1.2. Релаксационный генератор

Характерной особенностью всякого генератора синусоидальных (гармонических) колебаний является наличие у него двух накопителей, между которыми происходит периодическая перекачка энергии. Так, при колебаниях груза на пружине происходят периодические превращения потенциальной энергии деформированной пружины в кинетическую энергию движущегося груза; и обратно. В колебательном контуре энергия электрического поля в конденсаторе превращается в энергию магнитного поля катушки индуктивности; и обратно.

Для генерации релаксационных колебаний достаточно лишь одного накопителя. В нём энергия сравнительно долго накапливается, а затем, достигнув определённого уровня, быстро сбрасывается, рассеиваясь где-либо в виде тепла. В отличие от синусоидальных, релаксационные колебания после отключения источника энергии прекращаются сразу.

П ростейший электрический релаксационный генератор состоит из конденсатора С (который и является накопителем) энергии), двух резисторов R и r, через которые конденсатор заряжается и разряжается, и ключа К, коммутирующего заряд и разряд конденсатора (рис. 2,а). Конденсатор «долго» заряжается током i_з через большое сопротивление R и «быстро» разряжается током i_р через маленькое сопротивление r. На рис. 2,б показана форма напряжения на конденсаторе при работе такого генератора.

1.3. Вольт-амперная характеристика газоразрядной лампы

В данной работе роль автоматического ключа К, коммутирующего заряд и разряд конденсатора, играет газоразрядная неоновая лампа.

Газоразрядными называются приборы, работа которых основана на том или оном виде электрического разряда в газе. Баллоны таких приборов (ламп) наполняются инертными газами – неоном, аргоном, криптоном или их смесью при низком давлении, до 1 кПа.

В настоящей работе используется трёхэлектродная газоразрядная лампа – тиратрон МТХ-90. Её стеклянный баллон диаметром 11 мм заполнен неоном. Она имеет холодный катод и работает в режиме тлеющего разряда. Катодом служит никелевый цилиндр, покрытый изнутри цезием. Цезий имеет низкую работу выхода, что облегчает вторичную эмиссию электронов с катода, поддерживающую тлеющий разряд. Анодом является внутренний коаксиальный цилиндр. Тиратрон и спользуется в диодном включении.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) такой неоновой лампы показана на рис. 3. На участке ОА лампа практически не проводит ток, так как количество свободных носителей заряда в газе (электронов и ионов) ничтожно мало. Это – несамостоятельный разряд. Ток несамостоятельного разряда может быть значительным лишь при воздействии на газ какого-либо внешнего ионизатора, например, ультрафиолетового излучения.

Когда напряжение на лампе достигает некоторой величины и_з − напряжения зажигания, имеющиеся в разреженном газе лампы малочисленные электроны разгоняются в межатомных промежутках настолько, что, ударяясь о нейтральные атомы, они ионизируют их, порождая положительный ион и новый электрон. Далее исходные электроны уже вместе со вторичными вновь разгоняются приложенным напряжением и_з и приводят новым актам ионизации: возникает лавина заряженных частиц. Правда, сама по себе эта лавина быстро бы прекратилась: все свободные электроны в лампе упали бы на анод, а положительные ионы нейтрализовались бы на катоде. Однако она не прекращается. Процессом, питающим лавину, является вторичная эмиссия электронов из катода при его бомбардировке положительными ионами газа.

Итак, в точке А вольт-амперной характеристики начинается лавина, или самостоятельный разряд, способный самоподдерживаться уже без помощи внешнего ионизатора. Сопротивление лампы при этом резко падает, и если ВАХ снимать в режиме задания напряжения, то ток из точки А подскочит до огромной величины, что приведёт к разрушению лампы. Чтобы этого не произошло, ВАХ газоразрядной лампы следует снимать в режиме задания тока, т.е. фактически надо снимать зависимость и(i). Для этого используется не генератор напряжения, а генератор тока − генератор, дающий фиксированный ток, не зависящий от нагрузки в достаточно широком диапазоне (его обозначение показано на схеме рис. 3). И этот ток можно регулировать.

Тогда, при медленном увеличении тока, напряжение на лампе после точки А упадёт до некоторого значения и_ст, так как при лавинном рождении свободных носителей резко падает сопротивление лампы.

Далее, при увеличении тока через лампу, напряжение на ней уже не меняется до достаточно далёкой точки С – предвестнице начала дугового разряда, характеризующегося разогревом катода бомбардирующими его ионами настолько, что с него начинается горячая, или термоэлектронная эмиссия. Самостоятельный разряд на участке ВС называется тлеющим; это основной режим работы маломощных газоразрядных ламп. При тлеющем разряде газ в лампе достаточно ярко светится, хотя он и не горячий; его свечение связано с тем, что в результате многочисленных бомбардировок его атомы возбуждены, а при самопроизвольных возвратах электронов из возбуждённых состояний в основные атомы излучают фотоны.

У тиратрона МТХ-90 напряжение зажигания и_з~80…100 В, напряжение стабилизации и_ст~40…60 В, минимальный ток тлеющего разряда (в точке В) i_min~0,1…0,3 мА, максимальный (в точке С) i_max~100 мА.

Н а участке тлеющего разряда ВС неоновая лампа может работать в качестве стабилизатора напряжения. Схема, поясняющая её работу в этом качестве, показана на рис. 4.

Нестабилизированное напряжение U₀ подаётся на вход схемы. Ограничительным резистором R устанавливают ток через лампу где-то в середине участка ВС (рис. 3). R_н – это сопротивление нагрузки, на котором требуется поддерживать фиксированное напряжение и_ст. Если входное напряжение немного изменится, то изменится и ток i через лампу, но напряжение на ней и_ст останется неизменным в соответствии с ВАХ рис. 3, А значит – оно останется стабильным и на нагрузке R_н, с которой затем уже можно снимать любое стабильное напряжение и_вых≤и_ст. Конечно же, необходимым условием работы такого стабилизатора является : U₀>и_з (рис. 3), иначе лампа просто не выйдет на участок ВС.