МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра электронных приборов и устройств

отчет

по лабораторной работе №4

по дисциплине «Плазменная электроника»

Тема: Исследование приборов тлеющего разряда

Студенты гр. 0207 _________________ Маликов Б.И.

_________________ Горбунова А.Н.

_________________ Щубрет С.Л.

Преподаватель _________________ Карзин В.В.

Санкт-Петербург

2022

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является ознакомление с основными формами тлеющего разряда и исследование работы приборов на его основе.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Тлеющий разряд – это самостоятельный разряд в газе с холодным катодом. Эмиссия электронов в этом разряде возникает в результате бомбарди- ровки катода положительными ионами. Такой механизм эмиссии относительно неэффективен, поэтому для тлеющего разряда характерны небольшая плотность тока (2…10 мА/см²) и большое катодное падение напряжения (порядка 100…300 В) для катодов из чистых металлов.

В приборах тлеющего разряда используется, как правило, «короткий» разряд, когда расстояние между электродами порядка критического. В этом случае источником излучения является свечение, возникающее в катодном падении напряжения. Спектр излучения зависит от состава наполняющего газа. Обычно используется неон и смеси на его основе, дающие оранжево-красный цвет свечения.

Вольт-амперная характеристика тлеющего разряда представлена на рис. 1. На этой характеристике можно выделить два характерных участка. Участок 1 с постоянным значением напряжения разряда, который наблюдается при токах, не превышающих некоторого значения. При токах выше указанного наблюдается рост напряжения на разряде при возрастании разрядного тока (участок 2).

Рис. 1 – Вольт–амперная характеристика тлеющего разряда

Разряд на первом участке получил название нормального тлеющего разряда. Для него справедлив закон Геля, который гласит, что разрядное напряжение и плотность катодного тока не зависят от разрядного тока. При этом площадь катода, участвующая в разряде, меньше площади его поверхности и пропорциональна разрядному току. Если сила тока такова, что вся поверхность катода покрыта свечением, то с ростом тока его плотность и разрядное падение напряжения возрастают. Такой разряд называют аномальным тлеющим разрядом.

Тлеющий разряд – слаботочный разряд. При токах порядка 1 A появляется тенденция к его переходу в дуговой разряд. В связи с этим приборы тлеющего разряда имеют максимальные токи в пределах до 0,1 A. В аномальном тлеющем разряде с увеличением тока возрастает яркость свечения на катоде и усиливается распыление материала катода под действиием ионной бомбардировки.

Слабоаномальный тлеющий разряд используется в различных индикаторах, в газоразрядных индикаторных панелях и в плазменных телевизионных экранах. Нормальный тлеющий разряд используется в параметрических стабилизаторах напряжения.

Аномальный тлеющий разряд в настоящее время находит широкое применение в электронном производстве для очистки и траления деталей.

Для расчета схемы включения, изображенной на рис. 2, рассмотрим работу стабилизатора напряжения.

Допустим, что величина входного напряжения дана - , в этом случае прямая, проведенная через значение на оси ординат к оси абсцисс под углом (линия сопротивления) при пересечении с ВАХ дает точку устойчивого горения разряда в данном режиме. При этом будет и на нагрузке, т.к. она подключена параллельно стабилитрону, а - значение напряжения на балластном сопротивлении , создаваемое . При изменении величины входного напряжения например, в сторону увеличения, до значения линия сопротивления переместится параллельно себе самой и дает новую точку пересечения с ВАХ стабилитрона. При этом будет незначительно отличаться от , а падение напряжения на балластном сопротивлении изменится за счет увеличения . Таким образом, при работе стабилизатора напряжения рабочая точка будет перемещаться по ВАХ. Ограничив ее движение в пределах пологой части характеристики, достаточной для качественной стабилизации напряжения, получаем значение и , в пределах которых и будет работать стабилитрон.

Рис. 2 - Схема включения стабилитрона

Рассматривая схему рис. 2, можно записать:

; , отсюда

учитывая, что , можно записать:

Ток через прибор можно регулировать с помощью балластного сопротивления R_б, а также изменяя с помощью потенциометра значение U_вх. В лабораторной работе исследуются: экспериментальная лампа Л, имеющая плоскую конструкцию с рамочным анодом и неоновым наполнением; линейный индикатор ИН-9, имеющий катод в виде тонкой нити и цилиндрический анод с прорезями для наблюдения свечения, наполнение – смесь неона с аргоном; различные типы стабилитронов тлеющего разряда типа СГ3С, СГ4С.

