2. Газотроны и тиратроны

Газотроны – это ионные диоды с несамостоятельным дуговым разрядом. Они имеют накаливаемый катод, и разряд в них поддерживается за счет термоэлектронной эмиссии катода. Основным назначением газотронов является выпрямление переменного тока. Применяются газотроны двух видов:

ртутные, с парами ртути под давлением не выше 0,1 мм рт. ст.;

с инертным газом (аргон или ксеноно-криптоновая смесь) при давлении порядка единиц миллиметров ртутного столба.

У большинства газотронов катод оксидный прямого или косвенного накала. В более мощных газотронах он имеет значительную поверхность. Анод в форме диска, полусферы или цилиндра имеет сравнительно небольшие размеры. На рис. изображен ртутный газотрон так называемой открытой конструкции.

В такой конструкции катод окружен специальным тепловым экраном цилиндрической формы (он виден на рис.), который снижает бесполезные потери энергии на тепловое излучение катода и тем самым позволяет уменьшить расход мощности на накал. Кроме того, экран ослабляет вредную бомбардировку катода ионами. Для газотронов характерно сравнительно низкое напряжение накала (обычно не более 5 В). Если применить более высокое напряжение, то может возникнуть дуговой разряд между концами подогревателя, на который будет бесполезно расходоваться энергия источника накала. Однако при таком низком напряжении катоды приходится питать большим током.

Преимущество газотронов перед кенотронами заключается в малом падении напряжения на самом газотроне. У ртутных газотронов оно составляет порядка 10 В, а в газотронах с инертными газами – 15–20 В. Кроме того, это напряжение почти не зависит от тока (при допустимых значениях анодного тока). Поэтому к.п.д. у газотронных выпрямителей получается выше, чем у кенотронных, и он тем больше, чем выше выпрямляемое напряжение. В мощных высоковольтных выпрямителях на газотронах к.п.д. доходит до 99% и выше.

Вольт-амперная характеристика газотрона напоминает характеристику стабилитрона, но только внешне, так как приборы сильно отличаются друг от друга. До возникновения разряда в газотроне наблюдается чисто электронный ток (участок ОА), который растет при увеличении так же, как в обычном вакуумном диоде. Но электронам мешают двигаться атомы газа. Поэтому электронный ток очень мал и практического значения не имеет. Если при снятии характеристики не включен достаточно чувствительный прибор для измерения электронного тока, то последний остается незаметным и точка возникновения разряда А располагается на оси напряжения.

Возникновение дугового разряда происходит при напряжении U_В, которое обычно незначительно больше напряжения ионизации. Например, для ртутных газотронов оно составляет около 10 В. Так как газотрон, подобно всем ионным приборам, включается обязательно через ограничительный резистор R_ОГР, то после возникновения разряда за счет появившегося тока возникает падение напряжения на R_ОГР и, напряжение на газотроне несколько снижается.

При дальнейшем увеличении напряжения E_А ток в газотроне растет, а падение напряжения на нем U_А меняется незначительно, хотя и не остается таким постоянным, как в стабилитронах. Об использовании газотрона для стабилизации не может быть и речи, так как невыгодно получать низкое стабилизированное напряжение при значительных затратах энергии на накал газотрона. Рабочее напряжение на газотроне U_а.раб такого же порядка, как напряжение ионизации, то есть около 10 В для ртутных газотронов, около 16 В для аргоновых и т.п.

Относительное постоянство напряжения на газотроне получается не за счет режима нормального катодного падения, характерного для приборов тлеющего разряда. В газотронах площадь катода не изменяется, но при возрастании тока сопротивление прибора постоянному току R₀ уменьшается, так как растет количество свободных электронов и ионов. Кроме того, увеличивается и приближается к катоду положительный заряд ионов, что равносильно уменьшению расстояния анод–катод.

Если ток в газотроне увеличивать свыше максимального значения I_а.макс, то падение напряжения на приборе растет (область правее точки Б на рис. ). Подобный режим является недопустимым. При таких больших токах сопротивление R₀ снижается не так значительно и падение напряжения U_а= I_а R₀ возрастает. На рис. показана штриховой линией вольт-амперная характеристика для пониженного напряжения накала. Она проходит выше, то есть падение напряжения получается большим. Это объясняется тем, что с понижением накала эмиссия катода уменьшается, в пространстве анод–катод число электронов и ионов становится меньшим, а, следовательно, внутреннее сопротивление R₀ возрастает. Тогда при прежних токах I_а падение напряжения будет большим. Иначе говоря, напряжение перераспределяется между R₀ и R_огр. Поскольку R_огр постоянно, а R₀ возросло, то напряжение на последнем увеличится.

