Jarzeniówka stabilizacyjna

Stabilitrony SG2S, SG3S i SG4S polskiej produkcji (Lamina)

Jarzeniówka stabilizacyjna (także: jarzeniowy stabilizator napięcia, stabiliwolt, stabilitron) to lampa gazowana z zimną katodą służąca do stabilizacji napięcia. Spełniała podobną rolę w układach lampowych jak dioda Zenera w półprzewodnikowych.

W sprzęcie powszechnego użytku stosowane były rzadko, tylko w najbardziej wyrafinowanych konstrukcjach. Często natomiast spotyka się je w urządzeniach profesjonalnych i pomiarowych. Były wytwarzne na napięcia pracy od około 70V do kilkudziesięciu kV.

Budowa i zasada działania

Przykład charakterystyki napięciowo-prądowej jarzeniowego stabilizatora napięcia

Jarzeniówka stabilizacyjna wykorzystuje fakt małej zależności napięcia wyładowania jarzeniowego od płynącego prądu (na rysunku odcinek BC na charakterystyce). Zbudowana jest z pręta anody otoczonego możliwie dużym cylindrem katody. Katoda wykonana jest z molibdenu, niklu albo glinu i pokryta warstewką metali silnie alkalicznych jak sód, potas czy cez. Całość otoczona jest bańką szklaną wypełnioną mieszanką gazów szlachetnych pod odpowiednim ciśnieniem (kilkunastu do kilkudziesięciu torów). Od jej składu i ciśnienia zależy robocze napięcie pracy. Zwykle stabilitrony zaopatrzone są w typowe cokoły, rzadziej zdarzają się niestandardowe wyprowadzenia elektrod.

W zakresie praktycznie stałego spadku napięcia na stabilitronie przyrost prądu odbywa się dzięki zwiększaniu powierzchni katody objętej wyładowaniem jarzeniowym. Występująca przy tym zmiana napięcia wynosi kilka procent dla całego zakresu pracy lampy.

Podstawowe parametry i właściwości

Najważniejsze parametry stabilitronów to:

• Znamionowe napięcie pracy. Stabilitrony były budowane na zakres napięć od 70 V do paru kV.
• Napięcie zapłonu. Zawsze jest większe od napięcia stabilizacji, zwykle o kilkadziesiąt V.
• Minimalny prąd roboczy. Przy zbyt małym prądzie wyładowanie jarzeniowe staje się niestabilne i napięcie stabilitronu wzrasta. Dla typowych lamp wynosił on od kilkudziesięciu μA do kilku mA.
• Maksymalny prąd roboczy - typowo wynosi on 0,1 - 80 mA, wyjątkowo jest większy. Przy zbyt dużym prądzie dochodzi do przekroczenia dopuszczalnej mocy strat i wydajności katody, ale stabilitrony bez szkody znoszą chwilowe przeciążenia często występujące przy włączeniu urządzenia.

Cechy charakterystyczne:

• Niektóre stabilitrony posiadają nieużywane styki na cokole połączone zworą. Można je wykorzystać do zabezpieczenia układu przed awarią w razie wyciągnięcia lampy z podstawki.
• Produkowane były także stabilizatory wieloelektrodowe dostarczające kilku napięć. Posiadały one kilka cylindrycznych katod umieszczonych jedna w drugiej.
• Stabilitrony charakteryzują się stosunkowo dużymi szumami własnymi.
• Przy konstrukcji zasilaczy ze stabilitronami włączenie równolegle do lampy kondensatora o zbyt dużej pojemności może spowodować oscylacje relaksacyjne, a nawet jej zniszczenie.

Zastosowania

Układ podstawowy

Parametryczny stabilizator napięcia na stabilitronie

Równoległe parametryczne stabilizatory napięcia można stosować w układach stosunkowo niewielkiej mocy. Zasilanie stabilitronu odbywa się przez szeregowy rezystor ograniczający, a obciążenie jest do niego przyłączone równolegle. Rezystor ograniczający (R_W) dobieramy tak, by spełnione były warunki

$R_{W}<{\frac {U_{Smin}-U_{Zmax}}{I_{Bmin}+I_{Omax}}}$

gdzie U_Smin - minimalne napięcie zasilające, U_Zmax - maksymalne napięcie zapłonu, I_Bmin - minimalny prąd jarzenia, I_Omax - maksymalny prąd obciążenia, oraz

$R_{W}>{\frac {U_{Smax}-U_{Bmin}}{I_{Bmax}+I_{Omin}}}$

gdzie U_Smax - maksymalne napięcie zasilające, U_Bmin - minimalne napięcie jarzenia, I_Bmax - maksymalny prąd jarzenia, I_Omin - minimalny prąd obciążenia.

Warto przy tym pamiętać, że:

• Napięcie zapłonu stabilitronów jest większe od napięcia stabilizowanego. Napięcie wejściowe stabilizatora U musi mieć odpowiedni zapas. Odbiornik musi wytrzymywać zwiększone napięcie w momencie włączenia, zanim jeszcze dojdzie do zapłonu stabilitronu.
• Należy bardzo uważać przy łączeniu kondensatorów równolegle ze stabilitronem. Może to spowodować powstanie oscylacji (co zresztą można wykorzystać do budowy generatora), a duży kondensator potrafi nawet zniszczyć lampę. Maksymalna wartość równoległej pojemności przyłączonej do jarzeniówki zwykle jest rzędu 25 nF (niekiedy bywa podawana w kartach katalogowych).
• Stabilizator jest "z definicji" zabezpieczony przed zwarciem, o ile rezystor R ma odpowiednią moc.
• Stabilistorów nie należy łączyć równolegle.
• W ciemności stabilitrony "zapalają" się dosyć długo - nawet kilkanaście sekund.

