Делитель напряжения фотоэлектронного умножителя выглядит просто: цепочка резисторов от анода высоковольтного источника до катода лампы, с отводами на каждый динод. Но за этой простотой скрывается жёсткое требование - весь ток через цепочку должен оставаться крошечным, особенно в переносных сцинтилляционных приборах и дозиметрах, где источник питания сам по себе маломощный. Обычный стабилитрон, будь то полупроводниковый или газоразрядный тлеющего типа, для устойчивой работы требует тока в единицы-десятки миллиампер, и такая нагрузка на цепочку способна полностью перекроить режим самого делителя. Здесь и выходит на сцену стабилитрон коронного разряда - газоразрядный прибор, который держит опорное напряжение при токах в тысячу раз меньших, чем у родственных ему стабилитронов тлеющего разряда. Ниже разобрано, как устроен коронный разряд в приборе СГ302С, почему его рабочий диапазон токов совпадает с тем, что нужен делителю фотоумножителя, и как рассчитать балластный резистор и оценить дифференциальное сопротивление такого источника опорного напряжения.
Чем стабилитрон коронного разряда отличается от привычных стабилитронов тлеющего разряда
Внутри стабилитрона тлеющего разряда, вроде хорошо знакомого СГ201С или его родственников СГ4С и СГ15П, разряд заполняет почти весь объём между электродами, а рабочее напряжение держится в диапазоне от восьмидесяти вольт до примерно полутора киловольт при токах от единиц до нескольких десятков миллиампер. Коронный разряд устроен иначе с точки зрения геометрии электродов: анод сделан в виде тонкой никелевой нити или трубочки, натянутой строго по оси цилиндрического катода, и напряжённость поля у этой нити настолько высока, что разряд возникает лишь в тонком слое газа вокруг неё, оставляя основной объём баллона невозмущённым. Именно эта локализация разряда у самого анода и позволяет ему гореть устойчиво при токах на два-три порядка меньших, чем нужны тлеющему разряду.
Баллон стабилитрона коронного разряда СГ302С-1 заполнен водородом, а не привычной для тлеющих стабилитронов смесью неона, гелия или аргона, потому что именно на водороде корона зажигается и держится стабильно при напряжениях порядка киловольта и токах в микроамперы. Прибор паспортно держит напряжение стабилизации 900 плюс-минус 20 вольт, напряжение возникновения разряда не превышает 970 вольт, а источник питания для надёжного зажигания должен выдавать не меньше 1300 вольт. Рабочий ток лежит в диапазоне от 3 до 100 микроампер, то есть весь рабочий диапазон прибора укладывается там, где обычный стабилитрон тлеющего разряда ещё даже не начал устойчиво гореть.
Почему делителю фотоэлектронного умножителя нужен именно микроамперный стабилитрон, а не миллиамперный
Ток через резистивную цепочку делителя фотоумножителя выбирают исходя из компромисса между стабильностью коэффициента усиления и допустимым энергопотреблением всего прибора. В переносной аппаратуре, работающей от батарей, этот ток нередко ограничивают величиной порядка ста микроампер на всю цепочку из десятка с лишним динодов, чтобы источник высокого напряжения оставался компактным и экономичным. Если в такую цепочку поставить стабилитрон тлеющего разряда, которому паспортно нужно хотя бы 4 миллиампера для устойчивого горения, - а именно столько требуется, к примеру, стабилитрону СГ201С, - этот один прибор потребует в сорок раз больше тока, чем вся остальная цепочка делителя вместе взятая. Источник питания придётся рассчитывать заново под этот единственный элемент, а не под фотоумножитель, ради которого всё затевалось.
Стабилитрон коронного разряда СГ302С-1 в этом отношении устроен ровно под задачу: его рабочие 3-100 микроампер сопоставимы по порядку величины с током самого делителя, поэтому он способен стоять прямо в цепочке или сбоку от неё, отбирая от источника питания сравнимое, а не многократно большее количество энергии. Разница между минимальным током горения тлеющего стабилитрона и максимальным рабочим током коронного составляет здесь около сорока раз, а если сравнивать с нижней границей рабочего диапазона коронного прибора в три микроампера, разрыв достигает больше тысячи трёхсот раз. Это не просто количественная разница, а причина, по которой корональный разряд вообще стал отдельным классом приборов для высоковольтной техники, а не остался лабораторной диковинкой.
