книги из ГПНТБ / Кушманов И.В. Электронные приборы учеб. пособие

5 г л а в а

ИОННЫЕ ПРИБОРЫ

5.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В РАЗРЕЖЕННОМ ГАЗЕ

Общая характеристика

И онным прибором называется электронный прибор с электрическим разрядом в газе или парах ртути. В качестве газо­ вого наполнителя обычно используются инертные газы или водо­ род. По типу разряда ионные приборы делятся на приборы дугово­ го, тлеющего, темного, коронного и высокочастотного разрядов. По' типу катода различают приборы с холодным катодом (неоновая лампа, стабилитрон, тиратрон с тлеющим разрядом, газосветный, индикатор, разрядник, аркотрон, декатрон, ртутные вентили и др.) и с термокатодом (газотрон, тиратрон с дуговым разрядом, таситрон и др.).

Долгое время в радиоэлектронике использовались исключи­ тельно электронные лампы и ионные приборы с термокатодом, а также ртутные вентили.

Впоследнее время разработаны новые типы ионных приборов

схолодным катодом и новые методы их применения. Эти приборы могут заменить в функциональных схемах несколько полупровод­ никовых приборов или электронных ламп. Они дешевы в производ­ стве и просты по конструкции, имеют большой кпд и долговечны. Функции, которые могут выполнять приборы с холодным катодом,, довольно многогранны: индикация электрического состояния, ста­ билизация напряжения, счет импульсов, счет ядерных частиц, пе­ реключение и защита цепей, память и логические операции, мощное выпрямление, детектирование свч колебаний, освещение (газосвет­ ные лампы) и т. д. Начинаетизучаться и использоваться детектор­ ное свойство плазмы в диапазоне свч.

Использованию ионных приборов с холодным катодом в радио­ электронике способствует возможность саморезервирования (вклю­ чение двух приборов параллельно) и самосигнализация (при ра­ боте прибор светится), что ускоряет обнаружение неисправных це­ пей и приборов. Кроме того, некоторые типы этих приборов'легкодополняют в схемах полупроводниковые приборы, упрощая тем са­ мымконструкцию устройства. В мощных устройствах, газоразряд-

290

.ные приборы экономичнее электровакуумных, поскольку они имеют

.меньшие потери и габариты, большие мощности и коэффициент ■управления по току.

Рассмотрим физические процессы, протекающие в разрядном промежутке между анодом и холодным катодом в баллоне, запол­ ненном газом. В разрядном промежутке (рис. 5.1а) под действием

Рис. 5.1. Вольтамперная характеристика электрического разряда в газе и схе­ ма ее получения

•внешнего ионизатора (света, радиоактивного излучения и других воздействий) образуется небольшое число свободных электронов и

.ионов. Одновременно происходит и обратный процесс — рекомби­ нация свободных электронов и ионов. Эти процессы находятся в динамическом равновесии. При неизменной интенсивности иони­ затора число заряженных частиц остается постоянным. Если катод прибора активирован, то возможна эмиссия с его поверхности под действием тех же факторов.

При приложении внешнего поля в разрядном промежутке со­ здаются электронный и ионный токи. Ионный ток значительно меньше электронного, так как скорость движения «тяжелых» ионов меньше скорости движения электронов. Ток через прибор равен ■сумме электронного и ионного токов, поскольку разноименные за­ ряды перемещаются во встречных направлениях. Электроны, дви­ гаясь к аноду, и ионы, двигаясь к катоду, в разрядном промежутке могут соударяться с молекулами газа. Если их энергия, зависящая -от внешнего напряжения, велика, то возможно возбуждение или ионизация атома. Напряжения, при которых происходят эти про­ цессы, называются соответственно напряжением возбуждения UD и напряжением ионизации Ui. Из возбужденного состояния, когда электрон находится на более высоком энергетическом уровне, че­ рез малое время (порядка ІО- ? с) атом переходит в нормальное со­ стояние. При этом излучается квант света. Возбужденные атомы,

переход которых в нормальное состояние без внешнего воздействия

трон на элементарной длине dx производит adx ионизаций. Следо­ вательно, число электронов в лавине при прохождении ими расстоя­

292

ния dx увеличивается на dn = andx. Проинтегрировав это выражение от Л'=0 (катод) до ха (анод), найдем число электронов, достигаю­ щих анода: па = Поехр(~аха) . Число ионов, образовавшихся при этом,

пл>«о, то число электронов лавинообразно увеличивается, но ток в разряде ограничивается внешним резистором. При заданных значе­ ниях Е и Я устанавливается стационарный режим, при котором ла­ винообразному процессу нарастания электронов препятствует по­ ложительный объемный заряд скопившихся у катода ионов.

