Газоразрядные трубки

Если вы когда-нибудь были свидетелями грозы, вы видели электрический гистерезис в действии (и, вероятно, не осознавали, что видите). Под действием сильного ветра и дождя между облаком и землей, а также между облаками накапливаются огромные статические электрические заряды. Неуравновешенность электрических зарядов проявляется в виде высоких напряжений, и когда электрическое сопротивление воздуха больше не может сдерживать эти высокие напряжения, огромные скачки тока проходят между противоположными полюсами электрического заряда, которые мы называем «молнией».

Накопление высокого напряжения из-за ветра и дождя - довольно непрерывный процесс, скорость накопления заряда увеличивается при надлежащих атмосферных условиях. Однако молнии не являются непрерывными:они существуют в виде относительно коротких всплесков, а не непрерывных разрядов. Почему это? Почему мы не видим мягкие светящиеся дуги молний вместо яростно коротких молний разрядов ? Ответ кроется в нелинейном (и гистерезисном) сопротивлении воздуха.

В обычных условиях воздух имеет чрезвычайно высокое сопротивление. Фактически, оно настолько велико, что мы обычно рассматриваем его сопротивление как бесконечное, а электрическую проводимость через воздух как незначительную. Присутствие воды и пыли в воздухе несколько снижает его сопротивление, но он по-прежнему является изолятором для большинства практических целей. Однако, когда к воздуху прикладывают достаточно высокое напряжение, его электрические свойства изменяются:электроны «вырываются» из своего нормального положения вокруг соответствующих атомов и высвобождаются, образуя ток. В этом состоянии воздух считается ионизированным . и называется плазмой, а не газом. Это использование слова «плазма» не следует путать с медицинским термином (означающим жидкую часть крови), это четвертое состояние вещества, три других - твердое, жидкое и парообразное (газ). Плазма является относительно хорошим проводником электричества, ее удельное сопротивление намного ниже, чем у того же вещества в газообразном состоянии.

Когда электрический ток проходит через плазму, в плазме рассеивается энергия в виде тепла, так же как ток через твердый резистор рассеивает энергию в виде тепла. В случае молнии температура очень высока. Высоких температур также достаточно для превращения газообразного воздуха в плазму или поддержания плазмы в этом состоянии без наличия высокого напряжения. Поскольку напряжение между облаком и землей или между облаком и облаком уменьшается, поскольку дисбаланс заряда нейтрализуется током молнии, тепло, рассеиваемое молнией, поддерживает воздушный путь в плазменном состоянии, сохраняя его сопротивление низким. Молния остается плазмой до тех пор, пока напряжение не упадет до слишком низкого уровня, чтобы поддерживать ток, достаточный для рассеивания тепла. Наконец, воздух возвращается в газообразное состояние и перестает проводить ток, что позволяет снова нарастать напряжению.

Обратите внимание, как в течение этого цикла воздух демонстрирует гистерезис. Когда он не проводит электричество, он имеет тенденцию оставаться изолятором . пока напряжение не превысит критическую пороговую точку. Затем, когда он меняет состояние и становится плазмой, он стремится оставаться проводником . пока напряжение не упадет ниже нижней критической пороговой точки. После включения он остается включенным, а после выключения - остается выключенным. Этот гистерезис в сочетании с постоянным нарастанием напряжения из-за электростатических эффектов ветра и дождя объясняет действие молнии короткими всплесками.

Осцилляторы релаксации

С точки зрения электроники, в действии молнии мы имеем простой релаксационный осциллятор . . Генераторы - это электронные схемы, которые вырабатывают колебательное (переменное) напряжение из постоянного источника постоянного тока. Релаксационный генератор работает по принципу зарядного конденсатора, который внезапно разряжается каждый раз, когда его напряжение достигает критического порогового значения. Один из простейших существующих релаксационных генераторов состоит из трех компонентов (не считая источника постоянного тока):резистора, конденсатора и неоновой лампы, показанных на рисунке ниже.

Неоновые лампы - это не что иное, как два металлических электрода внутри герметичной стеклянной колбы, разделенных неоновым газом внутри. При комнатной температуре и без приложенного напряжения лампа имеет почти бесконечное сопротивление. Однако при превышении определенного порогового напряжения (это напряжение зависит от давления газа и геометрии лампы) неоновый газ становится ионизированным (превращается в плазму), и его сопротивление резко снижается. Фактически, неоновая лампа демонстрирует те же характеристики, что и воздух во время грозы, но вместе с тем излучает свет в результате разряда, хотя и в гораздо меньшем масштабе.

Конденсатор в схеме релаксационного генератора, показанной выше, заряжается с обратной экспоненциальной скоростью, определяемой размером резистора. Когда его напряжение достигает порогового значения напряжения лампы, лампа внезапно «включается» и быстро разряжает конденсатор до низкого значения напряжения. После разрядки лампа «гаснет» и позволяет конденсатору снова накапливать заряд. В результате возникает серия коротких вспышек света от лампы, частота которых определяется напряжением батареи, сопротивлением резистора, емкостью конденсатора и пороговым напряжением лампы.

