62362 (Електроніка та мікропроцесорна техніка), страница 9

Підготував викладач: Бондаренко І.В.

Теоретична частина: Електровакуумні та іонні прилади

План:

1. Іонні прилади з самостійним розрядом – неонова лампа, стабілітрони, тиратрони тліючого розряду

Література

1. Іонні прилади з самостійним розрядом – неонова лампа, стабілітрони, тиратрони тліючого розряду

В іонних (газорозрядних) приладах, які посідають більш скромне місце в електронній техніці, ніж електровакуумні й особливо напівпровідникові прилади, однак застосовуються досить широко, електричний струм утворюється не у вакуумі, а в газовому середовищі, в умовах зіткнення електронів з молекулами газу.

Молекули газу під дією ряду причин (електричного або магнітного полів, теплового, світлового випромінювань тощо) розпадаються на іони й електрони, і газ стає провідним. Однак у природних умовах кількість електронів і іонів в одиниці об'єму газу порівняно невелика, оскільки іонізуюча дія зовнішніх факторів досить слабка, одночасно з процесом розпадання молекул (іонізацією) практично відбувається рівноцінний процес — рекомбінація, тобто процес сполучення електронів і іонів у нейтральні молекули (деіонізація). Тому електропровідність газу в природних умовах настільки мала, що його можна вважати ізолятором. Якщо газ перебуває в розрідженому стані, то можливості для деіонізації зменшуються, оскільки тепер в одиниці об'єму міститься менше молекул, середні відстані між електронами й іонами збільшуються, отже, ймовірність їх зіткнення (а значить, і рекомбінація) різко зменшується. Крім того, кількість електронів і іонів у газі значно збільшується внаслідок штучної зовнішньої дії (наприклад, електричного поля). Обидва ці фактори, що зумовлюють електричну провідність газу, використовуються в іонних приладах.

Конструктивно іонні прилади виготовляють у вигляді герметичних балонів (звичайно скляних), усередині яких розміщені електроди. Балони заповнюють розрідженим інертним газом або парами ртуті.

Коли до електродів іонного приладу прикласти напругу, то під дією електричного поля, що утворилося, позитивно заряджені іони починають рухатися до катода, а електрони до анода. Саме так в іонних приладах утворюється електричний струм.

Сукупність процесів, пов'язаних з проходженням струму через газ, називають електричним розрядом.

Коли напруга, прикладена до електродів іонного приладу, порівняно мала, то струм, що проходить через прилад, незначний і підлягає закону Ома. Цей струм зумовлений наявністю в газі електронів і іонів за рахунок природної іонізації (під впливом зовнішніх факторів). Такий розряд називають несамостійним, оскільки він не утворюється і не розвивається, коли немає зовнішніх іонізуючих факторів. У цьому режимі значна частина електронів і іонів рекомбінує.

Коли поступово підвищувати напругу на електродах приладу, то дуже швидко настане так званий режим насичення, при якому дальше підвищення напруги вже не супроводжується підсиленням струму. Це пояснюється тим, що майже всі електрони й іони, які утворилися в цих умовах за одиницю часу, беруть участь у перенесенні електричних зарядів. Рекомбінувати встигає лише незначна частина їх. Такий розряд називають «тихим », оскільки він без видимих зовнішніх виявів, і вважають його різновидом несамостійного розряду. Якщо далі підвищувати напругу, то настає момент, коли швидкості електронів стають достатніми для розщеплення нейтральних молекул газу на електрони й іони. Починається додаткова іонізація газу, і настає режим самостійного розряду. Електрони й іони, які щойно утворилися, беруть участь в іонізації і т. д. Цей процес наростає лавиноподібно. Струм через прилад збільшується, опір середовища різко спадає, напруга на електродах дещо зменшується. Іонний прилад, як кажуть, «запалюється» (газ у балоні починає світитися) і працює далі в режимі тліючого розряду. Особливістю цього режиму є автоматичне підтримання практично сталої напруги на електродах із зміною струму через прилад у досить широких межах. Сила струму обмежується зовнішнім опором кола. Ця властивість тліючого розряду широко використовується для стабілізації напруги в радіоелектронних схемах. Електроди в режимі тліючого розряду практично не нагріваються.