Вновр образованная лавина пя электронов на своем пути к ано­ ду создаст ял[ехір (аха)—й] ионов, которые выбьют о катода уплі[ехір (ctXa) —1] новых электронов. В стационарном режиме, ког­ да ток катода постоянен, число вновь полученных электронов вме­ сте с электронами, созданными внешними ионизаторами, должно быть равно

Пм= По + у пл [ехр (а ха) — 1 ] или пл = п0/{ 1— у[ехр (а ха) — 1]}. В стационарном режиме

па = пл ехр (а ха) = п0 ехр (а ха)/{1— у [ехр (а ха)\).

Умножив обе части последнего равенства на заряд q электрона, получим выражение для плотности тока в анодной цепи:

где /о — плотность тока, возникающего под действием внешнего ионизатора.

Виды электрических разрядов в газе

Если у[ехр(саа)—1]С I , то плотность анодного тока /а зависит от /о. В отсутствие внешнего ионизатора /о=0 и разряд пре­ кращается, поэтому он называется несамостоятельным.

Если у [ехр(аха) —1]= 1, т. е. каждый выбитый с катода электрон под действием всех видов ионизаций образует один новый элект­ рон, то разряд будет поддерживаться и после прекращения дейст­ вия внешнего ионизатора. Такой разряд называется самостоятель­ ным. Напряжение, при котором развивается самостоятельный раз­ ряд, называется напряжением зажигания.

Интенсивность ионизации зависит от рода газа, давления и температуры в баллоне, а также от разности потенциалов на элек­ тродах. Если все параметры, кроме разности потенциалов, остают­ ся неизменными, то вид разряда отображается вольтамперной ха­ рактеристикой, приведенной рис. 5.16. Аргументом характеристики является ток через прибор, поскольку разность потенциалов зави­ сит от состояния ионизированного газа. Участок AB соответствует несамостоятельному лавинному разряду. Напряжение-'на приборе мало и интенсивность ионизации мала, ток огранйчиваетея боль-

шим сопротивлением резистора R. При повышении напряжения на приборе развивается самостоятельный лавинный разряд, который называется темным или тихим разрядом (область ВС).

Темный или тихий самостоятельный лавинный разряд (область ВС на рис. 5.16) не светится, а электрическое поле в разрядном промежутке определяется в основномпотенциалами и положением всех ограничивающих разряд поверхностей и пренебрежимо ма'ло искажается объемными зарядами. Этот разряд устойчив при боль­ шом сопротивлении ограничивающего резистора R.

После зажигания разряд может поддерживаться при напря­ жении, меньшем U3l так как начинает меняться конфигурация элек­

медленнее электронов, поэтому они создают у поверхности катода избыточный положительный заряд. У поверхности анода, где пре­ обладают электроны, создается небольшой (из-за высокой скорости электронов) отрицательный пространственный заряд (рис. 5.28). Эти заряды искажают поле в приборе. Можно считать, что практи­ чески почти все приложенное напряжение падает на узкой области d вблизи катода, называемой областью катодного падения. Область разряда с почти неизменным потенциалом носит название положи­ тельного столба (рис. 5.2а). После анода ускоряет электроны, глав­ ным образом, в области катодного падения, поэтому там и проис­ ходит основная ионизация. Интенсивность ионизации nKd больше первоначальной -аХц, и поэтому напряжение, при котором поддер­ живается разряд (напряжение горения), может быть меньше на­ пряжения зажигания.

Тлеющий разряд — электрический разряд, при котором электри­ ческое поле в разрядном промежутке определяется в основном ве­ личиной и расположением объемных разрядов, характеризуемый налич-ием катодного падения потенциала, значительно -большего, чем потенциал ионизации газа, а также испусканием электронов катодом под действием ударов о него тяжелых частиц. Этот разряд бывает трех видов: поднормальный, нормальный и аномальный. .

Поднормальный тлеющий разряд (область CD на рис. 5.16) характеризуется уменьшением потенциала, при котором поддержи­ вается разряд. Граничная точка С, положение которой зависит от многих факторов, определяется началом шнурования (стягивания) разряда у катода. При шнуровании рабочая поверхность катода, подвергающаяся ударам ионов и эмиттирующая вторичные элект­ роны, сокращается, а плотность тока увеличивается. Переход из точки С в точку D в некоторых случаях может быть скачкообраз­ ным.

