Stabilizátory napětí

Stabilizátory jsou speciální doutnavky, které dávají prakticky konstantní napětí  i při kolísání napájecího napětí a při různém odběru proudu. Přitom se využívá toho, že jejich charakteristika (viz Obr. 1) vykazuje při relativně velkých změnách proudu jen malou změnu napětí. 

Obr. 1: Voltampérová charakteristika stabilizátoru

Stabilizátor zapálí tehdy, když napětí na jeho elektrodách dosáhne velikosti zápalného napětí  U_záp. Dovolený proud stabilizátorem je omezen proudy I_max (při překročení může dojít k přetížení a poškození stabilizátoru nebo ke změně jeho vlastností) a  I_min (výboj je nestabilní). Z charakteristiky lze odvodit vnitřní odpor R_i=ΔU/ΔI (poměr změny napětí na výbojce ke změně proudu). Pokud se napětí na jejích elektrodách zmenší pod velikost zhášecího napětí U_zh, doutnavka zhasne. 

Základní vlastnosti stabilizátoru jsou určeny druhem plynové náplně, jejím tlakem a dále tvarem, geometrickým uspořádáním a poměrem ploch elektrod. Hodnoty se pohybují v širokém rozsahu:

U=50÷860V

U_záp=(1,15÷1,5).U

R_i= desítky až stovky ohmů 

I_min= desetiny až jednotky mA

I_max= jednotky až desítky mA

Pro dobrý zápal stabilizátoru je důležité jeho osvětlení alespoň slabým světlem. Pokud stabilizátor zapaluje v úplné tmě, je zápalné napětí podstatně vyšší, než je uvedeno v katalogovém listu. Na druhou stranu si výrobci dávají značnou rezervu v proudu I_min , který ve skutečnosti může být až řádově menší, než je katalogová hodnota.  

Plynem plněný stabilizátor napětí je také zdrojem šumu, což lze využít při konstrukci jednoduchého šumového generátoru pro nízké kmitočty, ale jinak je to nevítaná vlastnost. U referenčních stabilizátorů se proto doporučuje vyhladit napětí stabilizátoru RC členem s časovou konstantou 0,5÷1s. Příklad takového zapojení je na Obr. 2.

Obr. 2: Vyhlazení referenčního napětí v elektronkovém stabilizátoru

K výkonovým stabilizátorům je možné připojit paralelní kondenzátor, který ale většinou nesmí mít vyšší kapacitu než 100nF, jinak hrozí rozkmitání stabilizátoru (relaxační kmity). Napětí stabilizátoru je závislé na teplotě okolí, s rostoucí teplotou klesá o několik mV/°C. Stabilizované napětí se  mění i v důsledku stárnutí elektronky, u referenčních stabilizátorů činí změna několik desetin procenta během tisíce provozních hodin. Dosažitelný činitel stabilizace (poměr změny vstupního napětí ke změně výstupního napětí) je cca 100.     

Dosavadní úvahy se týkaly nezatíženého stabilizačního obvodu. Schema zatíženého obvodu je na Obr. 3 (R_z  je odpor spotřebiče).

Obr. 3: Stabilizátor s připojenou zátěží

Při návrhu odporu R je třeba mít na paměti, že doutnavkou teče největší proud při odpojeném  R_z  a že napětí na děliči R-R_z musí dosáhnout aspoň hodnoty U_záp, protože jinak nemůže doutnavka zapálit a stabilizovat. V případě zatíženého obvodu je také činitel stabilizace menší, než je výše uvedeno.

Odvození výrazů a výpočet pro zátěž s konstantním odběrem je uveden na konci článku.

Někdy se stane, že rozdíl mezi napětími U₀ a U je poměrně malý a existuje nebezpečí, že při připojené záteži  R_z  stabilizátor nezapálí. Pak je vhodné použít zapojení podle následujícího obrázku. Při nezapálené doutnavce zaručí odpor  R′, že se na ni dostane plné napětí zdroje U₀ , protože dioda D je uzavřena (napětí v bodě B je vyšší než napětí v bodě A). Při zapálené doutnavce je dioda otevřena a zapojení funguje standardním způsobem. Vhodná velikost odporu R′ je 100÷470kΩ. 

Obr. 4: Zapojení stabilizátoru s pomocnou diodou

Doutnavky (i stejného typu) nelze řadit paralelně, lze je ale zapojit sériově. Tak je možné získat několik stabilizovaných napětí. Aby se usnadnilo jejich zapálení, připojují se všechny přes zapalovací odpory R′, R″ na plné napětí. Tyto odpory se používají i u stabilizátorů, které mají více výbojových drah v jedné baňce. 