Рис. Вольт-амперная характеристика газотрона при нормальном (1) и пониженном (2) напряжении накала

На аноде газотрона рассеивается сравнительно небольшая мощность. Вообще мощность потерь в газотроне P_пот= I_а U_а невелика, так как напряжение U_а меньше, чем в кенотронах, работающих с тем же током. А мощность, выделяемая на аноде P_а, в газотроне еще меньше. Ведь часть энергии движущихся электронов расходуется на возбуждение и ионизацию атомов газа и на более слабые соударения с атомами, не вызывающие их возбуждения. В результате этих процессов газ нагревается и светится. Вследствие того, что P_а мало, анод имеет сравнительно небольшие размеры и его охлаждение не создает затруднений. В кенотронах для охлаждения принимают ряд мер (увеличение поверхности, применение ребер, чернение и т.п.). В газотронах все это нужно в меньшей степени.

Зато работа катода в газотронах оказывается более тяжелой, чем в кенотронах, вследствие бомбардировки катода положительными ионами. Имея сравнительно большую массу, ионы являются “снарядами тяжелой артиллерии” и разрушают оксидный слой, если их скорость превысит допустимое значение. Например, ионы ртути разрушают оксидный катод при скорости, получаемой под действием анодного напряжения свыше 25 В.

Работа газотронов в выпрямителях имеет особенности по сравнению с работой кенотронов. В газотронах наблюдается обратный ток, который отсутствует в кенотронах. Он получается за счет того, что рекомбинация происходит не мгновенно. Когда положительное напряжение на аноде газотрона уменьшается и доходит до нуля, то спадает до нуля и анодный ток (рис. ). Далее анодное напряжение возрастает в отрицательную сторону, и при этом между электродами еще имеются электроны и ионы, так как для их рекомбинации и полной диэлектризации разрядного промежутка требуется время. Положительные ионы притягиваются к отрицательно заряженному аноду и, отнимая от него электроны, превращаются в нейтральные атомы. Расход электронов на нейтрализацию ионов пополняется электронами, которые под действием источника напряжения приходят к аноду по проводу анодной цепи (рис. ), то есть в этом проводе создается ток. А электроны притягиваются из плазмы к положительно заряженному катоду и, попадая на него, создают ток в проводе катода.

Рис. Обратный ток в газотронном выпрямителе (а) и схема простейшего выпрямителя с газотроном (б)

В анодной цепи появляется обратный ток i_обр. Его импульс показан на рис. а. В начале отрицательного полупериода этот ток отсутствует, так как анодное напряжение равно нулю. Обратный ток исчезает также в момент, когда заканчивается рекомбинация, хотя в этот момент существует довольно сильное поле между электродами. Обратный ток тем больше, чем выше амплитуда обратного напряжения, чем выше частота, так как тогда напряжение нарастает быстрее, и чем медленнее происходит рекомбинация. Большее время рекомбинации соответствует более тяжелым газам, у которых ионы значительно массивнее и менее подвижны. В нормальных условиях обратный ток мал по сравнению с прямым током. Поэтому во многих случаях, в частности при расчетах газотронных выпрямителей его не принимают во внимание. На рис. а i_обр показан для наглядности в увеличенном масштабе.

При некоторых условиях обратный ток может сильно возрасти и вызвать явление обратного зажигания. Если i_обр сравнительно большой и обратное напряжение велико, то ионы, ударяя с повышенной скоростью и в большом количестве в анод, выбивают из него электроны. Они полетят ускоренно к катоду, вызывая ионизацию газа. Если ионизация будет иметь перевес над рекомбинацией, то обратный ток будет нарастать, и эмиссия электронов с анода станет увеличиваться. Анод от усиливающейся ионной бомбардировки разогревается и начинает давать термоэлектронную эмиссию. Возникает дуговой разряд при обратной полярности анодного напряжения, который и называют обратным зажиганием. Газотрон теряет свой вентильные свойства, поскольку дуговой разряд проходит в обоих направлениях.

