1.4. Газоразрядная лампа

как автоматический ключ релаксационного генератора

Однако задачей настоящей работы являются не стабилизирующие свойства газоразрядной лампы, а возможность получения с её помощью релаксационных колебаний. Иначе говоря, требуется уяснить, − как, имея такую ВАХ (рис. 3), газоразрядная лампа может выполнять роль автоматического ключа, коммутирующего заряд и разряд конденсатора. Оказывается, что принципиальное значение для этого имеет «падающий участок» её вольт-амперной характеристики, т.е. участок АВ (рис. 3), на котором лампа имеет отрицательное дифференциальное сопротивление: <0. Падающий участок на своей ВАХ имеют и некоторые полупроводниковые приборы (динисторы, тринисторы и др.); они также широко используются в качестве электронных ключей в генераторных схемах.

Для генерации релаксационных колебаний надо в схему рис. 2 в качестве ключа К установить газоразрядную лампу, включив её последовательно с небольшим сопротивлением r (порядка 10 кОм). Это сопротивление служит для ограничения разрядного тока через лампу, предохраняя её от разрушения. Однако, прежде чем анализировать процессы в этой схеме, необходимо изучить вольт-амперное поведение последовательной цепочки «газоразрядная лампа-резистор r», т.е. исследовать ВАХ этой цепочки.

О чевидно, что при последовательном соединении двух элементов напряжения на них всегда складываются, а ток через них – одинаковый. Следовательно, если нам известны ВАХ каждого из двух таких элементов: и₁(i) и и₂(i), то ВАХ их последовательной цепи и(i)= и₁(i)+и₂(i), т.е. для для получения графика и(i) графики и₁(i) и и₂(i) достаточно сложить «по вертикали». А так как ВАХ обычно представляется как зависимость i(и), то для получения результирующего графика i(и) графики i₁(и) и i₂(и) надо складывать «по горизонтали». В нашем случае ВАХ резистора i_r(и) линейна: i=u/r, а ВАХ неоновой лампы i_л(и) имеет вид кривой рис. 3. Складывая эти графики «по горизонтали», мы и получим ВАХ последовательной цепочки «лампа-резистор». На рис. 5 эта операция графического сложения подробно показана для некоторого фиксированного тока i.

Сложив таким образом графики i_r(и) и i_л(и), мы и получим характерную S-образную кривую i(и) последовательной цепи «лампа-резистор».

В настоящей работе эта вольт-амперная характеристика i(и) снимается экспериментально. Поскольку при снятии ВАХ в цепи задаётся именно напряжение (а ток – «какой получится»), то падающий участок этой S-образной характеристики никак не достижим. Действительно, когда напряжение на цепи возрастёт от нуля до некоторой величины и_з (назовём его, как и ранее, напряжением зажигания, хотя оно и чуть выше истинного), лампа зажигается, т.е. в ней возникает самостоятельный тлеющий разряд. Ток почти от нуля скачком возрастает до некоторой величины i_з (рис. 6), определяемой верхней ветвью ВАХ i(и). При дальнейшем повышении напряжения ток растёт почти по линейному закону; свечение газа усиливается. Если теперь напряжение уменьшать, то при и=и_з лампа не погаснет, а ток через неё будет продолжать при-мерно линейно уменьшаться. И только когда напряжение упадёт до некоторой величины и_г (напряжение гашения), разряд в лампе прекращается и ток скачком падает до нуля.

Выясним теперь, как происходят автоколебания в схеме релаксационного генератора с газоразрядной лампой в качестве ключа К (рис. 2).Сначала, при включении постоянного напряжения U₀, лампа тока не проводит, и конденсатор С начинает медленно заряжаться через большое сопротивление R. Напряжение на нём будет расти по закону

, (1)

асимптотически стремясь к величине U₀, которая обязательно должна быть больше напряжения зажигания. Но как только напряжение на конденсаторе достигнет величины и_з, лампа «зажигается», её сопротивление резко па-дает, конденсатор быстро разряжается через неё и малое сопротивление r. Напряжение на конденсаторе при этом будет убывать по закону

,

а симптотически стремясь к нулю (рис. 7). Но когда оно достигнет величины и_г, лампа перестаёт проводить ток (гаснет) и конденсатор вновь начинает медленно заряжаться от генератора через большое сопротивление R.

Как видно из рис. 7, возникающие таким образом автоколебания напряжения на конденсаторе имеют размах Δи_С=и_з−и_г.