.

 

 

Hledání Google

 

Právě teď stránky prohlíží

Jste  návštěvník

Teorie: Elektronka   Dioda   Variátor   Značky výrobního data 

Doutnavkové stabilizátory napětí

Kamil Donát

 

Použití doutnavkových stabilizátorů je dnes v radiotechnické praxi dosti značně rozšířeno, což nás vede k tomu, abychom si o nich řekli něco blíže.

obr.2

Doutnavkové stabilizátory mají baňku po vyčerpání vzduchu naplněnou malým množstvím nějakého vzácného plynu, obvykle neonu nebo argonu. Je známo, že všechny plyny se za normálních okolností chovají jako dokonalé nevodiče. Mohou se však vlivem různých činitelů stát vodivými, kdy se molekuly plynu štěpí na tzv. ionty, mající jak kladné, tak záporné částice. Tento pochod se, podle toho, že při něm vznikají ionty, nazývá ionizace. Současně s ionizací probíhá v doutnavce výboj, mající vznik v urychlených pohybem iontů, které v silně zředěném prostředí štěpí neutrální molekuly na další ionty, čímž se ionizace dále zvětšuje, zvětšuje se tak i vodivost plynové náplně a vzniká výboj. Uvedené pochody vznikají tehdy, jestliže je na elektrody doutnavky přivedeno dostatečně velké napětí, při kterém může výboj nastat. Tomuto napětí říkáme zápalné napětí, protože při něm začne v doutnavce probíhat popsaný výboj. Doutnavky samy bývají plněny neonem nebo argonem. V tomto zředěném prostředí má výboj tu vlastnost, že napětí doutnavkového výboje do jisté míry nezávisí na proudu, který jím prochází. Čím méně proudu, tím lépe se doutnavka hodí ke stabilizování napětí.

obr.1
Hodnoty, určující vlastnosti a použití stabilizátoru, jsou obsaženy v jeho charakteristice. Na obr. 1 je charakteristika stabilizátoru 4687. Z té vidíme, že po zapálení napětí asi 85-100 V při odběru proudu asi 10-40 mA se pohybuje výstupní napětí v rozmezí 88-94 V.
Praktické zapojení doutnavkového stabilizátoru je na obr. 3.
obr.3
Doutnavka je připojena přes ochranný odpor Rs na zdroj stejnosměrného napětí Uss. Obvodem protéká proud I, který se v bodě A rozděluje na proud tekoucí doutnavkou Id a proud, tekoucí spotřebičem Rz, který je připojen paralelně na doutnavku.
Platí tedy: I = Id + Iz
Hodnota proudu I závisí na velikosti odporu Rs, na velikosti odporu spotřebiče Rz a velikostí napětí Uss. Z charakteristiky doutnavky nebo z dat, které dává výrobce, známe hodnotu proudu Id, se kterou musí doutnavka při dobré funkci pracovat a velikost napětí Ustab, které doutnavka při tomto proudu udržuje. Proud Id není konstantní, ale má jisté meze, dané konstrukcí, které vyplývají z charakteristiky. Aby stabilizátor správně pracoval, je třeba, aby v něm správně probíhal doutnavý výboj. To je splněno tehdy, když proud protékající stabilizátorem neklesne pod jistou hranici, označovanou jako minimální příčný proud doutnavky, ani naopak nepřestoupí horní mez dovoleného protékajícího proudu, tzv. maximální příčný proud doutnavky.
Jak stabilizátor pracuje? Bylo již uvedeno, že ze zdroje o velikosti napětí Uss, přitéká proud I přes odpor Rs do uzlu A, kde se dělí na proud tekoucí doutnavkou Id a na proud, tekoucí spotřebičem Iz. Jestliže stoupne napětí zdroje Uss, stoupne také celkový proud I, proudový přírůstek se však přenese na proud doutnavky, který vzroste na hodnotu Id + ΔId, zatím co proud spotřebiče a tedy také napětí Ustab se nezmění. Podobně, jestliže naopak napětí zdroje poklesne, klesne také proud I. Sníží se proud, tekoucí doutnavkou Id, ale napětí na doutnavce zůstane stejné, pokud ovšem napětí zdroje nepoklesne tolik, že stabilizační doutnavka zhasne.
Vlastnosti stabilizátoru spočívají tedy v tom, že jeho výboj udržuje stálé napětí Ustab, pokud nejsou překročeny mezní pracovní hodnoty stabilizátoru. Při návrhu vycházíme od známé velikosti stabilizovaného napětí Ustab a potřebného proudu Iz, který bude téci spotřebičem Rz. Aby stabilizátor správně pracoval, je nutné, aby napětí zdroje Uss bylo asi o 40-100 % vyšší, než je potřebné stabilizované napětí. Podle žádaného napětí Ustab a proudu Iz volíme také vlastní typ doutnavky. Stabilizátory se vyráběly pro napětí 75, 85, 100, 150 V. Vzhledem k tomu, že se dají doutnavky zapojovat do série, je tedy možné udržovat stabilizované napětí podle tohoto spojení.
Již jsme řekli, že pro správnou funkci doutnavky je nutno, aby napětí zdroje bylo podstatně vyšší než je hodnota stabilizovaného napětí. Obvykle se volí hodnota zdroje asi 1,3-2 krát vyšší než je velikost stabilizovaného napětí a tento poměr označujeme písmenem k. Platí tedy vztah:
k = -   Uss - = 1,3 ÷ 2
Ustab     1