В простейшей однофазной однополупериодной схеме выпрямления обратное зажигание лишь нарушает выпрямляющее действие. В двухполупериодных схемах выпрямления обратное зажигание приводит к короткому замыканию трансформатора питания через малое внутреннее сопротивление двух последовательно соединенных газотронов. Обратное зажигание возникает при повышении выпрямляемого напряжения сверх допустимого значения или при повышении частоты. Для газотронов указывается допустимая амплитуда обратного напряжения при частоте 50 Гц. В ртутных газотронах обратное зажигание облегчается при увеличении паров ртути, например вследствие повышенной температуре окружающей среды, вызывающей усиленное испарение ртути. К обратному зажиганию может привести также попадание капелек ртути на анод, что возможно во время транспортировки. Поэтому при первоначальном включении следует ртутные газотроны прогревать более долго, чтобы ртуть с анода испарилась. Эти газотроны должны эксплуатироваться и транспортироваться в вертикальном положении.

К основным параметрам газотронов относятся:

напряжение и ток накала;

допустимый выпрямленный (постоянный) ток;

допустимое обратное напряжение;

падение напряжения на газотроне при максимальном токе;

время прогрева перед включением анодного напряжения;

срок службы и допустимые пределы температуры окружающей среды.

Маркировка газотронов содержит на первом месте буквы ГР для ртутных приборов или ГГ для газотронов с инертными газами. Затем после тире ставится дробь, числитель которой означает максимальный выпрямленный ток в амперах, а знаменатель – максимально допустимое обратное напряжение в киловольтах.

Например, ГР-0,25/1,5 означает: газотрон ртутный, на выпрямленный ток до 0,25 А и обратное напряжение до 1,5 кВ.

Значительно более широко, чем газотроны, применяются тиратроны. Тиратроны могут быть как дугового, так и тлеющего разряда и представляют собой ионный прибор, содержащий анод, катод, одну или несколько сеток.

Наиболее часто применяются тиратроны с накаленным катодом, работающие в режиме несамостоятельного дугового разряда. Они используются для выпрямления переменного тока и как реле в автоматике, телеуправлении, импульсной технике, радиолокации и других областях. По многим свойствам тиратроны сходны с газотронами, но сетка позволяет управлять моментом возникновения разряда. Название “тиратрон” происходит от греческого слова “тира” – “дверь”, подчеркивающего возможность “открывания” тиратрона с помощью сетки.

Устройство тиратрона с одной сеткой показано на рис. В зависимости от режима работы различают низковольтные, высоковольтные и импульсные тиратроны. Баллоны низковольтных тиратронов наполняются инертными газами, высоковольтных – ртутными парами, а импульсных – водородом. Роль сеток в тиратронах выполняют обычно никелевые или молибденовые диски с отверстиями разной формы и величины.

Рис. Устройство тиратрона 1 – катод; 2 – подогреватель; 3 – сетка; 4 – анод; 5 – экран;

Рис. Характеристики тиратрона а) – Ia = (Uc); б) – левая пусковая характеристика в) – правая пусковая характеристика

Сетка в тиратроне обладает более ограниченным действием, нежели в вакуумных триодах: с помощью сетки можно только отпереть тиратрон, но нельзя изменять (регулировать) анодный ток. После возникновения разряда сетка теряет управляющее действие и тиратрон не отличается по свойствам от газотрона, если не считать некоторого бесполезного тока в цепи сетки. Прекратить разряд в тиратроне можно только понижением анодного напряжения до величины, при которой дуговой разряд не сможет существовать, или разрывом анодной цепи.

Роль сетки в тиратроне заключается в том, что при положительном напряжении анода можно держать тиратрон в запертом состоянии с помощью отрицательного напряжения сетки. При уменьшении этого напряжения или повышении анодного в тиратроне возникает разряд, то есть тиратрон отпирается. Чем больше отрицательное напряжение сетки, тем при более высоком анодном напряжении возникает разряд. Это объясняется тем, что при отрицательном сеточном напряжении в промежутке сетка–катод существует тормозящее поле, которое создает высокий потенциальный барьер для электронов, эмиттированных катодом. Электроны не смогут преодолевать этот барьер и пролетать свкозь сетку к аноду. Уменьшение отрицательного потенциала сетки или увеличение анодного напряжения понижает потенциальный барьер на участке сетка–катод. Когда электроны начинают его преодолевать, то они движутся через сетку к аноду, набирают скорость, нужную для ионизации, и возникает дуговой разряд.

Зависимость между анодным напряжением возникновения разряда U_з и напряжением на сетке называется пусковой характеристикой или характеристикой зажигания тиратрона.