Нормальный тлеющий разряд (область DE на рис. 5.16), зани­ мающий часть поверхности катода, при постоянной (нормальной) плотности тока характеризуется незначительным изменением на­ пряжения на приборе. Последнее объясняется тем, что хотя при малых значениях d с их уменьшением напряженность поля Е и ко­

294

эффициент а растут, но произведение аксі уменьшается, что дол­ жно вызвать увеличение напряжения на приборе. Однако напряже­ ние не увеличивается до 'тех пор, пока вся поверхность катода не покроется разрядом.

Этот эффект объясняет причины шнурования разряда. С увели­ чением плотности тока на каком-либо участке поверхности катода падение напряжения на ограничительном резисторе возрастает. На­ пряжение на приборе падает, поэтому на участках с меньшей плот­ ностью тока условие существования разряда не будет выполняться, и плотность тока будет продолжать уменьшаться, а на первона­ чальном участке она увеличится до нормальной и разряд стянется к этому участку катода. Нормальное напряжение {/ПОрм зависит от материала катода и рода газа, наполняющего прибор, поскольку они определяют коэффициенты а и у, характеризующие условия су­ ществования самостоятельного разряда. Например, для марганца в аргоне £/Норм=103 В и т. д. Максимальный ток через прибор при нормальном разряде определяется площадью катода (положение точки Е на рис. 5.1а) и измеряется единицами и десятками милли­ ампер. Свойство катода, заключающееся в том, что его светящаяся площадь прямопропорциональна току через прибор, можно исполь­ зовать для измерения тока (аналоговые линейные измерители тока).

Аномальный тлеющий разряд (область EF на рис. 5.16) харак­ теризуется плотностью тока, большей нормальной. При этом виде разряда возрастает число ионизаций, уменьшается ширина области катодного падения и повышается напряженность поля, а также усиливается бомбардировка катода ионами и его распыление.

Дуговой разряд (область GH на рис. 5.16) — электрический разряд, при котором электрическое поле в разрядном промежутке определяется в основном величиной и расположением в нем объем­ ных зарядов. Он характеризуется малым катодным падением по­ тенциала (порядка или меньше ионизационного потенциала газа), а также интенсивным испусканием электронов катодом благодаря термоэлектронной или электростатической эмиссии.

Аномальный разряд переходит к дуговому в точке F. Постепен­ ное сужение области катодного падения с ростом напряжения на приборе приводит к качественно новой картине дугового разряда. С ростом напряженности поля у поверхности катода уменьшается высота потенциального 'баірьера ((эффект Шоттки). При боль­ ших значениях напряженности { Е ^ ІО6 В/см) барьер становитсястоль тонким, что возникает туннельный эффект (см. с. 148), резко увеличивающий ток эмиссии с холодного катода. Это явление на­ зывается электростатической эмиссией. Нередко нужно учитывать и термоэмиссию, обусловленную нагреванием катода ударами иойов. Коэффициент у резко возрастает и для поддержания разряда [ф-ла (5.1)] достаточно меньшего числа ионизации аха, что достигается при меньшем напряжении на приборе.

цо*

295

Дуговой разряд на катоде также шнуруется, стягиваясь в ярко светящуюся точку, называемую катодным пятном.. Катодное пятно характеризуется повышенной температурой и является мощным ис­ точником электронов, поэтому токи в дуговом разряде могут дости­ гать сотен ампер. Другой разряд имеет много разновидностей, определяемых материалом катода, родом газа и его давлением.

Ионный прибор с холодным катодом может работать в любом из вышеприведенных режимов. Универсальный прибор, работаю­ щих в любом режиме, не изготавливают. Прибор рассчитывают для работы в определенном режиме разряда и защищают от перехода в режим с большим током ограничительным резистором R.

5.2. ИОННЫЕ ПРИБОРЫ С ХОЛОДНЫМ КАТОДОМ

Двухэлектродные газоразрядные приборы

Н ЕО Н О ВЫ Е Л А М П Ы

Неоновые лампы — двухэлектродные приборы тлею­ щего разряда, предназначенные для индикации напряжения. Они обычно работают в режиме аномального тлеющего разряда. По-

а)

ВМ И; г) модуляторная типаТМН;

I — анод; 2 — слюда; 3 — стекло; 4 — катод

лярность включения при симметричной конструкции электродов не имеет значения. Если конструкция лампы несимметрична, то отри­ цательный потенциал необходимо подавать на электрод ’ большей площади. Эти. лампы имеют красное свечение. Для них указывают­ ся в справочнике напряжение зажигания U3, напряжение горения Ur и -номинальный ток /н. Обычно Ur порядка нескольких десятков

вольт, но не более 300 В. Условное обозначение и некоторые типы неоновых ламп показаны на рис. 5.3.

