряжению возникновения разряда в промежутке анод-впомогательный электрод. И разряд возникает именно в промежутке между вспомогательным электродом и анодом, но он вызывает ионизацию газа в прилежащем пространстве, что приводит к распространению разряда во всем пространстве между анодом и катодом. Мы не можем просто уменьшить расстояние между катодом и анодом, так как это приведет и к снижению напряжения стабилизации, а нам нужно лишь приблизить напряжение возникновения разряда к напряжению стабилизации.

Что бы разобраться, почему катод в стабилитроне тлеющего разряда располагается вокруг анода, а не наоборот, как в классических электронных лампах, нужно вспомнить некоторые особенности нормального катодного падения. Об этом рассказывалось в предыдущей статье. В режиме нормального катодного падения разряд занимает не всю поверхность катода, что позволяет плотности тока в разряде оставаться неизменной при изменении тока через разряд. То есть, для увеличения рабочего диапазона токов через стабилитрон, при которых сохраняется стабилизация, нам нужна большая площадь катода. Площадь анода большого значения не имеет.

Колба стабилитрона тлеющего разряда заполнена смесью инертных газов под низким давлением (десятки мм ртутного столба). Типичными смесями являются: гелий-неон, гелий-аргон, неон-аргон, гелий-неон-аргон. Подбирая состав смеси газов, давление в колбе, материал электродов и активации, расстояние между электродами, можно изготавливать стабилитроны на требуемое напряжение стабилизации.

Основные параметры стабилитронов тлеющего разряда

Давайте посмотрим на ВАХ стабилитрона тлеющего разряда, которая очень похожа на ВАХ тлеющего разряда, которую мы рассматривали в предыдущей статье

По большому счету, отличие состоит лишь в отсутствии участка соответствующего темному разряду. Темный разряд в стабилитронах не используется, а протекающий при этом ток настолько мал, что мы можем не принимать его во внимание. Поэтому точка (1), соответствующая моменту возникновения разряда, изображается прямо на вертикальной оси координат. После зажигания разряда возникает скачок тока, который зависит от сопротивления балластного резистора. При этом рабочая точка стабилитрона в режиме стабилизации будет находиться между точками (2) и (3) ВАХ. Точка (2) соответствует минимальному току через стабилитрон. При токе меньшем I_min разряд просто прекратится. Точка (3) соответствует току I_max, при котором нормальный тлеющий разряд переходит в аномальный. При этом стабилитрон выходит из режима стабилизации. В некоторых случаях I_max определяется не переходом нормального разряда в аномальный, а максимальной рассеиваемой мощностью.

Кроме рабочего диапазона токов, от I_min до I_max, к основным параметрам стабилитронов относятся напряжение стабилизации (рабочее напряжение) U_ст и изменение напряжения стабилизации в диапазоне рабочих токов ΔU_ст. В некоторых случаях к основным параметрам относят внутреннее сопротивление переменному току, которое является дифференциальным сопротивлением. Но этот параметр обычно не указывается в справочниках, зато может быть легко рассчитан.

Параметры некоторых стабилитронов тлеющего разряда

Давайте, только для примера, посмотрим на основные параметры некоторых стабилитронов тлеющего разряда. Пожалуй, одними из самых распространенных были стабилитроны СГ1П и СГ2П, предназначенные для непосредственной стабилизации постоянного напряжения

	СГ1П	СГ2П
Напряжение зажигания	175 В	150 В
Напряжение стабилизации	145 - 155 В	108 ± 4 В
Рабочий ток стабилизации	5 - 30 мА	5 - 30 мА
Изменение напряжения стабилизации в рабочем диапазоне токов	≤ 3.5 В	≤ 2.5 В
Предельный ток через стабилитрон	40 мА	40 мА

Как видно, стабилитроны довольно похожи, но у СГ2П ниже напряжение стабилизации. Достаточно распространены были и сверхминиатюрные стабилитроны СГ5Б и СГ202Б, которые тоже предназначались для непосредственной стабилизации постоянного напряжения

	СГ5Б	СГ202Б
Напряжение зажигания	180 В	135 В
Напряжение стабилизации	150 ± 8 В	84 ± 3 В
Рабочий ток стабилизации	5 - 10 мА	1.5 - 5 мА
Изменение напряжения стабилизации в рабочем диапазоне токов	≤ 4 В	≤ 4 В
Предельный ток через стабилитрон	10 мА	5 мА

Были и более экзотические стабилитроны. Например, СГ14П содержал радиоактивные вещества, пусть и с небольшой активностью. Поэтому такие стабилитроны нельзя было просто выбросить. При этом он предназначался не для стабилизации постоянного напряжения, а для стабилизации положительной полуволны переменного напряжения с частотой 150 или 400 Гц. Другими словами, это был стабилитрон специального применения.