Возьмём для наглядности типичный делитель фотоумножителя с двенадцатью динодными промежутками и общим напряжением между катодом и анодом около 1200 вольт, что даёт в среднем по 100 вольт на промежуток. При токе цепочки 100 микроампер сопротивление каждого резистора делителя находится простым делением напряжения промежутка на ток: 100 вольт делить на 100 микроампер даёт 1 мегаом на резистор, а вся цепочка из двенадцати таких резисторов складывается примерно в 12 мегаом общего сопротивления. Эта величина по порядку совпадает с сопротивлением балластного резистора самого стабилитрона СГ302С-1, рассчитанным ниже, и именно такое совпадение порядков и позволяет включить коронный стабилитрон в схему, не перестраивая всю остальную цепочку делителя под новый элемент.
Расчёт балластного резистора для стабилитрона СГ302С-1 при напряжении питания 1300 вольт
Стабилитрон коронного разряда, как и любой газоразрядный прибор, обязательно включается через ограничивающий резистор, иначе после зажигания разряда ток через него неограниченно вырастет и прибор выйдет из строя. Возьмём для расчёта минимально допустимое по паспорту напряжение источника питания в 1300 вольт и зададимся рабочим током стабилизации 50 микроампер, то есть примерно серединой паспортного диапазона от 3 до 100 микроампер. Падение напряжения на балластном резисторе должно составить разницу между напряжением питания и напряжением стабилизации: 1300 минус 900 вольт, то есть 400 вольт. Отсюда сопротивление резистора равно 400 вольт, поделённым на 50 микроампер, что даёт 8 миллионов Ом, или 8 мегаом.
Мощность, рассеиваемая на этом резисторе, находится как произведение напряжения на нём и протекающего тока: 400 вольт умножить на 50 микроампер даёт 0,02 ватта, то есть 20 милливатт. Для сравнения, если бы вместо коронного стабилитрона в ту же схему пришлось поставить прибор тлеющего разряда с током хотя бы 5 миллиампер при том же падении напряжения 400 вольт на балласте, номинал самого резистора пришлось бы снизить со значения, найденного выше, до 400 вольт делить на 5 миллиампер, то есть до 80 килоом, а мощность на нём выросла бы прямо пропорционально току и составила бы уже 400 вольт умножить на 5 миллиампер, или 2 ватта. Разница между 20 милливаттами и 2 ваттами - это сто раз, то есть два порядка, и рассеивать лишние два ватта тепла в компактном высоковольтном узле батарейного прибора попросту негде, тогда как двадцать милливатт от коронного стабилитрона делитель фотоумножителя даже не заметит.
Полезно посмотреть и на крайние точки паспортного диапазона тока, чтобы понять, насколько широко можно варьировать балластный резистор без выхода за границы устойчивого горения разряда. При минимальном рабочем токе 3 микроампера тот же перепад напряжения 400 вольт требует резистора 400 вольт делить на 3 микроампера, то есть около 133 мегаом. При максимальном токе 100 микроампер резистор, наоборот, снижается до 400 вольт делить на 100 микроампер, то есть 4 мегаома. Получается более чем тридцатикратный разброс допустимого номинала балласта, и выбор середины диапазона в виде 8 мегаом при 50 микроамперах оставляет конструктору запас в обе стороны на случай просадки напряжения питания или разброса параметров конкретного экземпляра лампы.
Дифференциальное сопротивление коронного стабилитрона и что оно означает для стабильности опорного напряжения
Ключевая паспортная величина, которая объясняет, зачем вообще нужен газоразрядный стабилитрон, а не просто резистивный делитель, - это изменение напряжения стабилизации в рабочем диапазоне токов. У СГ302С-1 оно не превышает 30 вольт при изменении тока от 3 до 100 микроампер, то есть почти в тридцать три раза. Отсюда можно посчитать дифференциальное, или динамическое, сопротивление прибора: это изменение напряжения, поделённое на изменение тока, 30 вольт делить на разницу между 100 и 3 микроампер, что даёт примерно 309 килоом.
