Особенности газоразрядных приборов
ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
Газоразрядными называют электровакуумные приборы с электрическим разрядом в газе или парах. Конструктивно газоразрядные приборы представляют систему электродов, помещенных в баллон, заполненный инертным газом (аргон, неон, криптон), водородом или парами ртути. Давление газа в баллоне составляет от 10-1 до 103 Па. Электрический разряд в газе Рассмотрим гипотетическую модель, состоящую из двух параллельных пластин, расположенных в баллоне, наполненном инертным газом. К этим пластинам через резистор Ra с большим сопротивлением подводится напряжение от источника питания Eи.п (рис. 10.29, а). Одну из пластин, к которой подключен отрицательный полюс источника питания, условно назовем катодом, другую — анодом. Повышая напряжение источника питания Eи.п, будем наблюдать, как изменяется ток iа и напряжение между электродами uа. Рис. 10.29 Если Eи.п = 0, то в разрядном промежутке между катодом и анодом существует небольшое число свободных электронов и ионов, возникших в результате внешней ионизации газа световым потоком, космическим излучением и другими воздействиями. Электроны и положительные ионы совершают беспорядочное (тепловое) движение и, приближаясь друг к другу, могут соединяться, образуя нейтральные атомы. Этот процесс называется рекомбинацией. Процессы ионизации и рекомбинации находятся в динамическом равновесии, поэтому число электронов и ионов сохраняется неизменным. При увеличении напряжения Еи.п между электродами возникнет электрическое поле, под действием которого положительные ионы начнут перемещаться к катоду, а свободные электроны — к аноду, то есть в разрядном промежутке, а следовательно, и во внешней цепи возникнет незначительный электрический ток. Пока напряжение Еи.п невелико, этот ток мал и не создает значительного падения напряжения на резисторе Ra, поэтому можно считать, что uа≈Еи.п. Зависимость тока от напряжения показана на рис. 10.29, б. При малых значениях uа ток обусловлен носителями заряда, возникшими в результате внешней ионизации, и практически сохраняется неизменным (участок А на рис. 10.29, б). По мере увеличения напряжения Еи.п возрастает скорость движения электронов и ионов, соответственно увеличивается их кинетическая энергия. При движении электронов к аноду они сталкиваются с атомами газа. При небольшой скорости эти столкновения являются упругими, и величина энергии сталкивающихся частиц не изменяется. При определенной скорости соударения становятся неупругими. В результате таких столкновений электроны атома могут перейти на более высокие энергетические уровни, то есть происходит возбуждение атома. Возбужденное состояние атома длится от 10-7 до 10-9 с, после чего электрон возвращается на исходный энергетический уровень, испуская квант энергии излучения. При незначительном числе столкновений свечение газа незаметно. При достаточно большой скорости электронов происходит отделение электронов от атомов, в результате чего образуются новые свободные электроны и положительные ионы. Образовавшиеся электроны, двигаясь к аноду, совершают новые ионизации, а ионы перемещаются к катоду и выбивают из него вторичные электроны, которые, двигаясь к аноду, также совершают новые ионизации и т. д. Вследствие этого происходит размножение носителей заряда и увеличение тока (участок АВ на рис. 10.29, б). Процесс образования новых электронов и ионов в результате столкновений с атомами газа называется объемной ионизацией газа и оценивается коэффициентом объемной ионизации а, который показывает, какое количество ионизации совершает один электрон на пути длиной в 1 см. Количество выбиваемых из катода электронов оценивается коэффициентом вторичной электронной эмиссии. Каждый электрон, проходя от катода до анода путь длиной rк-а, совершает αrк-а ионизации, а количество электронов, попадающих на анод при выходе из катода одного электрона, оказывается равным ехр(αrк-а). Если из катода в единицу времени выходит N0 электронов, созданных внешней ионизацией, то на анод в результате размножения попадает N0exp(αrк-а) электронов. Число ионов, образующихся при объемной ионизации, равно N0[exp(αrк-а)-l], а число выбиваемых из катода электронов — σN0[exp(αrк-а)-l], где σ — коэффициент вторичной электронной эмиссии. Пока количество вторичных электронов, выбиваемых из катода, меньше количества электронов, созданных внешней ионизацией, разряд является несамостоятельным, то есть зависящим от внешней ионизации. При прекращении внешней ионизации разряд прекращается. При некоторой величине Uз, называемой напряжением зажигания, каждый электрон, выбитый из катода, создает на своем пути к аноду столько электронов, сколько необходимо для выбивания нового электрона. В этом случае разряд становится самостоятельным, то есть он может существовать независимо от внешнего источника ионизации. После наступления самостоятельного разряда (точка В) наступает лавинообразное увеличение числа носителей заряда, и ток резко возрастает. Однако рост тока