Изменяя напряжение на сетке, можно менять напряженность электрического поля и управлять моментом начала разряда – “зажиганием” тиратрона. Напряжение на сетке, при котором возникает разряд, зависит также от анодного напряжения.

Особенностью тиратронов является непостоянство пусковой характеристики. Если снимать ее несколько раз, то окажется, что она располагается в пределах некоторой пусковой области (см. рис. )

На рис. ,а изображены зависимости анодного тока тиратрона от напряжения на его сетке I_а= (U_с) при различных значения анодного напряжения U_а. Для снятия характеристик сначала устанавливается U_а= 0, затем – большое отрицательное напряжение на сетке U_с. После этого устанавливается заданное значение U_а. При значительном отрицательном напряжении на сетке ток через прибор равен нулю. Если уменьшать напряжение на сетке, то наиболее быстрые электроны, преодолевая тормозящее действие поля, проходят сетку и устремляются к аноду. При некотором значении U_с = U_с.з происходит ионизация газа и скачком возрастает ток. Тиратрон зажигается. Дальнейшее изменение потенциала сетки от U_с.з в любом направлении не влияет на величину тока анода I_а, так как сетка теряет свое управляющее действие. Это объясняется нейтрализацией поля отрицательно заряженной сетки полем образовавшихся при разряде положительных ионов, притянутых к сетке. Прекратить разряд можно только при значительном понижении или выключении анодного напряжения.

Если увеличить потенциал анода , то разряд будет начинаться при более отрицательном напряжении на сетке, а ток возрастет, так как в результате роста скорости электронов увеличится коэффициент ионизации газа.

В тиратронах при достаточно больших анодных напряжениях может возникнуть самостоятельный тлеющий разряд между сеткой и анодом. Поэтому для каждого типа прибора существует предельно допустимое анодное напряжение. Чтобы устранить это вредное явление и повысить предельное напряжение, в тиратрон вводится еще одна, экранирующая сетка. Она позволяет также расширить пределы управления током тиратрона.

Тиратроны используются в схемах электронных реле, позволяющих при малых токах в управляющей цепи включать и выключать сильноточные устройства, а также в схемах выпрямителей переменного тока. В последнем случае, изменяя напряжение на сетке, можно легко управлять величиной выпрямленного тока. Зажигание тиратрона происходит во время положительного полупериода переменного напряжения на аноде, в момент, зависящий от заданного напряжения на сетке. После зажигания напряжение на аноде снижается до значения, определяемого падением напряжения между электродами при дуговом разряде (15...20 В). От момента зажигания и до конца положительного полупериода тиратрон пропускает ток. Длительность импульса анодного тока, а, следовательно, и его среднее значение можно регулировать, изменяя напряжение на сетке и управляя моментом зажигания.

ЗАЩИТНЫЕ РАЗРЯДНИКИ

Защитные (газовые) разрядники применяются для защиты линий проводной связи и аппаратуры от перенапряжений.

Электроды разрядника выполняются из алюминия или железа, активированного барием. Баллон наполняется аргоном или водородом под давлением 4 - 8 КПа.

Схема включения представлена на рис. При напряжениях ниже

напряжения разряда прибор имеет высокое сопротивление и не оказывает влияния на работу линии связи. При повышенном напряжении в линии в разряднике возникает тлеющий разряд, переходящий в дуговой. Сопротивление разрядника уменьшается, а ток увеличивается, шунтируя нагрузку. Допустимый ток разряда ограничивается нагревом выводов и зависит от длительности перенапряжения.

Параметры разрядников: напряжение зажигания, время развития разряда, допустимый ток разряда, длительность импульса перенапряжения.

Маркировка разрядников:

а) маломощные с электродами из алюминия - РА - 350;

б) мощные разрядники с электродами из бария РБ-280.

Задание курсантам для самостоятельной учебной работы, список рекомендуемой литературы и методические указания

Использованная при подготовке лекции литература

1.Анашкин В.А., Колосов Л.В. Основы микроэлектроники. ч.II. Основы функциональной микроэлектроники. – Ставрополь: СВВИУС, 1989, с.3–24.

2.Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника: Проектирование, виды микросхем, функциональная микроэлектроника: Уч. пос. для приборостроит. спец. вузов. – М.: Высш. шк., 1987.

3.

	Лекцию разработал
	доцент кафедры № 5 полковник В. Пакин
“ “ 1998 г.