Лабораторная работа №9 Исследования тиратрона с накаленным катодом

Тиратроном называется газоразрядная лампа с холодным или нака­ленным катодом, в который, кроме анода и катода, имеется один или не­сколько дополнительных электродов-сеток. Токопрохождение в тира­троне имеет место при положительном потенциале анода. При работе на переменном токе в обратный полупериод ток через тиратрон не прохо­дит. Тиратроны широко применяются в управляемых выпрямительных устройствах и в схемах автоматики.

Катод и анод тиратрона изготовляются из таких же материа­лов, как и в газотронах. Сетка в тиратроне конструируется так, чтобы полностью закрыть катод от воздействия анодного поля, во избежание зажигания разряда в тиратроне, минуя сетку. Простей­шая конструкция тиратрона показана на рис. 9-1.

Разряд в тиратроне с накаленным катодом является несамостоятель­ным дуговым разря­дом. Развитие дугового разряда происходит вследст­вие ионизации газа электронами, эмиттируе­мыми накаленным катодом. Ускоряясь при вы­ходе из катода положительным полем анода, электроны ионизируют на своем пути атомы или молекулы газа, создавая при этом поло­жительные ионы и вторичные электроны.

Разряд относится к дуговому по основным его признакам: большой плотности тока на ка­тоде, достигающей единиц и десят­ков ампер на квадратный сантиметр и малому падению напряже­ния в катодной части разряда, близ­кому по численному значению к потенциалу ионизации газа U_i. Разряд является несамо­стоятель­ным, так как энергия для эмиссии электронов сообщается катоду от внешнего источника тока; с прекращением накала ка­тода разряд гаснет.

Если на сетку тиратрона, включенного в схему, по­дать заведомо большой отрицатель­ный потенциал, а вслед за тем включить положительное анодное напря­жение, тиратрон, так и электронная лампа, практически не будет прово­дить тока.

При постепенном уменьшении отрицательного сеточного потен­циала, пока количество электронов, прошедших к аноду сквозь сетку, мало, и скорости их недостаточны для ионизации, величина анодного тока изме­няется соответственно сеточному потенциалу. При U_c=U_{c заж} количество электронов, прошедших сквозь сетку и движущихся к аноду, окажется достаточным, чтобы в тиратроне возникла ионизация всего газового промежутка сетка — анод; в ти­ратроне зажигается несамостоятельный дуговой разряд, и ток в анодной цепи резко возрастает.

Ч асть возникших положительных ионов, двигаясь к сетке, обра­зует вокруг нее положительную оболочку, которая будет компен­сировать отри­цательный заряд сетки. Другая часть ионов попадает в промежуток катод-анод и частично компенсирует пространствен­ный заряд. С этого момента ток в анодной цепи резко возрастает, а сетка, вследствие ком­пенсации ее отрицательного заряда зарядом ионной оболочки вокруг витков сетки, теряет способность управ­лять анодным током. Действи­тельно, снимая в тиратроне анодно-сеточную характеристику, т. е. зави­симость анодного тока I_a от по­тенциала сетки U_c(I_a=f(U_c) при U_a=const) (кривая 1, рис. 9-2), можно видеть, что вначале, пока значение тока не превышает нескольких микроампер, изменение анодного тока имеет примерно ту же зако­номерность, что и в элек­тронной лампе (кривая 2, рис. 9-2).