Эта цифра выглядит скромно рядом со статическим сопротивлением прибора в рабочей точке, которое находится простым делением напряжения на ток: 900 вольт делить на 50 микроампер даёт 18 мегаом. Разница между 18 мегаомами статического сопротивления и 309 килоомами динамического - это ровно та причина, по которой корональный разряд держит напряжение почти неизменным при значительных колебаниях тока через него. Если бы вместо стабилитрона в этой точке схемы стоял обычный резистор, любое изменение тока в делителе, вызванное просадкой питания или температурным дрейфом остальных элементов, напрямую превращалось бы в изменение опорного напряжения пропорционально полному сопротивлению участка. Стабилитрон же благодаря низкому динамическому сопротивлению гасит бо́льшую часть таких колебаний, пропуская к опорной точке лишь малую их долю, определяемую отношением динамического сопротивления к сопротивлению остальной цепи.
Здесь стоит явно перечислить три паспортных параметра, которые вместе определяют пригодность прибора для этой роли:
- напряжение стабилизации 900 плюс-минус 20 вольт задаёт саму рабочую точку опорного напряжения;
- рабочий диапазон токов от 3 до 100 микроампер определяет, при каком токе делителя прибор вообще способен устойчиво гореть;
- изменение напряжения не более 30 вольт в этом диапазоне токов задаёт итоговую точность стабилизации и позволяет вычислить динамическое сопротивление.
Температурная стабильность и другие ограничения коронного стабилитрона в делителе фотоумножителя
Паспорт СГ302С-1 отдельно оговаривает температурный коэффициент напряжения стабилизации, причём в тёплой части рабочего диапазона от плюс двадцати до плюс пятидесяти градусов он меньше, чем в холодной части от минус сорока до плюс двадцати градусов. Это асимметрия связана с самой физикой газового разряда: при понижении температуры плотность газа в баллоне и параметры ионизации меняются заметнее, чем при её повышении в разумных пределах, поэтому приборы такого типа хуже держат напряжение на морозе, чем в тепле. Для точных измерительных схем, где фотоумножитель работает в широком температурном диапазоне, этот эффект нужно либо компенсировать отдельной температурной коррекцией, либо термостатировать сам стабилитрон вместе с остальной высоковольтной частью.
Есть и более фундаментальное ограничение: напряжение зажигания и напряжение стабилизации коронного разряда зависят от давления газа внутри баллона, а значит, от экземпляра к экземпляру одной и той же марки возможен заметный разброс паспортных параметров, что и отражено в допуске плюс-минус 20 вольт вокруг номинальных 900 вольт. При замене одного прибора на другой в уже настроенной схеме высоковольтный источник питания и рабочую точку делителя приходится проверять заново, а не полагаться на то, что новый экземпляр воспроизведёт старый режим один в один. Кроме того, как и любой холодный катод, коронный разряд не мгновенно выходит на устойчивый режим после подачи питания, поэтому в схемах с частым включением и выключением высокого напряжения закладывают время на установление разряда, прежде чем снимаемое с прибора напряжение можно считать соответствующим паспортному значению.
Где такие стабилитроны применялись помимо делителей фотоумножителей
Семейство коронных стабилитронов не ограничивается одним типом СГ302С: в том же ряду стоят приборы СГ301С и СГ303С, рассчитанные на другие уровни напряжения стабилизации, но построенные по тому же принципу тонкого анода внутри цилиндрического катода и работающие в том же микроамперном диапазоне токов. Помимо высоковольтного питания фотоумножителей, такие стабилитроны ставили в цепи ускоряющего анода электронно-лучевых трубок, где тоже требовалось стабильное напряжение при небольшом токе нагрузки, а также в счётчиках Гейгера, для которых важна не только стабильность высокого напряжения, но и минимальное собственное потребление источника питания. Во всех этих применениях объединяющий фактор один и тот же: нагрузка, которую нужно запитать стабильным высоким напряжением, сама потребляет считанные микроамперы, и обычный стабилитрон тлеющего разряда попросту не впишется в такой энергетический бюджет, а коронный разряд самой своей физикой рассчитан именно на эти условия.