Čím větší je hodnota Uss oproti Ustab, tím účinnější je stabilizace. Proto také čím větší hodnotu má předřadný odpor Rs, tím lepší bude stabilizační účinek. Tím vyšší napětí ovšem musí dodávat zdroj, který musí být dimenzovaný na součet odebíraného proudu a proudu stabilizátoru.
Při stanovení hodnoty odporu Rs vycházíme ze známých velikostí Ustab a Istab. Zvolíme hodnotu zdroje Uss a typ stabilizátoru. Pro tento typ najdeme z katalogu nejmenší příčný proud, který činí obvykle kolem 2-3 mA u stabilizátorů malých a 10-20 mA u větších stabilizátorů.
Hodnotu odporu Rs pak spočteme ze vzorce:
Rs = Uss - Ustab
Iz + Idmin

Kde Idmin - minimální příčný proud doutnavky.
Zatížení tohoto odporu spočteme podle Ohmova zákona: WRs = (Uss-Ustab)·(Iz+Idmin) Můžeme také spočítat, kolikrát se zmenší procentní změna výstupního napětí oproti procentní změně napětí zdroje. To je tzv. stabilizační účinek a spočteme jej ze vzorce:
Bstab =  Ustab · (k - 1)
k · Ri · (Id + Iz)

Kde Ri - tzv. střídavý odpor stabilizároru.
Střídavý odpor Ri bývá malý a pohybuje se řádově mezi 20-1000 ohmy, podle typu stabilizátoru. Čím nižší hodnota Ri stabilizátor má, tím má lepší stabilizační vlastnosti, tedy tím větší je Bstab. Hodnota Ri bývá v katalozích stabilizátorů uváděna a pokud není, lze ji přibližně spočítat ve vztahu:
Ri = ΔUstab
  ΔI

Nyní si ukážeme výpočet na příkladě:
Pro napájení oscilátoru přijímače potřebujeme stabilizované napětí o hodnotě 150 V a 8 mA. Použijeme jako vhodný stabilizátor typ STV 150/15, který má povolený příčný proud max. 15 mA a min. 1 mA.
Známe tedy:
Ustab.......150 V
Iz..............8 mA
Idmin........1 mA
Ri...............1000 ohmů
Hledáme: Uss, Rs a Bstab.
Za hodnotu Idmin nedosazujeme obvykle minimální příčný proud doutnavky, ale vždy raději o něco větší, aby byla zajištěna dokonalá činnost stabilizátoru.
Napětí zdroje Uss zvolíme 250 V, tj. 1,67·Ustab. Pak bude hodnota Rs :
Rs = 250 - 150 = 100 = 10KΩ
  8 + 2 10

(Dosazujeme-li za proudy hodnoty v mA, vyjde hodnota odporu Rs v kiloohmech). Zatížení odporu Rs bude: WRs = (250 - 150) · (0,008 + 0,002) = 100 · 0,01 = 1 W.
Stabilizační účinek Bstab :
Bstab =       150 · 0,67 =       100 =  100 = 6
1,67 · 1000 · 0,01 1670 · 0,01 17,7

