Ионизационные (газонаполненные) трубки

До сих пор мы исследовали трубки, в стеклянных оболочках которых полностью «удаляется» весь газ и пар, известные как вакуумные трубки . . Однако при добавлении определенных газов или паров лампы приобретают существенно другие характеристики и могут выполнять определенные особые роли в электронных схемах.

Когда достаточно высокое напряжение прикладывается к расстоянию, занимаемому газом или паром, или когда этот газ или пар достаточно нагревается, электроны этих газовых молекул отрываются от своих соответствующих ядер, создавая условие ионизации . Освободив электроны от их электростатических связей с ядрами атомов, они могут свободно перемещаться в форме тока, что делает ионизированный газ относительно хорошим проводником электричества. В этом состоянии газ более правильно называть плазмой . .

Ионизированный газ - не идеальный проводник. Таким образом, поток электронов через ионизированный газ будет стремиться рассеивать энергию в виде тепла, тем самым помогая удерживать газ в состоянии ионизации. Результатом этого является трубка, которая начинает проводить при определенных условиях, а затем стремится оставаться в состоянии проводимости до тех пор, пока приложенное напряжение через газ и / или ток, выделяющий тепло, не упадут до минимального уровня.

Проницательный наблюдатель заметит, что именно такое поведение демонстрирует класс полупроводниковых устройств, называемых «тиристорами», которые, как правило, остаются «включенными» при включении и имеют тенденцию оставаться «выключенными» после выключения. Можно сказать, что газонаполненные трубы проявляют то же свойство гистерезиса . .

В отличие от своих вакуумных аналогов, ионизационные трубки часто изготавливались вообще без нити накала (нагревателя). Они назывались холодным катодом . трубки, причем версии с подогревом обозначены как горячий катод трубки. Наличие в трубке источника тепла явно влияло на характеристики газонаполненной трубки, но не до такой степени, чтобы недостаток тепла влиял на характеристики вакуумной трубки.

Самый простой тип ионизационного устройства - это вовсе не обязательно трубка; скорее, он состоит из двух электродов, разделенных зазором, заполненным газом. Просто называется искровым разрядником . , зазор между электродами может быть заполнен окружающим воздухом, а иногда и специальным газом, и в этом случае устройство должно иметь какую-то герметичную оболочку.

Основное применение искровых разрядников - защита от перенапряжения. Искровой разрядник, спроектированный таким образом, чтобы не ионизировать или «разрушать» (начинать проводить), при нормальном системном напряжении, приложенном к электродам, должен обеспечивать проводимость в случае значительного увеличения напряжения. Будучи проводящим, он будет действовать как большая нагрузка, сдерживая напряжение системы за счет большого потребления тока и последующего падения напряжения вдоль проводников и других последовательных сопротивлений. В правильно спроектированной системе искровой промежуток перестанет проводить («погаснет»), когда напряжение в системе упадет до нормального уровня, значительно ниже напряжения, необходимого для инициирования проводимости.

Одним из основных недостатков искровых разрядников является их ограниченный срок службы. Разряд, создаваемый таким устройством, может быть довольно сильным и, как таковой, будет иметь тенденцию к повреждению поверхности электродов из-за точечной коррозии и / или плавления.

Искровые промежутки можно сделать так, чтобы они проводились по команде, поместив третий электрод (обычно с острым краем или острием) между двумя другими и приложив импульс высокого напряжения между этим электродом и одним из других электродов. Импульс создаст небольшую искру между двумя электродами, ионизируя часть пути между двумя большими электродами и обеспечивая проводимость между ними, если приложенное напряжение достаточно высокое:

Искровые разрядники как с триггером, так и без срабатывания триггера могут быть созданы для обработки огромного количества тока, некоторые даже до мегаампер (миллионы ампер)! Физический размер является основным ограничивающим фактором силы тока, который искровой разрядник может безопасно и надежно выдерживать.

Когда два основных электрода помещаются в герметичную трубку, заполненную специальным газом, разрядная трубка сформирован. Наиболее распространенным типом газоразрядных трубок является неоновый свет, широко используемый в качестве источника яркого освещения, причем цвет излучаемого света зависит от типа газа, заполняющего трубку.

Конструкция неоновых ламп очень похожа на конструкцию разрядников, но эксплуатационные характеристики существенно отличаются:

Контролируя расстояние между электродами и тип газа в трубке, можно заставить неоновые огни проводить, не потребляя чрезмерных токов, которые создают искровые промежутки. Они по-прежнему демонстрируют гистерезис в том смысле, что для инициирования проводимости требуется более высокое напряжение, чем для того, чтобы заставить их «погаснуть», и их сопротивление определенно нелинейно (чем больше напряжение, приложенное к трубке, тем больше ток, следовательно, больше тепла и, следовательно, меньше сопротивление. ). Учитывая эту нелинейную тенденцию, нельзя допускать, чтобы напряжение на неоновой трубке превышало определенный предел, чтобы не повредить трубку из-за чрезмерных температур.

Эта нелинейная тенденция дает неоновой трубке применение, отличное от цветного освещения:она может действовать как стабилитрон, «ограничивая» напряжение на нем, потребляя все больше и больше тока, если напряжение падает. При таком использовании трубка называется светящейся трубкой . , или трубка регулятора напряжения , и был популярным средством регулирования напряжения во времена проектирования электронных ламп.

Обратите внимание на черную точку на изображенном выше символе трубки (и на изображенном перед ним символе неоновой лампы). Этот маркер указывает на то, что трубка заполнена газом. Это обычный маркер, используемый во всех обозначениях газонаполненных трубок.

Одним из примеров лампы накаливания, предназначенной для регулирования напряжения, был VR-150 с номинальным регулируемым напряжением 150 вольт. Его сопротивление во всех допустимых пределах тока может изменяться от 5 кОм до 30 кОм, диапазон 6:1. Подобно современным схемам стабилитронов, стабилизаторы с тлеющими трубками могут быть соединены с усилительными лампами для лучшего регулирования напряжения и более высоких диапазонов тока нагрузки.

Если бы обычный триод был заполнен газом вместо жесткого вакуума, он проявил бы весь гистерезис и нелинейность других газовых трубок с одним важным преимуществом:величина напряжения, приложенного между сеткой и катодом, будет определять минимальное необходимое напряжение между пластиной и катодом. инициировать проведение. По сути, эта лампа была эквивалентом полупроводникового SCR (кремниевого выпрямителя) и называлась тиратроном . .

Следует отметить, что показанная выше схема значительно упрощена для большинства задач и конструкций тиратронных ламп. Некоторые тиратроны, например, требовали, чтобы напряжение сети переключало полярность между их состояниями «включено» и «выключено» для правильной работы. Кроме того, у некоторых тиратронов было более одной сетки!

Тиратроны нашли применение во многом так же, как и SCR сегодня:управление выпрямленным переменным током для больших нагрузок, таких как двигатели. Трубки Thyratron производятся с различными типами газовых наполнителей для разных характеристик:инертный (химически нереактивный) газ, водород и ртуть (испаряется в газовую форму при активации). Дейтерий, редкий изотоп водорода, использовался в некоторых специальных приложениях, требующих переключения высоких напряжений.