3. Релаксаційний генератор на неоновій лампі.

Неонова лампа - газорозрядний прилад, конструктивно виконаний у вигляді скляного балона заповненого неоном при невеликому тиску (10-15 мм.рт.ст.). В балон впаяні два електрода, розташованих на відстані 1-3 мм. Характерною властивістю неонової лампи є те, що вона починає проводити струм при певному значенню напруги між електродами і ця напруга називається напругою запалюванняU_з. При цій напрузі має місце самостійний розряд в неоні у вигляду тліючого розряду. Напруга запалювання залежить від відстані між електродами, їх форми, а також від тиску і природи газу. Після запалювання лампа може світитись при більш низькій напрузі і гасне при напрузіU_г(напруга гасіння). Вольт-амперна характеристика неонової лампи приведена на рис. 53.3. При малих напругах між електродами струм через лампу відсутній, при досягненні напруги запалювання в лампі виникає самостійний розряд і струм стрибком досягає значенняI_з(струм запалювання). При подальшому збільшенні напруги (ділянка 1‑2) струм в лампі зростає (явища насичення не розглядаємо).

Якщо зменшувати напругу, то зменшення струму характеризується ділянкою 2-3 (яка близька до ділянки 1-2)

При досягненні напруги U_г, яку називаються напругою гасіння, струм через лампу стрибком спадає до нуля і лампа гасне.

Для спрощеного математичного опису релаксаційного генератора на неоновій лампі користуються ідеалізованою вольт-амперною характеристикою лампи (рис. 53.4), де ділянки 1‑2 та 2‑3 співпадають. У відповідності з цією характеристикою внутрішній опір лампи R_iє розривною функцією від напругиU. Дійсно, при збільшенні напруги від нуля до напруги запалюванняU_зопір лампи дорівнює нескінченостіR_i=(струм відсутній). В області значеньU> U_зопір лампи має певне кінцеве значення, яке згідно закону Ома дорівнює. Значення цього опору чисельно дорівнює ctg(рис. 53.4).

Принципова схема релаксаційного генератора на неоновій лампі наведена на рис. 53.5. Паралельно до неонової лампи приєднаний конденсатор ємністюС, який заряджається через резистор опоромRвід джерела постійного струму. Напруга між обкладинками конденсатора вимірюється вольтметром і регулюється потенціометром П.

При вмиканні кола спочатку відбувається зарядка конденсатора (неонова лампа не горить). Закон зміни напруги на конденсаторі при його зарядці можна знайти, застосовуючи другий закон Кірхгофа для контуру RC.

iR+U=U_o , (53.1)

де iR- напруга на резисторі при значенні струмуi,U- напруга на конденсаторі,U_o- напруга джерела струму (напруга на виході потенціометра). Так, як миттєве значення сили струму дорівнює

, (53.2)

а з означення ємності конденсатора - маємо

(53.3)

то отримаємо рівняння

(53.4)

Розв'язком такого рівняння за початкових умов U= 0 приt= 0 буде функція

(53.5)

Як видно з (53.5) напруга на конденсаторі асимптотично наближається до значення U_o(крива ОА, рис.53.6). Але раніше, ніж напругаUдосягне значенняU_o , лампа загориться. Спалах лампи відбувається при напрузіU= U_зі при цьому її опір стрибком змінюється відR=доR= const.

Якщо опір Rнастільки великий, так, що струм, який підводиться від джерела, значно менший розрядного струму через лампу, то конденсатор розряджається (крива АВ). В той момент, колиUстане рівнаU_г , лампа гасне і конденсатор знову починає заряджатись. Напруга на ньому зростає по кривій ВС, а потім знову відбувається розрядка (крива CD) і т.д., тобто процес буде періодично повторюватись.

Визначимо період таких релаксаційних коливань. Період Ттаких коливань складається з часу зарядки конденсатораt_зта часу його розрядкиt_р

Т=t_з+t_р(53.6)

Час зарядки конденсатора , як видно з рис. 53.6, можна визначити через різницю

t_з=t₂-t₁(53.7)

де t₂- час зарядки конденсатора до напругиU_з ,t₁- час зарядки конденсатора до напругиU_г.

В свою чергу значення t₂іt₁можна визначити за формулою 53.5

(53.6)

(53.7)

звідки

(53.8)

(53.9)

Тому

(53.10)

Якщо опір резистора Rзначно більший опору лампиR_і , то час зарядки конденсатораt_збуде значно більший часу розрядкиt_рі тому період релаксаційних поливань можна вважати приблизно рівнимT= t_з , тобто

(53.11)