4.4. Параметры электрического режима газового разряда

С ложные особенности процессов развития газового разряда требуют применения различных мер по стабилизации режимов горения. Простейшим и наиболее распространенным является включение в цепь питания газоразрядного промежутка балластного резистора (рис. 4.5). Чем больше сопротивление балластного резистора, тем стабильнее ток разряда, но ниже КПД газоразрядного прибора.

При питании от сети переменного тока функцию балластного резистора выполняет обычно специальный дроссель. Осциллограммы напряжения зажигания U_заж, напряжения горения U_гор, тока разряда I и потока излучения Ф в случае питания переменным током показаны на рис. 4.6.

Зажигание разряда возникает после того, как напряжение, подаваемое на электроды, достигнет определенной величины U_заж, достаточной для развития самостоятельного разряда. После этого напряжение падает до величины U_гор, зависящей от условий горения разряда в данном межэлектродном промежутке. Разряд гаснет, когда напряжение источника оказывается ниже напряжения горения U_гор, и газовый разряд вновь возникает при U_заж обратной полярности. В процессе горения разряда напряжение на электродах почти не меняется, зато ток разряда меняется очень резко, достигая значения I_m в моменты, когда напряжение питания максимально. Периодически меняется поток излучения, достигая максимальной величины Ф_max в моменты максимального тока. Частота следования световых импульсов получается в два раза выше частоты питающего напряжения. В м оменты погасания дуги световой поток разряда прекращается, но при наличии люминофора на оболочке лампы световой поток не исчезает полностью и составляет некоторую величину Ф_min, определяемую свойствами люминофора (см. раздел 4.6). Для повышения светоотдачи в качестве балластного резистора включают, как уже отмечалось, дроссель. В этом случае, помимо повышения КПД, наблюдается более быстрое нарастание напряжения на электродах лампы, ток через разрядный промежуток не прерывается, лишь плавно меняет свое направление. Типичная вольт-амперная характеристика газоразрядного прибора показана на рис. 4.7. Следует заметить, что диапазон изменения тока разряда чрезвычайно широк, поэтому эту характеристику обычно рисуют в полулогарифмическом масштабе. Но в этом случае вольт-амперную зависимость нельзя совместить с нагрузочной прямой:

U = U₀ – IR_бал.

При изображении вольт-амперной характеристики в линейном масштабе начальные участки кривой приходится искусственно расширять, чтобы воспроизвести на графике особенности их формы.

Нагрузочную прямую строим по двум точкам:

при I = 0 U_гор = U₀; при U_гор = 0 I = U_гор /R_бал.

При любой форме питающего напряжения для возбуждения разряда напряжение источника должно быть больше напряжения зажигания. При небольшом превышении напряжения источника над напряжением зажигания возможна ситуация, соответствующая нагрузочной прямой l. В этом случае самостоятельный разряд не возникает. Режим токопрохождения соответствует параметрам, отмеченным точкой а₁. Для возбуждения разряда в этом случае потребуется хотя бы кратковременно подать напряжение, заметно превышающее напряжение зажигания. После возникновения разряда непродолжительно устанавливается режим, соответствующий точке а₂. Этот режим неустойчивый и, как следует из хода вольт-амперной характеристики, либо лавинообразно перейдет в состояние а₃, либо разряд погаснет. Указанную особенность следует учитывать в процессе проектиров ания ПРА при выработке режимов, обеспечивающих условия поджигания разряда.

На вольт-амперной характеристике выделяются следующие участки, определяемые свойствами процессов, протекающих в газовой среде.

1. Несамостоятельный разряд – область «темного разряда» (I). В этой области нет лавинного процесса размножения заряженных частиц. При потенциалах ниже потенциала ионизации газовая среда лишь ограничивает величину тока в разрядном промежутке, обусловленного термоэмиссией либо другим видом эмиссии с катода. По мере повышения напряжения до значений, превышающих потенциал ионизации газа, появляется эффект газового усиления тока, но лавинного нарастания тока еще нет, отсутствует свечение.

2. Область нормального тлеющего разряда (II). Начало участка соответствует потенциалу зажигания разряда (U_заж ). При достижении U_заж в межэлектродном промежутке лавинообразно увеличивается число электронов и ионов, растет проводимость разрядного канала, формируется участок зависимости с отрицательным наклоном (отрицательное электрическое сопротивление). Возникает свечение газоразрядного канала. Плотность тока с катода обычно значительно больше тока термоэмиссии. Плотность тока – стабильная величина. Увеличение токоотбора обеспечивается увеличением эмитируемой площади.

3. Область аномального тлеющего разряда (III) наступает, когда разряд покрывает всю поверхность катода. Увеличение тока обеспечивается повышением плотности тока эмиссии с катода за счет нагрева под воздействием все возрастающего катодного падения. Из-за возрастания градиента потенциала в области катодного падения растет и может стать значительной автоэлектронная эмиссия с катода.

4. Область дугового разряда (IV). Дуговой разряд характеризуется высоким значением плотности тока с катода и низким падением потенциала в разрядном промежутке. Существенно возрастает свечение разряда, возрастает энерговыделение на электродах.

В приборах промышленного выпуска находят применение режимы как нормального тлеющего, так и дугового разрядов.