ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2-10

6

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2-10

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ СТАБИЛИТРОНА С ТЛЕЮЩИМ РАЗРЯДОМ.

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение тлеющего разряда и его применение в стабилитронах с газом наполнителем.

2. МЕТОД ИЗМЕРЕНИЙ: изменяя входное напряжение при равных значениях ограничивающего сопротивления, строят зависимость U_ст = f(I) и определяют коэффициент стабилизации.

3. ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: стенд для снятия характеристик стабилитрона, выпрямитель ВУП – 2, проводники.

4. ВВЕДЕНИЕ.

Тлеющий разряд представляет собой один из видов самостоятельного разряда в газах. Его можно получить в разрядной трубке (рис. 1, а) при давлении газа 10-10^-1 мм рт. ст. и напряжении между анодом А и катодом К порядка 100 и более вольт.

Основными частями тлеющего разряда являются: 1 – катодное темное пространство, 2 – тлеющее свечение, 3 – фарадеево темное пространство, 4 – протяженная светящаяся часть, называемая положительным столбом. На рис. 1, б показано распределение потенциалов вдоль оси трубки.

Рис. 1

Отличительной особенностью тлеющего разряда является резкое падение потенциала  у катода (рис. 1, б). Это падение потенциала U_к практически равно напряжению U, подаваемому на электроды. При разряде газ в трубке ионизируется. Положительные ионы, движущиеся к катоду из области тлеющего свечения 2, в область катодного падения потенциала 1 ускоряются электрическим полем и приобретает здесь кинетическую энергию W  A_вых, где A_вых – работа выхода электрона из катода. Обладая такой энергией, они в области тлеющего свечения 2 ионизируют молекулы газа при соударении с ними (явление ударной ионизации). При этом в области 2 образуются положительно заряженные ионы, необходимые для поддержания тлеющего разряда.

Одновременно с процессом ионизации в области 2 идет процесс рекомбинации (воссоединения) ионов с электронами. Образующиеся при этом нейтральные молекулы находятся в возбужденном состоянии. Они обладают избыточной энергией по сравнению с энергией в основном состоянии. При переходе энергии из возбужденного состояния в основное излучаются фотоны, при этом газ светится.

Опыт показывает, что при приближении анода к катоду длина положительного столба 4 уменьшается, величина катодного падения потенциала не меняется. При сближении электродов положительный столб может совсем исчезнуть, а тлеющий разряд будет продолжаться. Такое положение имеет место, например, в стабилитронах тлеющего разряда, изучению работы которых посвящена эта работа.

Тлеющий разряд широко используется в газосветных трубках, лампах дневного света, индикаторных лампах, гелий-неоновых лазерах и стабилизаторах.

Устройство стабилитрона показано на рис. 2, где 1 – стеклянный баллон, заполненный смесью газов (неона, аргона, криптона) при давлении порядка 10 мм рт. ст., 2-катод в форме полного цилиндра из никелевой лески диаметром d = 20 мм, 3-анод, металлический стержень диаметром d  1 мм, расположенный вдоль оси катода. На рис.2, б показано условное изображение стабилитрона с газовым наполнителем.

Сравнивая диаметры анода и катода, видим, что площадь поверхности катода приблизительно в 400 раз больше площади поверхности анода. Такое соотношение площадей необходимо для нормальной работы стабилитрона.

Для получения стабилизирующего напряжения U_ст последовательно со стабилитроном включают резистор с сопротивлением R_огр, которое ограничивает ток, протекающий через стабилитрон (рис. 3).

Рис. 2 Рис. 3

На рис. 4 приведен график зависимости напряжения на зажимах стабилитрона U_ст от тока, протекающего через стабилитрон. При входном напряжении U_вх меньшим напряжения зажигания разряда U_з ток через стабилитрон практически равен нулю. При U_вх = U_в в стабилитроне вспыхивает разряд, напряжение на стабилитроне U_ст скачком уменьшается до значения U_А, через стабилитрон течет ток I_min, величина которого зависит от ограничивающего сопротивления R_огр.

При дальнейшем увеличении входного напряжения ток в цепи растет, а напряжение на стабилитроне остается практически неизменным. Точнее говоря, оно изменяется на очень малую величину U_стU_ст, где U_ст – среднее значение стабилизирующего напряжения (рис. 4).

Рис. 4

Объясняется это явление следующим образом. Сразу после возникновения тлеющего разряда (при токе I_min) ток течет лишь через малую часть поверхности катода. По мере увеличения входного напряжения пропорционально току увеличивается и площадь катода, через которую протекает ток. При этом площадь поперечного сечения S газового «проводника» увеличивается, а его сопротивление R уменьшается во столько же раз, во сколько увеличивается ток. Отсюда следует, что напряжение на стабилитроне U_ст  RI остается постоянным. Такой режим работы наблюдается до тех пор, пока площадь, через которую протекает ток, остается меньше всей площади катода. Пир некотором токе I_max разряд распространяется на всю поверхность катода. При дальнейшем увеличении входного напряжения U_вх напряжение на стабилитроне начинает резко расти (участок ВС на рис. 4). Начиная с этого момента ток растет за счет увеличения катодного падения потенциала, а следовательно и увеличения напряжения на стабилитроне. С увеличением катодного падения потенциала увеличивается кинетическая энергия ионов, бомбардирующих катод, вследствие чего увеличивается число электронов, выбитых из катода, а следовательно увеличивается и ток через стабилитрон.

Газоразрядные стабилитроны применяют для получения стабилизированного (постоянного) напряжения для питания некоторых радиоэлектронных устройств в случае, когда они включают в сеть, в которой наблюдаются колебания напряжения.