Szeregowe łączenie stabilitronów

Szeregowe połączenie stabilitronów.

W celu uzyskania większego napięcia można łączyć szeregowo dwie (lub więcej) jarzeniówki. Równolegle do jednej z nich należy przyłączyć opornik o wielkości paru setek kΩ. W chwili włączenia napięcia na niezbocznikowanej jarzeniówce występuje wtedy pełne napięcie wydzielone na R_O, które powoduje jej zapłon i spadek napięcia na lampie do napięcia jarzenia, po czym następuje zapłon drugiego stabilitronu. Całkowite napięcie umożliwiające zapłon takiego połączenia jest więc równe sumie napięcia zapłonu i jarzenia pojedynczej lampy. Napięcie stabilizowane można pobierać nie tylko z całego układu połączonych jarzeniówek, ale są do dyspozycji także mniejsze napięcia z poszczególnych lamp.

Użycie stabilitronów wielosekcyjnych.

Stabilistory wielosekcyjne posiadają zespół koncentrycznych elektrod, a przestrzeń pomiędzy ich parami pełni rolę zespołu stabilitronów (najczęściej od dwóch do czterech). Lampa taka zachowuje się jak zespół szeregowo połączonych pojedynczych jarzeniówek.  

Stabilitrony z dodatkową elektrodą zapłonową

Układ pracy stabilitronu z anodą pomocniczą.

Stabilitrony takie posiadają dodatkową elektrodę (zwaną też anodą pomocniczą), połączoną z dodatnim biegunem napięcia zasilającego poprzez rezystor szeregowy (R_Z, zwykle o wartości setek kiloomów). W ten sposób ułatwiony jest zapłon lampy, gdyż na dodatkowej elektrodzie występuje pełne napięcie zasilania, niezależnie od spadku napięcia na głównym rezystorze regulacyjnym wywołanym przez przepływ prądu przez obciążenie.

Napięcie w funkcji prądu anodowego stabilitronu z dodatkową elektrodą zapłonową.

Inną bardzo korzystną cechą takich jarzeniówek jest możliwość stabilnej pracy przy małych prądach płynących przez lampę. Charakterystyka stabilizatora nie zawiera już podbicia przy małych prądach anodowych, ani odcinka o dynamicznej rezystancji ujemnej. Możliwa jest praca przy dużych pojemnościach równoległych do lampy bez niebezpieczeństwa wystąpienia szkodliwych drgań relaksacyjnych.  

Kaskadowe łączenie stabilizatorów

Kaskadowe połączenie dwóch stabilizatorów.

Wahania napięcia stabilizowanego na skutek zmian napięcia wejściowego można znacznie zmniejszyć stosując kaskadowe połączenie dwóch stabilizatorów. Oczywiście pierwszy z nich musi zapewniać na tyle wysokie napięcie, by umożliwić zapłon jarzeniówki w drugim.

Stabilizator kaskadowy na jarzeniówce wielosekcyjnej.

Do budowy wielostopniowego stabilizatora kaskadowego można też wykorzystać stabilitron wielosekcyjny.  

Punkt maksymalnej stabilności

Pośrodku charakterystyki opór wewnętrzny jarzeniówki jest zwykle minimalny.

Przy budowie stabilizatorów o dużej dokładności stosuje się specjalne jarzeniówki referencyjne, pracujące przy praktycznie stałym prądzie, w punkcie charakterystyki zapewniającym najlepszą stabilność. Przy zastosowaniu do takich celów zwykłej lampy warto wybrać punkt, w którym jej oporność wewnętrzna jest najmniejsza, zwykle wypada on w połowie pomiędzy minimalnym a maksymalnym prądem pracy..  

Oznaczenia typów

Oznaczenia stabilitronów nie były jednorodne, wiele firm produkowało je pod unikalnymi nazwami.

• W USA symbole typów często rozpoczynały się od cyfry "0", na przykład "0B3", "0A2".
• W ZSRR symbole typów rozpoczynały się od liter SG (СГ) i kończyły literą oznaczającą rodzaj cokołu.
• W Europie często stosowano oznaczenie rozpoczynające się od liter StR lub STV, po których następowały dwie liczby: napięcie(V)/prąd(mA), na przykład STV108/30.
• W Polsce stabilitrony typów SG2S (75V, 5-40mA), SG3S (105V, 5-40mA) i SG4S (150V, 5-30mA) produkowały zakłady Lamina w Piasecznie. Ich parametry odpowiadały lampom produkcji ZSRR o tych samych oznaczeniach, były one również identyczne konstrukcyjnie. Stosowano je jedynie w sprzęcie profesjonalnym.

Bibliografia

• Telefunken: Informator radiowo-warsztatowy, Tom I, WKŁ, Warszawa 1961, str. 403-411.
• Telefunken: Informator radiowo-warsztatowy, Tom IV, WKŁ, Warszawa 1969, str. 174-177.

Zobacz też

• Kolekcja stabilitronów.
• Zasilacze laboratoryjne.