СХЕМА ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Рис. 3 - Схема лабораторной установки

Обработка результатов измерений

1. Вольт-амперная характеристика лампы тлеющего разряда л. Значение напряжения возникновения разряда. Зависимость плотности тока на катоде от разрядного тока

Табл. 1

Вах лампы тлеющего разряда л, значения плотности тока на катоде

Ia, мА	0,62	0,7	0,78	0,9	1	1,1	2	2,6	3	3,4	4	6	15	20	30
UП, В	160	160	160	160	160	160	160	160	160	161	162	165	178	186	199
S, см2	1,8	3,1	3,8	4,2	4,8	5,1	8,5	10,5	11,2	11,8	11,8	12	12	12	12
J, мА/см2	0,34	0,23	0,21	0,21	0,21	0,22	0,24	0,25	0,27	0,29	0,34	0,50	1,25	1,67	2,50

Рис. 4 – Вольт-амперная характеристика лампы тлеющего разряда Л

Таким образом, значение напряжения возникновения разряда: U_П = 160 В

Пример расчета плотности тока на катоде от разрядного тока:

J = = = 0,34 мА/см²

Рис. 5 – График зависимости плотности тока на катоде от разрядного тока

2. Вольт-амперная характеристика индикатора ин-9. Значение напряжения возникновения разряда. Градуировочная характеристика индикатора: зависимость длины светящегося столба от разрядного тока

Табл. 2

Вах лампы тлеющего разряда л, значения длины светящегося столба

Ia, мА	0,46	0,6	0,72	0,9	1	1,1	1,5	2	3	3,6	4	6	7	15,5	25
UП, В	104,2	104,2	104,2	104,2	104,2	104,2	104,2	104,2	104,2	104,2	104,2	104,2	104,3	104,9	108,8
l, мм	4	5	6	7	8	8,5	9,5	14	22	26	32	38	46	75	75

Рис. 6 – Вольт-амперная характеристика индикатора ИН-9

Таким образом, значение напряжения возникновения разряда: U_П = 104,2 В

Рис. 7 – График зависимости длины светящегося столба от разрядного тока

3. Вольт-амперная характеристика стабилитрона сг3с

Табл. 3

Вах стабилитрона сг3с

Ia, мА	0,18	0,4	0,6	0,8	1	1,1	1,5	2	3	3,5	4	5,5	15	25	50
UП, В	104,2	104,2	104,2	104,2	104,2	104,2	104,2	104,2	104,2	104,2	104,2	104,2	104,3	104,9	108,8

Рис. 8 – Вольт-амперная характеристика стабилитрона СГ3С

ВЫВОД

Анализируя вольт-амперную характеристику лампы тлеющего разряда Л (рис. 4), делаем вывод о наличии на данной ВАХ двух участков, а именно: участок 1 (постоянное напряжение разряда) – значения разрядного тока от 0 до 3 мА; участок 2 – начиная с 3 мА и выше. Разряд на участке 1 – нормальный тлеющий разряд, на участке 2 – аномальный тлеющий разряд. При этом, для участка 1 справедлив закон Геля (разрядное напряжение и плотность катодного тока не зависят от разрядного тока). Подтверждение данного закона можно получить, опираясь на график зависимости плотности тока на катоде от разрядного тока (рис. 5). Значения плотности тока на данном графике до 3 мА разрядного тока практически не изменяются, что говорит о справедливости закона Геля. При этом, на участке 2 вся поверхность катода покрыта свечением, и, соответственно, с ростом тока его плотность и разрядное падение напряжения возрастают, что характерно для аномального тлеющего разряда.

Также, анализируя вольт-амперную характеристику индикатора ИН-9 (рис. 6), можно прийти к таким же выводам: разделить ВАХ на 2 участка, при этом, для индикатора ИН-9 участок, соответствующий нормальному тлеющему разряду, будет определен на промежутке от 0 до 6 мА, а с 6 мА и выше – участок аномального тлеющего разряда. И, опираясь на градуировочную характеристику индикатора (рис. 7), делаем вывод, что с увеличением разрядного тока значение длины светящегося столба также увеличивается.

И, анализируя вольт-амперную характеристику стабилитрона СГ3С (рис. 8), делаем вывод, что участок нормального тлеющего разряда наблюдается на участке ВАХ от 3 до 25 мА. То есть, данный участок характеризуется стабильностью напряжения между электродами при изменении тока.