Тиратроновые трубки

Хотя в качестве источников освещения чаще используются газоразрядные лампы, их гистерезисные свойства были реализованы в несколько более сложных вариантах, известных как тиратронные лампы . . По сути, газонаполненная триодная лампа (триод представляет собой трехэлементную вакуумную электронную лампу, выполняющую во многом схожую функцию с N-канальным IGFET-транзистором D-типа), тиратронная лампа может быть включена с небольшим управляющим напряжением, приложенным между сеткой и катод, и выключили, уменьшив напряжение между пластиной и катодом.

Простая схема управления тиратроном

По сути, тиратронные лампы были управляемыми версии неоновых ламп, построенные специально для переключения тока на нагрузку. Точка внутри круга схематического символа указывает на заполнение газом, в отличие от жесткого вакуума, обычно наблюдаемого в других конструкциях электронных ламп. В схеме, показанной выше, тиратронная трубка пропускает ток через нагрузку в одном направлении (обратите внимание на полярность на нагрузочном резисторе), когда запускается небольшим управляющим напряжением постоянного тока, подключенным между сеткой и катодом. Обратите внимание, что источником питания нагрузки является переменный ток, который дает представление о том, как тиратрон выключается после срабатывания триггера:поскольку переменное напряжение периодически проходит через состояние 0 вольт между полупериодами, ток через нагрузку с питанием от переменного тока должен также периодически останавливаться. Эта короткая пауза в токе между полупериодами дает газу время остыть, позволяя ему вернуться в нормальное состояние «выключено». Электропроводность может возобновиться только в том случае, если от источника переменного тока будет приложено достаточное напряжение (в другой раз в цикле волны) и если это позволяет управляющее напряжение постоянного тока.

Осциллограф, отображающий напряжение нагрузки в такой цепи, будет выглядеть примерно так, как показано на рисунке ниже.

Формы сигналов Thyratron

Когда напряжение питания переменного тока поднимается с нуля до своего первого пика, напряжение нагрузки остается равным нулю (ток без нагрузки) до тех пор, пока не будет достигнуто пороговое напряжение. В этот момент трубка включается и начинает проводить, напряжение нагрузки теперь следует за напряжением переменного тока в течение оставшейся части полупериода. Напряжение нагрузки существует (и, следовательно, ток нагрузки), даже если форма волны переменного напряжения упала ниже порогового значения трубки. Это гистерезис в действии:трубка остается в проводящем режиме после точки, в которой она впервые включалась, продолжая проводить до тех пор, пока напряжение питания не упадет почти до нуля вольт. Поскольку тиратронные лампы являются односторонними (диодными) устройствами, в отрицательном полупериоде переменного тока на нагрузке не возникает напряжения. В практических схемах тиратрона несколько ламп, расположенных в той или иной форме схемы двухполупериодного выпрямителя, чтобы обеспечить двухполупериодную подачу постоянного тока на нагрузку.

Тиратронная лампа была применена в цепи релаксационного генератора. Частота регулируется небольшим постоянным напряжением между сеткой и катодом. (См. Рисунок ниже). Этот генератор, управляемый напряжением, известен как ГУН. Осцилляторы релаксации производят очень несинусоидальный выходной сигнал, и они существуют в основном в виде демонстрационных схем (как в данном случае) или в приложениях, где желательна форма сигнала с высоким содержанием гармоник.

Осциллятор релаксации тиратрона, управляемый напряжением

Я говорю о тиратронных лампах в прошедшем времени не зря:современные полупроводниковые компоненты используют устаревшую технологию тиратронных ламп для всех, кроме нескольких очень специальных применений. Неслучайно слово тиристор так похож на слово тиратрон , для этого класса полупроводниковых компонентов делает то же самое:используется гистерезис включить и выключить ток. Именно на эти современные устройства мы сейчас и обращаем внимание.

ОБЗОР:

• Электрический гистерезис , тенденция компонента оставаться «включенным» (проводящим) после того, как он начинает проводить, и оставаться «выключенным» (непроводящим) после того, как он перестает проводить, помогает объяснить, почему молнии существуют в виде кратковременных скачков тока, а не непрерывных разрядов. по воздуху.
• Простые газоразрядные лампы, такие как неоновые лампы, обладают электрическим гистерезисом.
• Сделаны более совершенные газоразрядные трубки с элементами управления, позволяющими регулировать их напряжение включения по внешнему сигналу. Самая распространенная из этих трубок получила название тиратрон . .
• Простые схемы генераторов, называемые релаксационными генераторами . может быть создан с помощью не более чем цепи зарядки резистора-конденсатора и гистерезисного устройства, подключенного к конденсатору.

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

• Таблица тиристоров