Лекция 2-9. Дискретные газоразрядные приборы

1. Газоразрядный стабилитрон.

Стабилитрон газоразрядный прибор, предназначенный для поддержания на неизменном уровне (стабилизации) напряжения источников питания или узлов радиоэлектронной аппаратуры. С. представляют собой двухэлектродные устройства, к-рые В зависимости от вида электрического разряда, используемого в них, стабилитроны подразделяются на приборы тлеющего разряда и и приборы коронного разряда.

Стабилитрон тлеющего разряда – 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 падение напряжения между электродами почти не меняется. 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 почти неизменным и падение напряжения на разрядном промежутке. В некоторых случаях для снижения напряжения зажигания внутрь прибора вводится небольшое количество радиоактивного вещества.

Таким образом, в стабилитронах используется режим нормального катодного падения. Особенности этого режима следующие. Пусть площадь поверхности катода значительно больше площади поверхности анода и в цепь включен соответствующий ограничительный резистор (рис. 1). В этом случае после возникновения разряда устанавливается сравнительно небольшой ток. Тлеющий разряд может быть при условии, что плотность тока на катоде не слишком мала. Только тогда из катода выбивается достаточное число электронов. Разряд сразу не распространяется на всю поверхность катода. Ток проходит только через часть поверхности (заштрихована). При этом плотность тока достаточна и тлеющий разряд существует.

Падение напряжения на приборе U_a = i_aR₀. Здесь R₀ — сопротивление ионизированного газа между анодом и рабочей частью поверхности катода. В данном случае этот своеобразный «проводник» имеет форму конуса. Если увеличить подводимое напряжение, ток возрастет и пропорционально увеличится рабочая площадь катода. Площадь поперечного сечения газового «проводника» станет больше, и сопротивление R₀ соответственно уменьшится. Таким образом, сопротивление R₀ уменьшается во столько раз, во сколько увеличивается ток i_a, а произведение i_aR₀ остается постоянным (в действительности оно все же немного увеличивается).

Рис. 1. Изменение рабочей площади катода в режиме нормального катодного падения

 

Рис. 2. Вольтамперная характеристика стабилитрона

 

Этот режим возможен до тех пор, пока рабочая площадь катода меньше площади его полной поверхности. Когда разряд распространится на всю поверхность катода, то при дальнейшем увеличении напряжения E_а ток начнет возрастать, но при этом, конечно же, площадь катода остается неизменной. В этом режиме увеличение числа электронов, выбиваемых из катода, возможно только за счет увеличения энергии ионов, бомбардирующих катод. А для этого необходимо повышение напряжения. Плотность тока катода растет. Сопротивление R_огр уже не уменьшается пропорционально току, и произведение i_aR_огр, т. е. падение напряжения на приборе, увеличивается. Наступает режим аномального катодного падения напряжения.

Все же сопротивление R₀ несколько уменьшается при возрастании тока, так как растет число ионов и электронов в единице объема газа. Но это уменьшение не такое сильное, как в режиме нормального катодного падения, поэтому напряжение U_а увеличивается. Усиливается также яркость свечения газа, и оно распространяется все больше на обларть плазмы. В режиме аномального катодного падения работают газосветные лампы и различные ионные индикаторные приборы.

Если продолжать увеличивать подводимое напряжение, ток и напряжение будут расти и в конце концов скачком возникнет дуговой разряд, который недопустим для приборов тлеющего разряда.