Более полные параметры стабилитронов тлеющего разряда можно найти в справочниках. Там же можно найти параметры других типов газоразрядных стабилитронов.

Применение стабилитронов тлеющего разряда и расчет схем на их основе

Газоразрядные стабилитроны, в общем и целом, и стабилитроны тлеющего разряда, в частности, чаще всего использовались в параметрических стабилизаторах постоянного напряжения. Поэтому и начнем с простейшего параметрического стабилизатора

Расчет такого стабилизатора не отличается от расчета гораздо более привычного современному читателю стабилизатора на полупроводниковом стабилитроне

Поскольку и напряжение E, и ток нагрузки, не являются неизменными, будет изменяться и ток через стабилитрон. Поэтому в формуле используются средние значения. Напряжение стабилизации, в первом приближении, мы можем считать постоянным.

Но для выбора стабилитрона и практического расчета использование средних значений не совсем корректно. Поэтому давайте перейдем к определению граничных значений сопротивления R_б. Через R_б протекает ток, равный сумме тока нагрузки и тока через стабилитрон. Давайте определим диапазон значений этого тока. Чем выше ток нагрузки, тем меньший ток протекает через стабилитрон, а чем меньше ток нагрузки, тем больший ток будет протекать через стабилитрон. Ток через стабилитрон должен находится в допустимых для стабилитрона пределах, а колебания тока нагрузки задаются как входной параметр расчета. И мы получаем граничные, максимально допустимые, значения

Максимальный ток через R_б будет протекать при максимальном напряжении источника питания E, а минимальный при минимальном. И мы получаем такие соотношения для граничных значений сопротивления.

Давайте, для примера, выберем стабилитрон и рассчитаем параметрический стабилизатор для условий:

Напряжение источника питания E равно 230±10 В
Напряжение стабилизации равно 150 В
Ток нагрузки изменяется от 15 до 17 мА

Напряжение стабилизации 150 В могут обеспечить стабилитроны СГ1П и СГ5Б. Давайте начнем с СГ5Б, который гораздо меньше по размерам. Если мы подставим условия задачи и параметры стабилитрона в формулы для граничных значений R_б, то получим R_б min= 3.6 кОм, R_б max= 3.2 кОм. Минимальное сопротивление R_б не может быть больше максимального, как получилось у нас. Значит, мы не можем использовать СГ5Б, он слишком маломощный для нашей задачи, а диапазон его допустимых токов стабилизации слишком узок.

Попробуем рассчитать стабилизатор с СГ1П. Снова подставляем условия задачи и параметры стабилитрона в формулы. У нас получается R_б min= 2.0 кОм, R_б max= 3.2 кОм. Это допустимые границы для сопротивления R_б. Значит использовать СГ1П можно. Остается выбрать сопротивление резистора из полученного диапазона. Лучше ближе к верхней границе, так как это позволит снизить рассеиваемую на стабилитроне мощность.

Давайте проверим наш расчет для всех колебаний питающего напряжения и тока нагрузки. Выберем R_б= 3.0 кОм. При этом ток через стабилитрон, при максимальном напряжении источника E и минимальном токе нагрузки, будет равен 15 мА. При минимальном напряжении источника E и максимальном токе нагрузки ток через стабилитрон будет равен 6.3 мА. Мы не выходим за границы допустимого диапазона токов стабилизации.

При необходимости можно учесть и разброс напряжений стабилизации, и изменение напряжения стабилизации при изменении тока через стабилитрон. Сам принцип расчета при этом не изменяется.

Что делать, если нужно обеспечить стабилизацию напряжения при больших колебаниях тока нагрузки? Если нужен более мощный стабилизатор? В ламповую эру для этого использовали, например, катодный повторитель. Точно так же, как сегодня можно использовать эмиттерный повторитель. При этом можно построить и регулируемый стабилизатор напряжения

Для повышения коэффициента стабилизации можно включить два параметрических стабилизатора последовательно, точно так же, как в случае полупроводниковых стабилитронов

Для повышения напряжения стабилизации можно использовать последовательное включение стабилитронов, как и в случае полупроводниковых стабилитронов. Но здесь нам потребуется дополнительное пусковое сопротивление, что бы обеспечить необходимое напряжение зажигания

Расчеты этих схем не представляют сложностей, поэтому не будем их рассматривать подробнее.

Заключение

Повторю, что сегодня, в подавляющем большинстве случаев, нет практического смысла в использовании стабилитронов тлеющего разряда. Даже высоковольтные источники питания сейчас строятся на базе полупроводниковых приборов. Но в качестве эксперимента или при построении аутентичных ламповых устройств... Почему бы и нет...

Вы можете обсудить данную статью или задать вопросы автору на форуме