 

Obr. 5: Sériové zapojení stabilizátorů

Zapojení na Obr. 4 lze modifikovat i pro stabilizátory zapojené v serii. Oba zapalují z plného napětí, tedy spolehlivě.  Vhodná velikost odporů  R′ a R″  je kolem 1MΩ.   

Obr. 6: Sériové zapojení stabilizátorů s pomocnou diodou

---

Výpočet předřadného odporu (schema viz Obr.3)

Aby se docílilo dobrého stabilizačního účinku, měl by mít předřadný odpor co nejvyšší hodnotu. V tom případě jsme omezeni proudem  I_min , který musí stabilizátorem protékat i při poklesu napájecího napětí na U₀-ΔU₀:

U₀-ΔU₀-U≥R.(I_min+ I_z)

R≤(U₀-ΔU₀-U)/(I_min+ I_z)  ............. (1)

Hodnota odporu R je omezena i tím, že stabilizátor musí zapálit i při poklesu napájecího napětí na hodnotu U₀-ΔU₀:

(U₀-ΔU₀). R_z/(R+ R_z)>U_záp

Po dosazení za R_z=U/I_z  dostaneme podmínku: 

R<(U₀-ΔU₀-U_záp).U/(U_záp.I_z) .................. (2)

V praxi zpravidla vzorec (2) dává nižší hodnotu než vzorec (1).

Pokud se napájecí napětí zvýší až na U₀+ΔU₀, nesmí být proud tekoucí stabilizátorem vyšší než I_max . Protože napětí na R_z a tedy i proud I_z jsou prakticky konstantní, můžeme vztah vyjádřit rovnicí:

R≥(U₀+ΔU₀-U)/(I_max+I_z) ............... (3)

Rovnicí (3) je určena nejmenší hodnota předřadného odporu. 

Při změně vstupního napětí o ΔU₀ se napětí na zátěži téměř nezmění, ale změní se proud, protékající stabilizátorem:

ΔI= ΔU₀/R 

napětí na stabilizátoru se změní o

ΔU= R_i .  ΔI =  ΔU₀ . R_i /R ............................ (4)

Na závěr článku provedeme praktický výpočet stabilizátoru s doutnavkou. Chceme stabilizovat napětí U=150V při stálém odběru  I_z=10mA. Zdroj dává napětí U₀=300V, které může kolísat o ±15% (ΔU₀ =45V). 

Pro stabilizaci zvolíme typ StR 150/30, který má tyto parametry: U_záp=180V; U=150V; I_min=5mA; I_max=30mA; R_i=100Ω. Dosadíme do vzorce  (1):

R≤(U₀-ΔU₀-U)/(I_min+ I_z)=(300-45-150)/(5+10)=7kΩ

Ze vzorce (2) dostaneme:  R<(U₀-ΔU₀-U_záp).U/(U_záp.I_z)=(300-45-180).150/(180.10)=6,25kΩ

Odpor R tedy nesmí být vyšší než 6,25kΩ, jinak by stabilizátor při poklesu napětí U₀ nezapálil. Dosazením do vzorce (3) určíme nejnižší přípustnou velikost R:

R≥(U₀+ΔU₀-U)/(I_max+I_z)=(300+45-150)/(30+10)=4,875kΩ

Hodnota odporu R tedy musí ležet mezi hodnotami 4,875÷6,25kΩ. Zvolíme odpor 5,6kΩ s tolerancí 10%. Největší ztráta na něm bude, pokud je napětí zdroje na horní hranici (345V) a odpor má minimální hodnotu (5,04kΩ). Potom je P=(345-150)²/5040=7,5W. Předřadný odpor tedy musí mít dovolené zatížení 9÷10W. Kolísání napětí na zátěži je (viz vzorec 4) 45.100/5600=0,8V. Při změně vstupního napětí o ±15% se tedy výstupní napětí změní o cca ±0,55%.

Nakonec vypočteme účinnost stabilizátoru. Zátěž má příkon 150.0,01=1,5W. Při napětí zdroje 300V je napětí na zátěži i na odporu shodné, odporem prochází proud 150/5600=26,8mA a zdroj musí dodat výkon 300.0,0268=8W. Účinnost je 1,5/8=0,19 (19%). Poslední číslo tedy potvrzuje, že tento typ stabilizátoru má obecně malou účinnost.