296

Неоновая модуляторная лампа типа ТМН (рис. 5.3г) имеет анод с отверстием напротив торца цилиндрического катода. Со стороны купола баллона видно только яркую точку свечения в полости тор­ ца катода. Для устранения разряда между катодом и выводами анода последние заключены в стеклянные трубки. При изменении тока через прибор меняется яркость свечения катода. Эта лампа применяется в фототелеграфных аппаратах.

Вентиль тлеющего разряда — неоновая лампа с резко несим­ метричной конструкцией электродов. При одном полупериоде пере­ менного напряжения (когда минус на электроде большей площа-' ди) потенциал зажигания и горения здесь меньше, чем при другом полупериоде. Следовательно, ток через нагрузку, определяемый ее величиной и разностью і/ъх—UT, в этом полупериоде больший. В следующем полупериоде Ua и Ur выше, а ток через нагрузку мень­ ше и течет в противоположном направлении. Таким образом, сред­ нее значение тока через нагрузку отлично от нуля и имеет место выпрямление.

Дифференциальный (разностный) диод — неоновая лампа с большой разностью между напряжением зажигания и горения; при­ меняется в импульсных схемах. '

Неоновые лампы могут применяться во многих областях радио­

максимальный /макс и минимальный /МПц токи, при которых проис­

297

теристикіи / ? д = Л І / Ст/і(Лмакс—/мни) ■Чем это сопротивление меньше, тем меньше напряжение Д£/Ст и тем лучше стабилизация. Указы­ вается также максимально допустимый так /доп через стабилитрон. Номинальное напряжение стабилизации лежит в пределах 75-г- -М50 -В Неікотоірые типы стабилитронов имеют металлокерэтниче­ скую конструкцию. При этом уменьшаются габариты и повышает­ ся механическая и термическая стойкость прибора.

Стабилитроны коронного разряда имеют напряжение стабили­ зации порядка 0,5-^-30 кВ. В них применен водород и давление по­ вышено до сотен миллиметров ртутного столба. Это обусловливает меньший коэффициент объемной ионизации и повышенное нормаль­ ное напряжение. Разряд, возникающий

Стабилизация осуществляется при. токах через прибор, не пре­ вышающих сотен микроампер, поскольку ток создается движением ионов из короны к катоду. Напряжение зажигания выше напряже­ ния горения не более чем на, 100 В. Особенностью водородных вы­ соковольтных стабилитронов является наличие тока утечки поряд­ ка 0,5 мкА в непроводящем состоянии. Время зажигания коронного разряда составляет 15—30 с.

298

Л И Н Е Й Н Ы Й Г А З О Р А З Р Я Д Н Ы Й И Н Д И К А Т О Р

Прибор представляет собой стеклянную трубку, по длине которой расположены цилиндрический анод с окном, затяну­ тым сеткой, и стержневой катод. Он работает в режиме тлеющего разряда. При изменении тока через прибор линейно меняется -длина наблюдаемого через окно, светящегося участка катода (уве­ личивается площадь, занятая тлеющим разрядом). По сравнению со стрелочными индикаторами такой прибор дешевле, имеет яркую световую индикацию, малые габариты и вес, однако уступает им по точности. Имеются индикаторы типа ИН10, ИН12 с длиной светя­ щейся части 100 мм и потенциалом зажигания 115 В, измеряющие ток порядка О-т-5 мА. Эти индикаторы могут измерять и перемен­ ный ток.

РАЗРЯДНИКИ с в я з и

Разрядники связи предназначены для защиты от пе­ ренапряжения линий связи, обмоток выходных трансформаторов и т. д. Если напряжение на линии становится больше напряжения зажигания, в разряднике развивается дуговой или тлеющий раз­ ряд, сопротивление его падает соответственно до нескольких омов или неокольких килоомов, и весь ток при перена­ пряжении .проходит через разрядник, минуя защи­ щаемую цепь. В нормальном состоянии сопротив­ ление разрядника определяется сопротивлением междуэлектродной изоляции и составляет десятки мегомов. После снятия перенапряжения разрядник восстанавливает свое сопротивление и может вы­ полнять функции защиты многократно.

Маломощными разрядниками тлеющего разря­ да, допустимый ток которых не превышает десят­ ков миллиампер, служат неоновые лампы.

Разрядники дугового разряда имеют допусти­ мый ток порядка десятков ампер. 'Конструкция раз­

микросекунд, напряжение зажигания U3 = 350 В, напряжение горе­ ния £/г=,Ш В, допустимый ток /Доп=30 А (при длительности раз­ ряда 10 с, поскольку он определяется нагревом электродов).

Резонансные разрядники сеч (рис. 5.8) применяются для защи­ ты входа приемника радиолокационной, станции от перегрузки при излучении передатчиком зондирующего импульса мощности в не-

299