Дальше підвищення напруги на електродах супроводжується бомбардуванням катода позитивно зарядженими іонами, внаслідок чого катод нагрівається і починає випромінювати електрони (термоелектронна емісія). Кількість електронів, що іонізують газ, різко збільшується, опір ділянки анод — катод знижується і стає таким малим, що струм через прилад обмежується лише зовнішнім опором кола. Напруга на електродах приладу різко спадає. Такий розряд супроводжується яскравим свіченням газу в балоні і називається дуговим. У деяких іонних приладах спеціально встановлюють підігрівний (як в електронних лампах) катод, що дає можливість створити дуговий розряд при більш низьких напругах на електродах.

Ще один вид електричного розряду в газі — іскровий розряд. Він утворюється при високій електричній напрузі і тиску газу, близькому до атмосферного. На початку розряду між електродами утворюється іскровий канал (проскакує іскра, яка іонізує той простір газу, в якому вона утворилася). Цей іскровий канал є мовби провідником між двома електродами іонного приладу, і коли потужність джерела енергії достатня, то в приладі починаються процеси, аналогічні процесам дугового розряду. Коли ж потужність джерела енергії мала, то із зменшенням напруги іскровий розряд припиняється.

Іонні прилади тліючого розряду

Неонова лампа (рис. 1) — найпростіший іонний прилад—складається з балона, заповненого розрідженим інертним газом (неоном) і укріплених всередині балона двох дискових або циліндричних електродів. Характерно, що неонова лампа не має розжарюваного катода.

Коли напруга, прикладена до лампи, менша за напругу запалювання, то в лампі розряд відбувається, проте він дуже слабкий і не має практичного значення. Коли ж прикладена напруга дорівнює напрузі запалювання або, тим більше, перевершує її, то в лампі утворюється тліючий розряд, який супроводжується оранжево-червоним свіченням неону. Коли напруга на електродах лампи стане меншою від напруги гасіння лампи, тліючий розряд припиниться і лампа згасне. Напруга гасіння завжди менша від напруги запалювання.

Рис. 1. – Неонові лампи:

а — СН-1; б — МН-3; в — умовне позначення на схемах.

Неонову лампу можна вмикати в коло постійного і змінного струмів, пам'ятаючи при цьому, що опір «запаленої» лампи дуже малий і різке збільшення струму через неї може призвести до утворення дугового розряду і виходу лампи з ладу. Тому послідовно з лампою вмикають опір, що обмежує силу струму.

Характерна властивість неонової лампи, яка широко використовується на практиці, полягає в тому, що в полях високої частоти ці лампи світяться без підмиканя електродів до джерел живлення, оскільки ерс, потрібна для утворення розряду в газі, створюється електромагнітним полем високої частоти. У лампі в цьому випадку утворюється високочастотний розряд. Ця особливість неонових ламп зумовила їх переважне застосування як індикаторів напруги в радіоапаратурі.

Основні технічні дані неонових ламп типів МН3, МН5, МН11 (мініатюрні неонові) відповідно такі: напруга запалювання 65, 150, 85 В; сила робочого струму 1; 0,2; 5А; строк служби 300, 500, 100 год.

Стабілітрон — іонний стабілізатор напруги — застосовують у мережах постійного струму, коли напругу на навантаженні треба підтримувати незмінною.

У стабілітроні всередині скляного балона (рис. 2, а), заповненого інертним газом (неоном, гелієм, аргоном) або парами ртуті, розміщено два циліндричні електроди: зовнішній — катод 3 і внутрішній— анод 1, а в деяких конструкціях ще й запалюючий електрод 2.

Рис. 2. Стабілітрон:

а— будова; б — вольт-амперна характеристика; в — схема вмикання

Запалюючий електрод з'єднаний з катодом і забезпечує зниження напруги запалювання приладу, оскільки відстань між ним і анодом менша, ніж між катодом і анодом.