Начиная с точки U_заж анодный ток от значений I_заж. измеряемых мик­роам­перами, резко возрас­тает, в зависи­мости от пара­метров внешней цепи, до значений в несколько ампер или десятков ампер. При этом электрон­ный разряд переходит в ионный —между электродами зажигается дуга. С момента появ­ления дуги анодный ток перестает зависеть от сеточного потенциа­ла—характеристика I_a=f(U_c) идет параллельно оси абс­цисс. Такой же ход характеристика сохраняет, когда от положительных сеточных потенциалов напряжение на сетке возвращается к отри­цатель­ным потенциалам ( обратный ход по пунктирной стрелке на характери­стике). Даже при сравнительно больших отрицательных потенциалах величина анодного тока остается неизменной, и дуга в тиратроне не гас­нет. Таким образом, с момента появления дуги между рабочими электро­дами сеточный потенциал перестает влиять на изменение величины раз­рядного тока. Вернуть сетке ее управляющую способность можно лишь в том случае, когда будут созданы условия для деионизации газа, т. е. если будет прекраще­но образование новых ионов и обеспечена нейтрализация имею­щихся, Этого можно достичь либо выключением анодного напря­жения, либо снижением его до величины, меньшей потенциала го­рения разряда в тиратроне.

П роцессы деионизации, требуют некоторого времени. При ра­боте тира­трона на переменном анодном напряжении во время отрицательного по­лупериода напряжения на аноде раз­ряд в тира­троне прекращается и начи­нается деионизация разрядного проме­жутка. Имевшаяся в объеме плазма газового разряда начинает распа­даться.

Если время деионизации газовой плазмы _d меньше времени отрица­тельного полупериода напряжения на аноде, то к началу следующего поло­жительного полупериода количество ионов в разрядном промежутке уменьшится настолько, что они не смогут экранировать сетку и она восстановит свои управляющие свойства. Управлять работой ртутного тиратрона можно, если на него подано пе­ременное анодное напряжение, частота которого ниже

Важными характеристиками тиратрона являются также вольт-амперная и пусковая характеристики. Вольт-амперная характеристика тиратрона, ус­та­навливающая связь между падением напряжения на приборе U_ak и ве­личиной разрядного тока I_a(U_ak=f(I_a)), аналогична вольт-амперной харак­теристике газотрона с накаленным катодом (рис. 9-3). Пусковая характе­ри­стика, или характеристика зажи­гания, устанавливает связь меж­ду ве­личиной анодного напряже­ния и потенциалом сетки, при котором в тира­троне зажигается разряд. Эту зависимость можно снимать двумя спосо­бами:

1) устанавливая на сетке раз­личные отрицательные напряжения U_c опре­деляют значения на­пряжения ажигания U_{c заж} путем увеличения анодного напряжения от нуля до напряжения возникновения разряда в тиратроне;

2) устанавливая различные анодные напряжения U_a, опреде­ляют U_{c заж}, при котором зажигается разряд путем изменения U_c от больших отрица­тельных значений к малым.

Для пусковой характеристики в предпусковой период может быть за­писано выражение

где D—коэффициент управляющего действия сетки, или коэффи­ци­ент управления.

Условием зажигания разряда является U_c+DU_a=0, когда поле анода пол­ностью компенсирует запирающее действие сетки и появляется возмож­ность проникновения электронов в пространство сетка — анод.

Положение пусковой характеристики не остается постоянным: оно зависит от частоты анодного напряжения, плотности паров ртути или газа, наполняющего тиратрон, величины разрядного тока, термотока сетки и от величины сопротивления, включенного в сеточную цепь. Крайние возможные положения пусковой харак­теристики определяют так называемую пусковую область (рис. 9-4). Чем выше частота подавае­мого на анод напряжения, тем меньше время отрицательного полупе­риода, в течение которого происхо­дит деионизация, тем больше электро­нов и ионов остается в пространстве сетки—анод и, следовательно, тем легче происходит повторное зажигание разряда. Поэтому с увеличением частоты анодного напряжения в тиратроне пусковая характеристика опускается.

У величение сопротивления в цепи сетки смещает пусковую характеристику в более отрицательную область потенциалов сетки. Сеточные токи создают падение напряже­ния на сопротивлении в цепи сетки, чем изменяют ее фактический потенциал в сто­рону более положительного значения по сравнению с потенциалом сетки, измеряе­мым вольтметром.

При работе тиратрона на переменном анодном напряжении измене­нием величины U_c можно управлять моментом повторного зажигания тиратрона, а следовательно, и длительностью прохож­дения разрядного тока через тиратрон.