Вероятно, вы не в курсе, но всеми нами «любимая гроза в начале мая» – не что иное, как электрический гистерезис в действии. Под действием сильного ветра и дождя между облаком и землёй, а также между облаками накапливаются огромные статические электрические заряды. Нестабильность этих электрических зарядов проявляется в виде высокого напряжения, и когда электрическое сопротивление воздуха больше не может сдерживать эти высокие напряжения, между противоположными полюсами электрического заряда проходят огромные скачки тока, которые мы называем «молниями».
Накопление высокого напряжения из-за ветра и дождя – довольно непрерывный процесс, скорость накопления заряда возрастает при соответствующих атмосферных условиях. Однако сами разряды молний не являются непрерывными: они проявляются в виде относительно коротких всплесков, а не происходят перманентно. Какова причина этого? Почему молнии не имеют вид плавных дуг и вместо них мы наблюдаем грохочущие кратковременные ломанные линии вспышек? Всё дело в нелинейном (и гистерезисном) сопротивлении воздуха.
В обычных условиях воздух имеет чрезвычайно высокое сопротивление. Фактически, оно настолько велико, что мы обычно считаем его сопротивление бесконечным, а электрическую проводимость через воздух пренебрежимо малой. Присутствие воды и пыли в воздухе несколько снижает его сопротивление, но он по-прежнему является изолятором в большинстве случаев. Однако, когда к воздуху прикладывают достаточно высокое напряжение, его электрические свойства меняются: электроны «вырываются» из своих атомарных орбит и высвобождаются, образуя ток. В этом состоянии воздух считается ионизированным и уже находится не в газообразном состоянии, а является плазмой. Слово «плазма» не следует путать с медицинским термином (означающим жидкую часть крови), это четвёртое агрегатное состояние вещества, три других – твёрдое, жидкое и газообразное. Плазма – вполне хороший проводник электричества, её 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, проходящий через твёрдый резистор, рассеивает энергию в виде тепла. В случае с молнией возникают сверхвысокие температуры. Сверхвысоких температур также достаточны для превращения газообразного воздуха в плазму или поддержания плазмы в этом состоянии без наличия высокого напряжения. Поскольку напряжение между облаком и землёй (или между облаком и облаком) уменьшается, ибо дисбаланс заряда нейтрализуется током молнии, тепло, рассеиваемое молнией, поддерживает воздушный поток в плазменном состоянии, сохраняя его сопротивление низким. Молния остаётся плазмой до тех пор, пока напряжение не упадёт до слишком низкого уровня, чтобы поддерживать ток, достаточный для рассеивания тепла. Наконец-то, воздух возвращается в газообразное состояние и перестаёт проводить ток, позволяя, таким образом, снова нарастать напряжению.
Обратите внимание, как именно в этом цикле воздух проявляет гистерезис. Когда он не проводит электричество, он, как правило, остается изолятором до тех пор, пока напряжение не превысит критическую пороговую точку. Затем, когда он меняет состояние и становится плазмой, он стремится оставаться проводником до тех пор, пока напряжение не упадёт ниже нижней критической пороговой точки. После «включения» он остаётся «включённым», а после «выключения» – «выключенным». Этот гистерезис в сочетании с постоянным нарастанием напряжения из-за электростатических эффектов ветра и дождя объясняет почему молнии существуют в виде кратковременных вспышек.
Релаксационные осцилляторы
С точки зрения электроники, действие молнии представляет собой простой релаксационный осциллятор (также часто используется термин релаксационный генератор). Осцилляторы – это электронные схемы, которые осциллируют – вырабатывают колебательное (переменное) напряжение из одного и того же 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 трёх компонентов (не считая источника постоянного тока): резистора, конденсатора и неоновой лампы:
Рис. 1. Простой релаксационный осциллятор.
Неоновые лампы – это не что иное, как два металлических электрода внутри герметичной стеклянной колбы, разделённых неоновым газом внутри. При комнатной температуре и без приложенного напряжения лампа имеет почти бесконечное сопротивление. Однако при превышении определённого 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, с излучением света в результате разряда, хотя и в гораздо меньшем масштабе.
Заряд конденсатора в схеме релаксационного генератора, показанного на рисунке выше, находится в обратно экспоненциальной зависимости от размера резистора. Когда его напряжение достигает порогового значения напряжения лампы, лампа внезапно «включается» и быстро разряжает конденсатор до низкого значения напряжения. После разряда лампа «гаснет» и позволяет конденсатору снова накопить заряд. В результате возникает серия коротких вспышек света лампы, частота которых определяется напряжением батареи, сопротивлением резистора, ёмкостью конденсатора и пороговым напряжением лампы.