ограничивается резистором R, на котором по мере роста тока возрастает падение напряжения и, соответственно, снижается напряжение Ua. Величина этого напряжения самопроизвольно устанавливается такой, чтобы в процессе ионизации создавалось требуемое для получения заданного тока количество носителей заряда, то есть разность потенциалов между электродами ионного прибора зависит от состояния ионизированного газа. В связи с этим целесообразно рассмотреть зависимость напряжения от тока (рис. 10.29, в). Область ВС на рис. 10.29, в называется областью темного самостоятельного разряда. Электрическое поле в этой области создается в основном зарядами на электродах, пространственный заряд пренебрежимо мал и распределение потенциала между катодом и анодом близко к линейному. По мере роста тока возрастает объемный заряд и поле искажается. У катода скапливается большое число ионов, поэтому можно считать, что практически все приложенное напряжение падает в узкой области вблизи катода, называемой областью катодного падения напряжения (рис. 10.30). Рис. 10.30 Область разряда с почти неизменным потенциалом носит название положительного столба. Электроны ускоряются в области катодного падения напряжения, поэтому там и происходит основная ионизация. Интенсивность ионизации в этой области больше первоначальной, поэтому напряжение, при котором поддерживается разряд, с ростом тока снижается. В точке С наступает тлеющий разряд, отличительной особенностью которого является свечение газа, напоминающее свечение тлеющих углей. Этот разряд бывает трех видов: поднормальный, нормальный и аномальный. Поднормальный тлеющий разряд (участок CD на рис. 10.29, в) характеризуется уменьшением напряжения, при котором поддерживается разряд при увеличении тока, и шнурованием (стягиванием) разряда. Шнурование обусловлено тем, что с ростом тока сужается область катодного падения напряжения. Она становится столь узкой, что начинают сказываться шероховатости поверхности катода, в результате чего появляются локальные участки, в пределах которых напряженность поля оказывается более высокой. Поэтому на этих участках ионизация возрастает, что приводит, как отмечено ранее, к снижению напряжения, в результате чего на тех участках, где напряженность поля более низкая, разряд прекращается. Чем больше ток, тем меньше область, охваченная ионизацией. Процесс шнурования происходит до тех пор, пока область катодного падения напряжения не станет столь узкой, что электроны окажутся неспособными создать требуемое количество ионов, необходимое для выбивания новых электронов на смену ушедшим. Поэтому дальнейший рост тока становится возможным лишь при увеличении поверхности катода, охваченной ионизацией. Наступает область нормального тлеющего разряда (участок DE на рис. 10.29, в). После того как вся поверхность катода окажется охваченной ионизацией, для увеличения тока потребуются дополнительные носители заряда, возникновение которых возможно при увеличении напряжения. Такой разряд (область EF на рис. 10.29, в) называется аномальным тлеющим разрядом. Увеличение напряжения на ионном приборе, работающем в режиме аномального тлеющего разряда, ведет к увеличению интенсивности бомбардировки катода ионами, в результате чего на поверхности катода возникает термоэлектронная эмиссия. Кроме того, ионы, находясь очень близко к поверхности катода, создают сильное электрическое поле, вызывающее электростатическую эмиссию. Поэтому число электронов в приборе резко увеличивается, их объемный заряд компенсирует положительный объемный заряд ионов и напряжение на приборе уменьшается (участок FG на рис. 10.29, в), наступает дуговой разряд. Уменьшение напряжения сопровождается шнурованием разряда и образованием ярко светящегося катодного пятна. Шнурование продолжается до тех пор, пока напряжение не достигнет величины, равной 10-20 В, необходимой для поддержания эмиссии электронов. Дальнейшее увеличение тока (участок GH) происходит за счет расширения области, охваченной электронной эмиссией.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ГАЗОТРОН
Газотрон — это простейший прибор дугового разряда. Внутри колбы газотрона, заполненной инертным газом (аргон, гелий, ксенон) или парами ртути, размещены два электрода — катод и анод. Конструкция прибора такова, что дает возможность при сравнительно небольших анодных напряжениях получать режим-дугового разряда, минуя фазу тлеющего разряда.
Вольт-амперная характеристика газотрона показывает, что при анодных напряжениях Uа, не превышающих напряжения Uз зажигания, через газотрон проходит незначительный ток, который обусловлен термоэлектронной эмиссией катода (участок до А).
Когда происходит интенсивная ионизация газа и возникает дуговой разряд. Напряжение на аноде несколько уменьшается (участок А В) и в дальнейшем почти не зависит от проходящего через него тока (участок ВС). Этот режим и является рабочим режимом газотрона. Увеличение тока сверх ia.доп, соответствующего точке С на характеристике, не допускается, так как газотрон может выйти из строя.
