Электроника:Полупроводники/Электронные лампы/Ионизированные (газовые) электронные лампы

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Ионизированные (газовые) электронные лампы

До сей поры мы исследовали лампы, полностью избавленные от любого газа/пара внутри их стеклянных куполов, буквально известные как вакуумные трубки (вакуумные лампы). Однако если не выкачать, а напротив, добавить определённый газ или пары́, то лампы приобретают принципиально другие характеристики и могут выполнять определённые особые роли в электронных схемах.

Когда достаточно высокое напряжение прикладывается к объёму, занимаемому газом или паром, или когда этот газ или пар достаточно нагрет, электроны молекул газа высвобождаются, создавая условия для ионизации. Освобождённые от их электростатических связей с ядрами атомов электроны могут свободно перемещаться, создавая ток, что делает ионизированный газ относительно хорошим проводником электричества. Газ в этом состоянии более правильно называть плазмой.

Ионизированный газ – проводник не идеальный. Таким образом, поток электронов через ионизированный газ будет стремиться рассеивать энергию в виде тепла, тем способствуя удержанию газа в состоянии ионизации. Результатом этого является трубка (лампа), которая начинает проводить при определённых условиях, а в дальнейшем стремится оставаться в состоянии проводимости, пока приложенное напряжение через газ и/или ток, выделяющие тепло, не упадут до минимального уровня.

Проницательный читатель заметит, что именно такое поведение присуще классу полупроводниковых устройств, называемых «тиристорами», которые, как правило, остаются «включёнными» после включения и склонны оставаться «выключенными» после выключения. Можно сказать, что газонаполненные трубки проявляют тот же гистерезис.

В отличие от своих вакуумных аналогов, ионизированные трубки часто изготавливались вообще без нити накала (нагревателя). Их ещё называют лампами с холодным катодом, а версии с подогревом – лампами с горячим катодом. Наличие источника тепла явно влияет на характеристики лампы с газовым наполнением, но не до такой степени, что недостаток тепла не влиял бы на характеристики вакуумной лампы.

Простейший тип ионизированного устройства – это даже не обязательно лампа; скорее, это просто два электрода, разделённые зазором, заполненным газом. Пространство между электродами, называемое искровым разрядником, может быть занято окружающим воздухом, а иногда и специальным газом, и в этом случае устройство должно иметь какую-то герметичную оболочку.

Рис. 1. Простейшее ионизированное устройство – два электрода (если окружены газом, то в герметичной оболочке).

Основное применение искровых разрядников - защита от перенапряжения. Искровой разрядник, проектируется таким образом, чтобы не ионизировать или не «ломаться» (т.е. начинать проводить), при нормальном системном напряжении, приложенном к электродам, он должен проводить только в случае значительного увеличения напряжения. Будучи проводящим, он будет действовать как большая нагрузка, удерживая напряжение в системе за счёт большего потребления тока и последующего падения напряжения вдоль проводников и других последовательных сопротивлений. В правильно спроектированной системе искровой разрядник перестанет проводить (т.е. «погаснет»), когда напряжение в системе упадёт до нормального уровня, намного 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, сам по себе, со временем разрушает поверхности электродов из-за точечной коррозии и/или плавления.

Искровые разрядники можно делать такими, чтобы они становились проводимыми в случае необходимости, для этого следует поместить третий электрод (обычно с острым краем или острием) между двумя другими и приложить импульс высокого напряжения между этим дополнительным электродом и одним из основных электродов. Импульс создаст небольшую искру между этими двумя электродами, ионизируя часть пространства между двумя основными электродами и обеспечивая проводимость между ними, если приложенное напряжение достаточно высокое:

Рис. 2. Если добавить третий электрод, то искровой разрядник можно делать проводимым в нужный момент.

Искровые разрядники как триггерные (с третьим электродом), так и без срабатывающего триггера (без третьего электрода) могут быть созданы для работы с высокими токами, даже в диапазоне мегаампер (миллионы ампер)! Физический размер является основным ограничивающим фактором силы тока, который может безопасно и надёжно выдерживать искровой разрядник.

Когда два основных электрода помещаются в герметичную трубку, заполненную специальным газом, образуется газоразрядная трубка (газоразрядная лампа). Чаще всего газоразрядные лампы используются для яркого неонового освещения, причем цвет излучаемого света зависит от типа газа, заполняющего трубку.

Конструкция неоновых ламп очень похожа на конструкцию разрядников, но эксплуатационные характеристики совершенно иные:

Рис. 3. Устройство неоновой лампы.

Контролируя расстояние между электродами и тип газа в трубке, можно заставить неоновые огни проводить, не потребляя чрезмерных токов, которые создают искровые разрядники. 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 определённо нелинейно (чем больше напряжение, приложенное к трубке, тем больше ток, следовательно, больше тепла и, следовательно, меньшее сопротивление). Учитывая эту нелинейность, нельзя допускать, чтобы напряжение на неоновой трубке превышало определённый предел, чтобы трубка не была повреждена чрезмерными температурами. Эта нелинейность даёт неоновой трубке другое применение, помимо разноцветного освещения: она может действовать как стабилитрон, «ограничивая» напряжение, потребляя всё больше и больше тока, если напряжение уменьшается. При использовании таким образом трубка известна как тлеющая лампа или трубка регулятора напряжения, и она была популярным средством регулирования напряжения во времена проектирования электронных ламп.

Рис. 4. Трубка регулятора напряжения (тлеющая лампа).

Обратите внимание на чёрную точку на символе лампы (и на изображенном рядом ним символе неоновой лампы). Это обычный маркер указывает на заполнение газом, используемый во всех символах 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, это диапазон 6:1. Подобно современным схемам стабилитронов, стабилизаторы с лампой накаливания могут быть соединены с усилительными лампами для лучшего регулирования напряжения и более высоких диапазонов тока нагрузки.

Если бы обычный триод был заполнен газом вместо жёсткого вакуума, он проявил бы весь гистерезис и нелинейность других газовых ламп, но при этом с одним важным преимуществом: величина напряжения, приложенного между сеткой и катодом, будет определять минимальное необходимое напряжение между пластиной и катодом, инициируя проводимость. По сути, эта лампа была эквивалентом полупроводникового кремниевого выпрямителя и называлась тиратроновой трубкой (тиратроновой лампой).

Рис. 5. Тиратроновая лампа.

Следует отметить, что эта схема порядком упрощена для большинства целей и реальных конструкций тиратронных ламп. Некоторые тиратроны, например, требовали, чтобы напряжение сети переключало полярность между их состояниями «Вкл.» и «Выкл.» для правильной работы. Кроме того, у некоторых тиратронов было более одной сетки!

Тиратроны нашли применение во многом такое же, как и кремниевые выпрямители сегодня: управление выпрямленным переменным током для больших нагрузок, таких как двигатели. Тиратроновые трубки производятся с различными типами газовых наполнителей, что придаёт им разные характеристики: это могут быть инертный (химически неактивный) газ, водород или активные испарения ртути. Дейтерий, редкий изотоп водорода, использовался в некоторых специальных приложениях, предполагающих коммутацию высоких напряжений.