Тиратронные лампы
Хотя в качестве источников освещения чаще используются газоразрядные лампы, их гистерезисные свойства были реализованы в несколько более сложном варианте, известном как тиратронная лампа (или просто тиратрон; также можно встретить термин тиратроновая лампа). По сути, тиратронная лампа – это газонаполненная триодная лампа (триод представляет собой трёхэлементную вакуумную электронную лампу, выполняющую во многом схожую функцию с N-канальным IGFET-транзистором D-типа), включаемая посредством небольшого управляющего напряжения, приложенного между сеткой и катодом, и выключаемая при уменьшении напряжения между подложкой и катодом.
По сути, тиратронные лампы – это управляемые версии неоновых ламп, сконструированные так, чтобы ток переключался на нагрузку. Точка внутри круга в схемном обозначении указывает на заполнение газом, в отличие от жёсткого 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, подключённым между сеткой и катодом. Обратите внимание, что источником питания нагрузки является переменный ток, который даёт представление о том, как тиратрон выключается после срабатывания триггера: поскольку переменное напряжение периодически проходит через состояние 0 вольт между полупериодами, то ток, проходящий через нагрузку с питанием от переменного тока, должен также периодически останавливаться. Эта короткая пауза в токе между полупериодами даёт газу время, чтобы остыть в лампе, позволяя ему вернуться в нормальное «выключенное» состояние. Электропроводность может возобновиться только в том случае, если от источника переменного тока приложено достаточное напряжение (в аналогичной точке другого цикла волны) и, если это позволяет управляющее напряжение постоянного тока.
Осциллограф, отображающий напряжение нагрузки в такой цепи, будет выглядеть примерно так:
Когда напряжение питания переменного тока поднимается с нуля до своего первого пика, напряжение нагрузки остаётся равным нулю (ток без нагрузки) до тех пор, пока не будет достигнуто пороговое напряжение. В этот момент лампа включается и начинает проводить, напряжение нагрузки теперь следует за напряжением переменного тока в течение оставшейся части полупериода. Напряжение нагрузки существует (и, следовательно, существует и ток нагрузки), даже когда волна переменного напряжения упала ниже порогового значения для лампы. Это и есть гистерезис в действии: лампа остаётся в проводящем режиме после точки, в которой она впервые включалась, продолжая проводить до тех пор, пока напряжение питания не упадёт почти до нуля вольт. Поскольку тиратронные лампы являются односторонними (диодными) устройствами, то в отрицательном полупериоде переменного тока на нагрузке не возникает напряжения. В практических схемах тиратрона несколько ламп располагают в двухполупериодную выпрямительную схему для обеспечения двухполупериодной подачи постоянного тока на нагрузку.
Тиратронные лампы применяют в схемах релаксационных генераторов. Частота регулируется небольшим постоянным напряжением между сеткой и катодом (см. рисунок 4 ниже). Этот управляемый напряжением генератор известен как ГУН (по англ. VCO, т.е. voltage-controlled oscillator). Релаксационные осцилляторы генерируют очень несинусоидальный выходной сигнал, и они существуют в основном или как демонстрационные схемы (как в этой лекции) или в приложениях, где желательна форма сигнала с высоким содержанием гармоник.
Я неспроста говорю о тиратронных лампах в прошедшем времени: современные полупроводниковые компоненты работают на принципах тиратронных ламп почти везде, за исключением нескольких очень специфических применений. Неслучайно слово «тиристор» так похоже на слово «тиратрон», поскольку этот класс полупроводниковых компонентов делает примерно то же самое: используется гистерезисное включение/выключение тока. Именно эти современные устройства сейчас и привлекают наше внимание.
Итог
Электрический гистерезис, склонность компонента оставаться «включённым» (проводящим) после того, как он начинает проводить, и оставаться «выключенным» (непроводящим) после того, как он перестаёт проводить, объясняет, почему разряды молнии существуют в виде кратковременных скачков тока, а не в виде плавных и непрерывных дугообразных разрядов в воздухе.
Простые газоразрядные лампы, вроде неоновых, обладают электрическим гистерезисом.
В более совершенных газоразрядных лампах используются элементы управления, позволяющие регулировать их включающее напряжение от внешнего сигнала. Самая распространённая из этих ламп получила название тиратрон.