Вольт-амперна характеристика стабілітрона (рис. 2, б) показує, що, як тільки прилад «запалиться» U=U_з, напруга на електродах зменшиться до робочої U_р, а струм досягне значення /_р. Характеристика відображує стабілізуючу дію приладу: зміна струму в діапазоні від I_min до I_mах практично не позначається на напрузі, і його можна вважати постійним. Струм, більший за І_тах, недопустимий, оскільки прилад може перейти в режим дугового розряду, електроди розплавляться і стабілітрон вийде з ладу.

Схему вмикання стабілітрона зображено на рис. 2, в. Принцип стабілізації напруги полягає в тому, що з підвищенням напруги U₀ живлення збільшується струм через баластний опір R_б і ділянку тп кола. Здавалося б, мав би збільшитися спад напруги і на резисторі R_б, і наділянні тп. Насправді ж напруга на ділянці тп майже не збільшується, оскільки відповідно до характеристики стабілітрона зміна струму майже не спричинює зміни напруги на його електродах, і через навантаження R_н проходить майже такий самий, як і раніше, струм І_н.

Стабілізатори на стабілітронах прості і досить надійні. Однак у них низький коефіцієнт корисної дії, оскільки при нормальному режимі в колі частина струму проходить через прилад.

Як приклад наведемо технічні дані стабілітронів газорозрядних типів СПП, СГ19С і СГ304С (відповідно): сила струму 5—30, 10—60 і 0,05—1,0 мА, строк служби 1000, 500 і 500 год, напруга горіння 143—155 В, 1,05—1,15 і 28,5-31,5 кВ.

Тиратрон з холодним катодом (рис. 3)—триелектродний іонний прилад тліючого розряду. Всередині балона 4, заповненого інертним газом, закріплено три електроди: катод 1 у формі закритого зверху циліндра; сітка З у вигляді шайби з отвором у центрі і анод 2 — загострений стержень, що проходить крізь отвір у шайбі. Виводами 5 від електродів є тонкі гнучкі провідники.

Рис. 3 – Тиратрон з холодним катодом:

а — будова тиратрона МТХ-90; б — умовне позначення на схемах.

Сітка виконує функції пускового пристрою. На неї подається позитивна напруга (значно менша, ніж на анод), і між нею і катодом встановлюється режим так званого тихого розряду, внаслідок чого поблизу катода утворюється область іонізованого газу. До анода в цей час прикладено високу напругу, проте недостатню для того, щоб тиратрон відкрився, тобто щоб між анодом і катодом утворився тліючий розряд. Тиратрон, як кажуть, перебуває на грані спрацьовування.

Досить тепер подати на сітку запускаючий імпульс, як миттю у просторі між сіткою і катодом утворюється тліючий розряд. Внаслідок додаткової іонізації газу різко збільшується кількість вільних електронів, і, таким чином, створюються умови для утворення тліючого розряду вже на ділянці анод — катод при тій самій анодній напрузі. Тліючий розряд ніби перекидається на анод — тиратрон запалюється. Відразу після цього сітка втрачає свої керівні властивості, оскільки навіть негативна напруга, яку подано на неї, не може заперти тиратрон, тому що негативний заряд сітки буде нейтралізовано позитивними іонами газу, що оточують сітку. Щоб погасити тиратрон, треба зменшити анодну напругу.

Технічні дані тиратронів з холодним катодом марок МТХ-90 (малогабаритний), ТХ-2 і ТХ-5Б відповідно такі: напруга запалювання 150, 350 і 225 В, короткочасний струм анода (не менше) 8,5; 100 і 1,5 мА, довговічність 10000 спрацьовувань 500 і 5000 год.

Контрольні запитання:

1. В чому суть роботи газорозрядних приладів?

2. Які бувають розряди в газах?

3. Які прилади належать до приладів самостійного розряду?

4. Які прилади належать до приладів тліючого розряду?

Інструкційна картка №10 для самостійного опрацювання навчального матеріалу з дисципліни «Основи електроніки та мікропроцесорної техніки»