Эффективность стабилизации напряжения стабилитрона, включенного по схеме, изображенной на рисунке 3, оценивают коэффициентом стабилизации К, который подсчитывают по формуле:

(2.10.1)

где U_вх – среднее значение входного напряжения;

U_вх – значение изменения входного напряжения;

U_ст – среднее значение напряжения на стабилитроне;

U_ст – среднее значение изменения напряжения на стабилитроне при изменении входного напряжения на величину U_вх.

Коэффициент стабилизации показывает во сколько раз относительное изменение стабилизированного напряжения меньше относительного изменения входного напряжения .

5. УСТАНОВКА И ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ.

Схема установки приведена на рис. 5. На панели укреплены: 1 – стабилитрон СГ2С; 2 – тумблер для изменения полярности включения стабилитрона; 3- миллиамперметр для измерения тока, текущего через стабилитрон; 4 – вольтметр V₁ – для измерения напряжения на стабилитроне; 5 – резистор, ограничивающий ток через стабилитрон, сопротивление которого R_орг можно изменять поворотом рукоятки 6; 7 – вольтметр V₂, измеряющий входное напряжение U_вх; 8 – выпрямитель, входное напряжение которого можно изменять поворотом рукоятки 9.

Рис.5

6. ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ.

6.1. Тумблер 2 (рис. 5) установите в положение «прямое включение», при котором катод стабилитрона подключается к полюсу «минус». Подключите, соблюдая полярность, установку к выпрямителю (рис. 5) и включите его в сеть.

6.2. Поворотом рукоятки 6 (рис. 5) установите минимальное значение ограничивающего сопротивления R_огр2 Ом.

6.3. Вращая рукоятку 9 выпрямителя, доведите входное напряжение до 110 – 120 В. При этом напряжении пронаблюдайте тлеющее свечение у стенок цилиндрического катода стабилитрона. Плавно уменьшая величину входного напряжения вплоть до гашения разряда, пронаблюдайте уменьшение площади свечения катода при уменьшении тока, текущего через стабилитрон. Поставьте тумблер 2 в положение «обратное включение» и пронаблюдайте свечение у поверхности центрального электрода, который при этом включении является катодом.

6.4. Тумблер 2 поставьте в положение «прямое включение» и при минимальном ограничивающем сопротивлении R_огр = 2 кОм плавно увеличивайте входное напряжение от 0. По вольтметру V₁ измерьте напряжение U₃ зажигания разряда в стабилитроне. Сейчас же после зажигания разряда измерьте входное напряжение U_вх (вольтметр V₂), напряжение на стабилитроне U_ст (вольтметр V₁) и минимальный ток I_min, текущий через стабилитрон. Плавно увеличивая входное напряжение, измерьте U_вх, U_ст при токах 10, 20, 30 и 40 мА.

6.5. Такие же измерения проведите при R_огр = 6, 7, 9 кОм.

При ограничивающих сопротивлениях 7 и 9 кОм измерения можно провести только при токах 10 и 20 мА.

6.6. Полученные данные занести в таблицу 1.

Таблица 1

Rогр, Uз	I, мА	Imin	10	20	30	40
(Rогр)1=(Uз)1	Uвх
	Uст
(Rогр)2=(Uз)2	Uвх
	Uст
(Rогр)3=(Uз)3	Uвх
	Uст

6.7. Для крайних значений сопротивления R_огр постройте график зависимости U_ст = f(I).

6.8. По данным таблицы 1 для всех, применявшихся в работе сопротивлений R_огр, подсчитайте коэффициент стабилизации по формуле:

где

U_вх = (U_вх)_max – (U_вх)_min; U_ст = (U_ст)_max – (U_ст)_min

6.9. По полученным значениям коэффициента К постройте график зависимости от величины ограничивающего сопротивления R_огр и сделайте вывод о зависимости К = f(R_огр).

6.10. Тумблер 2 поставьте в положение «обратное включение», при котором осевой электрод (бывший анод) становится катодом, а бывший катод – анодом. При этом площадь катода уменьшается в сотни раз по сравнению с «прямым включением». Изменяя U_вх от 0 до 170 В, при R_огр = 2 кОм измеряют U_в, U_вх и U_ст при токах 2, 4, 8 и 12 мА и токе I_min. Эти измерения надо проводить как можно быстрее, чтобы не перегревался осевой электрод.

6.11. Полученные данные занести в таблицу 2.

Таблица 2

	I, мА	Imin	2	4	8	12
Rогр = Uз

6.12. По данным таблицы 2 строят кривую зависимости U_ст = f(I) на том же графике, что и для «прямого включения» (пункт 6.7.). Сравнивая графики U_ст = f(I) для прямого и обратного включения стабилитрона, делают вывод о роли площади поверхностного катода для стабилизации напряжения.

7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

7.1. Поясните сущность процессов ударной ионизации, рекомбинации и вторичной электронной эмиссии.

7.2. Как можно получить тлеющий разряд? Каковы его особенности и механизм?

7.3. От чего зависит величина напряжения зажигания тлеющего разряда?

7.4. Какова схема включения стабилитрона для стабилизации напряжения и каков механизм стабилизации напряжения?

7.5. Почему после зажигания разряда напряжение на стабилитроне уменьшается скачком?

7.6. Почему при обратном включении стабилитрона не происходит стабилизация напряжения?

8. ЛИТЕРАТУРА.

8.1. Т.И. Трофимов, Курс физики, М., 1990, §§ 106, 107.

8.2. А.А. Детлаф, В.М. Яворский, Курс физики, 1990, §§ 205.