Газонаповнені стабілітрони

Газонаповненим стабілітроном називається прилад, який використовує самостійний тліючий розрад в газі. Він виготовляється коаксіальної форми, при якій анод має вигляд стержня, а катод розташований навколо анода, має циліндричну форму. Тиск газу в стабілітроні лежить в межах 20-80 мм рт. ст. Використовується для стабілізації високої напруги 70-200 В. В електричне коло стабілітрон вмикається послідовно з балансним опором, а опір навантаження паралельно стабілітрону.

При подачі напруги на анод в стабілітроні відбуваються процеси, аналогічні розряду в газах. При підвищенні напруги, якщо відстань між анодом і катодом набагато більша довжини вільного пробігу, відбувається ступінчата іонізація газу, яка переростає при напрузі запалення в лавинну іонізацію газу, за рахунок збільшення збуджених атомів і вільних електронів.

При цьому для підтримання розряду достатньо меншої напруги, тому ВАХ має ділянку з від’ємним опором. При переході в самостійний тліючий розряд в області катода відбувається свічення газу і при збільшенні стуму катодна пляма збільшується, а падіння напруги практично залишається постійним, збільшується тільки за рахунок опору плазми, тому основним параметром стабілітрона являється – динамічний опір :

Крім того, до параметрів стабілітрона відносять напругу запалювання, яка на 20-30В більша напруги стабілізації, мінімальні і максимальні напруги та струми:

U_{min ст} I_{min ст}

U_{max ст} I_{max ст}

Якщо не обмежити стум в зовнішньому колі, то розряд в стабілітроні перейде в аномальний, що приведе до скорочення часу роботи стабілітрона за рахунок випарювання катода. При вмиканні в електричне коло схему рис.32 можна описати рівнянням

де r –баластний опір.

При зміні напруги на вході за рахунок того, що напруга на стабілітроні практично залишається постійною, збільшення струму стабілітрона приведе до перерозподілу його між паралельно ввімкненими стабілітроном і навантаженням. Виходячи з цього, можемо знайти приріст напруги на стабілітроні, використовуючи динамічний опір.

Рисунок 32.Вольт-амперна характеристика та схема ввімкнення стабілітрона

Тоді для нескінченно малих значень напруги можемо записати :

Параметричні стабілітрони характеризуються відносним і абсолютним коефіцієнтом стабілізації, ці коефіцієнти характеризують якість стабілізованого джерела живлення.

Для стабілізації високої напруги до 30кВ застосовуються стабілітрони коронного розряду. Вони характеризуються аналогічними параметрами, але працюють при високому тиску і різко неоднорідним електричним полем. Наповнюється такий стабілітрон сумішшю газів, або воднем (Н₂). При подачі достатньо високої напруги сильне електричне поле анода викликає іонізацію і збудження атомів газу, які створюють навколо анода корону. Струм стабілізації у стабілітронів коронного розряду набагато менше ніж у стабілітронів нормального тліючого розряду.

Тиратрони тліючого розряду

Тиратрон тліючого розряду – газонаповнений прилад, який має крім анода і катода декілька сіток. Найпростіші тиратрони типу МТХ-90 мають одну керуючу сітку, яка виконує завдання визначати напругу запалення тиратрона.

Сітка такого тиратрона представляє собою пластинку з отворами. Наповнюється тиратрон інертним газом при тискові 20-40 мм рт. ст. Анод виготовляється у вигляді стержня, а катод – у вигляді стакана або циліндра.

При нормальних умовах напруга між анодом і катодом створюється нижчою, ніж напруга виникнення самостійного тліючого розряду. В цьому випадку тиратрон буде закритий, тому що провідність газу дуже мала і струм практично відсутній.

Рисунок 33. Схема ввімкнення тиратрона

На управляючу сітку подається напруга декілька вольт. Між сіткою і катодом створюється підготовчий розряд, і за рахунок іонізації газу деякі електрони через отвір в сітці попадають в область проміжку анод-катод. При збільшенні напруги на аноді відбувається ступінчата іонізація і в тиратроні створюється самостійний тліючий розряд. Чим більше електронів попадає в проміжок сітка-анод, тим менша напруга запалення тиратрона. Інтенсивність розряду в колі сітки визначається величиною струму, тому для характеристики тиратрона тліючого розряду використовують залежність наруги запалювання U_з від струму сітки І_с, а не від напруги. Ця характеристика називається характеристикою керування.

Рисунок 34. Вольт-амперна характеристика управління тиратроном

В зв’язку з тим, що на іонізацію газу впливають різні зовнішні фактори, тому запалювання газу в проміжку між сіткою і катодом буде відбуватися не при постійнім струмі, а буде змінюватися в залежності від умов експлуатації, тому характеристика буде не однозначною, а відповідно при одному і тому ж струмі основний розряд буде створюватися при різній напрузі на аноді. Область характеристик, що знаходяться після характеристики управління, називаються областю горіння, а нижче підготовчою областю. Для створення стабільної роботи тиратрона вводять другу сітку.

Рисунок 35. Схема включення тиратрона ТХЗБ.

У тиратрона, який має дві сітки, перша сітка служить тільки для створення підготовчого розряду, на неї подається позитивний потенціал, щоб струм в проміжку катод-сітка 1 був декілька мкА. На другу сітку подається напруга, нижча ніж на першу, тому в проміжку першої С1-С2 створюється гальмуюче поле для електронів, які попадають в цей простір.

Рисунок 36. Характеристика управління тиратроном

При подачі на другу сітку напруги U, таку щоб поле, між С1 і С2 було прискорювальним для електронів, електрони під дією цього поля попадають в простір сітка С2 – анод А. Відбувається поступова іонізація і виникає основний тліючий розряд тиратрона. Напруга запалювання тиратрона залежить від типу газу і типу катода. Тому, для різних видів тиратронів напруга може змінюватися і буде нестабільною. Якщо катод активований цезієм (Cs), то напруга горіння лежить в межах 50-60 В, а допустима напруга між анодом і катодом, при якій створюється самостійний розряд, лежить в межах 100-110 В, і перепад напруг досягає декілька десятків вольт, що дає можливість використовувати тиратрон для підсилення малопотужних сигналів. Коефіцієнт підсилення по потужності тиратронів досягає 10⁴-10⁵. В залежності від типу газу, яким наповнений стабілітрон, перепади напруги можуть бути порядку 100В, але трьохелектродні тиратрони мають нестабільні характеристики.

Чотирьохелектродний тиратрон має велику стабільність за рахунок наявності підготовчого розряду. Потрібний перепад напруг для включення 10-15В, а перепад струму приблизно 4-5мкА, тому ці тиратрони мають більший коефіцієнт підсилення. Після включення тиратрона управляюча сітка втрачає свої властивості за рахунок того, що її потенціал нейтралізується іонами газу, і погасити тиратрон можна тільки зменшенням напруги. Вона повинна бути нижче напруги горіння.