11.3. Общие сведения об электровакуумных газоразрядных приборах

Разреженный газ, наполняющий предварительно откачанный до вакуума баллон прибора, при ионизации значительно уменьшает электрическое сопротивление промежутка между электродами в баллоне, что и используется в газоразрядных приборах.

Давление газа (или паров ртути) в баллоне прибора должно быть мало — в большинстве приборов порядка 10^–1 – 10³ Па. Это необходимо для того, чтобы средний свободный (т. е. без столкновений) пробег электронов в таком разреженном газе был достаточно большим. При таком пробеге даже при невысоких напряженностях электрического поля электроны приобретают энергию, необходимую для неупругого взаимодействия с атомами или молекулами газа или пара. При таком взаимодействии в отличие от упругого происходят возбуждение и ионизация атомов газа или паров, т. е. создаются дополнительные свободные электроны и положительные ионы.

Скорость движения электронов во много раз больше скорости движения относительно тяжелых положительных ионов; поэтому и в газоразрядных приборах основными носителями тока остаются свободные электроны Доля тока, образуемого движением положительных ионов, составляет обычно менее одной десятой общего тока через разрядный промежуток. Полезная роль положительных ионов заключается в том, что их заряды нейтрализуют объемный отрицательный заряд электронов. В разрядном промежутке образуется плазма — среда, для которой характерна высокая концентрация одинакового числа зарядов обоих знаков (примерно 10⁹–10¹² пар зарядов в 1 см³). Проводимость газовой плазмы близка к проводимости металлов, благодаря чему в газоразрядном приборе ток может достигать больших значений при малом напряжении между электродами.

Вследствие ионного характера проводимости процессы в приборе инерционные, что существенно отличает газоразрядные приборы от электронных. После снятия анодного напряжения часть ионов и электронов в баллоне в течение времени деионизации рекомбинирует, т.е. соединяется в нейтральные атомы газа у стенок баллона. Задержка деионизации делает газоразрядные приборы непригодными для работы в цепях токов высокой частоты.

Электрический разряд в газах может быть несамостоятельным и самостоятельным. Для возникновения и поддержки несамостоятельного разряда необходим вспомогательный источник энергии, создающий носители зарядов в газовой среде, — так называемый ионизатор. Например, несамостоятельный разряд возникает в результате термоэлектронной эмиссии нагреваемого катода. Для возникновения и поддержания самостоятельного разряда требуется только электрическое поле в газоразрядном промежутке.

В газоразрядных приборах может быть разряд двух видов: дуговой и тлеющий.

11.4. Приборы дугового разряда

Мощность цепи нагрузки газоразрядного прибора дугового разряда при равных габаритах в несколько раз больше, чем электронного. По этой причине практически управляемые приборы дугового разряда могут служить для непосредственного управления различного рода исполнительными механизмами.

Несамостоятельный дуговой разряд имеет место в газотроне и тиратроне, самостоятельный дуговой разряд — в игнитроне и ртутном вентиле. Последние применяются в выпрямительных устройствах большой мощности.

По устройству тиратрон — это триод, баллон которого заполнен сильно разреженным инертным газом или парами ртути. Условное обозначение тиратрона и его вольт-амперные характеристики показаны на рис. 11.7. В основном своем варианте тиратрон — прибор с подогревным катодом и несамостоятельным дуговым разрядом. Этот разряд возникает при определенном значении анодного напряжения — напряжении зажигания U₃. Напряжение зажигания тиратрона можно регулировать изменением напряжения между управляющей сеткой и катодом.

Отрицательный потенциал управляющей сетки относительно катода повышает напряжение зажигания, а положительный понижает. Пока тиратрон не зажегся, анодный ток I_A относительно мал. При зажигании тиратрона начинается ионизация газа. Как только в приборе устанавливается дуговой разряд, напряжение управляющей сетки перестает влиять на значение анодного тока. Положительные ионы газа обволакивает управляющую сетку и компенсируют ее отрицательный заряд.

Вольт-амперные характеристики тиратрона (рис. 11.7) подобны вольт-амперным характеристикам тиристора (см. рис. 10.26, а). Это определяет и общность их применения в качестве управляемых бесконтактных ключей.