Jak bylo již uvedeno, lze stabilizátory zapojovat do série. Toto spojeni lze provádět buď samostatnými stabilizátory, nebo jsou stabilizátory provedeny dělené v jedné baňce, jak ukazuje obr. 2, představuje známý STV 280/40. Takový stabilizátor má několik obvykle válcovitých elektrod, mezi kterými nastává výboj. Sestavení stabilizátoru je takové, že vnitřní elektroda je anodou a vnitřní plášť nejblíže většího válečku je jeho katodou, při čemž vnější strana pláště je součastně anodou pro následující stupeň a tak pod., až zase poslední největší váleček je katodou poslední elektrody. Napěťový spád mezi jednotlivými elektrodami je 70 V, takže ze čtyřnásobného stabilizátoru STV 280/40 lze odebírat stabilizované napětí 70, 140, 210, 280 V. Zapojení stabilizátoru je na obr. 4.
obr.4
Výpočet děleného stabilizátoru je zcela stejný jako u stabilizátoru jednoduchého. Pro jednotlivé elektrody jsou předepsány maximální proudy, které z nich lze odebírat a pohybují se po stupních tak, jak se zvětšuje plocha elektrod. Mimoto je předepsán celkový příčný proud stabilizátoru, ze kterého spočteme hodnotu Rs.
Uvedený stabilizátor STV 280/40 bývá někdy zapojován také tak, že se usměrňuje elektroda předposlední a ze stabilizátoru je pak možno odebírat také záporné předpětí pro elektronky. Zapojení je na obr. 5. Z jednotlivých elektrod můžeme odebírat stabilizované napětí 70, 140 a 210 V a z potenciometru řiditelné záporné napětí pro předpětí. U obou uvedených zapojení vidíme, že všechny elektrody jsou uzemněny přes odpory asi 100-300 KΩ, aby měly napětí. Je jisté, že tyto odpory mohou odpadnout v případě, že jsou elektrody trvale připojeny na nějaký spotřebič-zátěž. Jinak u těchto vícenásobných stabilizátorů může dojít k přeskokům mezi vzdálenějšími elektrodami a stabilizátor jako celek obtížněji zapaluje. Tomu se někdy odpomáhá tím, že v baňce je pomocná elektroda Ez, která se připojuje přes odpor 1 MΩ přímo na kladný pól zdroje. Na této elektrodě se vytvoří po připojení na napětí pomocný výboj, který ionizuje vnitřní prostor stabilizátoru, takže hlavní výboj snadněji zapálí a též se lépe udrží při velkých změnách napájecího napětí Uss nebo odebíraného prouduIz. Zapojení je uvedeno v obr. 5.
obr.5
Podobně při sériovém zapojení stabilizátorů samostatných je zcela stejný výpočet. Zapojení dvou stabilizátorů spojených v sérii je na obr. 6.
Příkladem si celý postup výpočtu zopakujeme:
Potřebujeme stabilizované napětí 300 V a 40 mA pro napájení stínících mřížek vysílače. Známe tedy:
Ustab.......300 V
Iz..............40 mA
Hledáme: Uss, Rs a Bstab
Použijeme dva stabilizátory LK 199, které mají hodnoty:
obr.6
Ustab.......140-150 V,
Imax.........60 mA,
Imin..........10 mA,
Ri...............200 ohmů.
Napětí zdroje zvolíme 1,5krát větší než Ustab.
Uss = 1,5·300 = 450 V.
Za Imin dosadíme hodnotu 15 mA.
Pak odpor Rs bude:
Rs = 450 - 300 = 150 = 2,72KΩ
  40 + 15 55

Zatížení WRs = 150·0,055 = 8.25 W.
Při výpočtu stabilizačního účinku je nutno střídavé odpory stabilizátorů sečíst, neboť jsou zapojeny v sérii a do vzorce dosazovat součet.
Proto
Bstab =         300 · (1,5 - 1) =       300 · 0,5 =          1.5· 10 2 =   1.5· 10 2 = 4,6
1,5 · 400 · (0,04 + 0,015) 1,5 · 400 · 0,055 6 · 10 2 · 5,5 · 10 -2 3,3 · 10

Pokud chceme užít stabilizátor, od něhož data neznáme, můžeme je zjistit. Zapojení pro měření charakteristiky je na obr. 7.
obr.7
Ze zdroje je odebíráno napětí přes řiditelný odpor R a toto napětí je měřeno a přiváděno na stabilizátor přes ochranný odpor Rs, aby se při přílišném napětí stabilizátor nezničil. Stabilizované napětí a proud doutnavky měříme přístroji s malou vlastní spotřebou, aby nebyla měření ovlivňována. Z naměřených hodnot vyneseme charakteristiku podle obr. 1, ze kterého odečteme všechna data stabilizátoru, potřebná pro výpočet.
Nakonec uvádím data a zapojení nejznámějších a nejužívanějších stabilizátorů.

TypUzápUstabIminImaxRiZapojení
STV 75/5R10074-82 3,5610001
STV 75/1510074-823201501
STV 100/25Z115100-1105251502, 3
STV 100/40Z22098-1081040 2
STV 100/60Z115100-11010601204
STV 150/15200140-16011510005
STV 150/202002 x 755205006, 7
STV 150/40Z180133-1551060 8
STV 280/403354 x 7010403409
STV 280/803354 x 7010802409
STV 280/1503354 x 704015015010
MSTV 140/60Z220127-1535651508
LK121220127-1535651508
LK13115098-1081060 11
LK1992202 x 7510602012
85A112083-871843013
85A2125851629018
90C112586-9414035018
100E114090-1051843016
108C1115106-11153010018
150A1205150-1701875014
150B2180146-15451525017
150C1205146-16554025014
150C2180144-16453010018
435711580-1005407515
437611595540 Edison
468711585-100104025014
747514090-110183016
obr.8

Literatura:
K. B. Mazel: Usměrňovače a stabilizátory napětí.
Ing. Dr. J. Strnad: Doutnavky v technické praxi.

separátor

Poznámka:
Článek byl převzat z Amatérského radia č. 3/1955 str. 76.


webdesing: Auja