Основное свойство газотрона — односторонняя проводимость. Если к его аноду приложено отрицательное напряжение (относительно катода), то дуговой разряд прекратится. Однако следует отметить, что через газотрон все-таки пойдет (хотя и незначительный) ток обратного направления, обусловленный наличием небольшого количества электронов и ионов на участке анод — катод. Это напряжение называют обратным. Таким образом, газотрону свойственна односторонняя проводимость, то есть в одном направлении он пропускает ток намного лучше, чем в другом. Тем не менее если отрицательное напряжение на аноде превысит определенную величину, то в газотроне возникнет тлеющий разряд от анода к катоду, который может перейти в дуговой разряд.
Обратное напряжение Uобр значительно больше напряжения зажигания Uз поэтому свойство односторонней проводимости позволяет использовать газотрон в устройствах преобразования переменного тока в постоянный — в выпрямителях.
Газотроны по сравнению с вакуумными выпрямительными приборами (кенотроны) обладают намного меньшим внутренним сопротивлением и при тех же размерах пропускают большие токи при сравнительно низких (10—20 В) падениях напряжения на участке анод — катод. Существенный недостаток газотронов — обратный ток даже в случае небольших обратных напряжений.
Условное обозначение газотрона:
ТИРАТРОН
В различных устройствах автоматики большое распространение получил управляемый ионный прибор — тиратрон (рис. 208, а).
Тиратрон представляет собой триод, наполненный смесью инертных газов. В стеклянном баллоне тиратрона помещаются анод, катод и управляющий электрод — сетка. Катод нагревается электрическим током, на анод подается положительное напряжение. На сетку тиратрона подается отрицательное напряжение, удерживающее (запирающее) электроны в промежутке катод — сетка.
Сетка тиратрона в отличие от сетки триода не позволяет изменять силу анодного тока.
Вследствие наличия газа в колбе тиратрона его с помощью сетки можно лишь отпереть — зажечь, но нельзя погасить.
После зажигания тиратрона сетка теряет свое управляющее свойство.
Допустим, что на сетку тиратрона (рис. 208, в) через потенциометр Пс подан большой отрицательный потенциал, а анод имеет по отношению к катоду положительный потенциал. Электрическое поле сетки будет препятствовать движению электронов к аноду.
Постепенное уменьшение запирающего отрицательного напряжения на сетке (путем перемещения движка потенциометра вправо) приведет к появлению небольшого тока в цепи анода тиратрона. При дальнейшем уменьшении этого напряжения большое количество электронов с высокой скоростью будут двигаться к аноду. На своем пути они станут ионизировать атомы газа. Движение ионов газа, в свою очередь, ускоряется электрическим полем анода и катода; при столкновениях с нейтральными атомами они образуют новые ионы в еще большем количестве. Такая лавинообразная ионизация сопровождается скачкообразным нарастанием силы анодного тока и зажиганием тиратрона.
Для ограничения силы тока в цепи анода включается ограничительное сопротивление.
С момента зажигания тиратрона и возникновения электрического разряда в нем сетка теряет свое управляющее свойство. Это связано с тем, что отрицательный заряд сетки оказывается окруженным оболочкой из положительных ионов, которые нейтрализуют его действие.
Прекращение разряда в тиратроне можно осуществить двумя способами: уменьшением анодного напряжения или обрывом цепи анода. За время, которое длится до 1 мсек, в лампе происходит процесс рекомбинации, после чего сетка вновь приобретает управляющее действие.
В цепи сетки тиратрона образуется сеточный ток Ic, который является нежелательным. Этот ток создается электронами и положительно заряженными ионами. При положительном напряжении на сетке она притягивает к себе электроны и в ее цепи появляется электронный ток.
При отрицательном напряжении на сетке к ней притягивается некоторое количество положительных ионов и в цепи сетки возникает ионный сеточный ток. Так как ионы имеют большую, чем электроны массу, то они менее подвижны и поэтому ионный ток в цепи сетки меньше электронного сеточного тока.
Для ограничения бесполезного сеточного тока в ее цепь включают ограничительное сопротивление.
В практике применяют разнообразные марки тиратронов. Они отличаются: напряжением накала, напряжением возникновения электрического разряда, наибольшим отрицательным запирающим напряжением сетки, током накала, средним током анода, временем разогрева катода, сопротивлением в цепи сетки и размерами.
Так, тиратрон ТГ1-2,5/4 с оксидным катодом прямого накала имеет следующие основные данные: среднее значение тока анода 2,5 а, напряжение накала 5 в, напряжение возникновения электрического разряда 140 в, наибольшее отрицательное напряжение сетки 100 в, ток накала 142 а, время разогрева 1 мин, сопротивление в цепи сетки 0,001 — 0,1 Мом, длина 255 мм, диаметр 85 мм.
ЗАДАНИЕ
Особенности газоразрядных приборов
Сравнить газотрон и титатрон
Дата добавления: 2021-05-18; просмотров: 185; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!