МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

Кафедра ЭПУ

Реферат на тему:

«Водородные тиратроны»

Выполнил: Минаков Д. А.

Факультет электроники

Группа № 7203

Проверил: Барченко В. Т.

Выполнено” “____” ___________

Подпись преподавателя __________

2011 г.

Содержание

Введение…………………………………………………………………………...…….3

1. Характеристики тиратронов..……..........................................................................……4

2. Импульсные водородные тиратроны……………........................................................10

   1. Особенности работы……………………………………….……...……..…….10

   2. Особенности эксплуатации………………………………………………..…..13

3. Система обозначений......................................................................................................15

Заключение………………………………………………………………...........………16

Список литературы………………………………………………...…...........…………17

Введение

[1] Тиратроном называют газоразрядный выпрямитель, снабженный одним или несколькими добавочными электродами-сетками. Водородные тиратроны относятся к типу тиратронов с накаливаемым катодом (есть также тип тиратронов с холодным катодом, здесь он рассматриваться не будет). Современные водородные тиратроны имеют оксидные катоды косвенного накала. [2]

[1] Тиратроны с накаливаемым катодом являются, большей частью, мощными газоразрядными управляемыми приборами и принадлежат к приборам несамостоятельного дугового разряда в инертных газах. Предназначены для выпрямления и преобразования переменного тока промышленной частоты 50 Гц. Кроме выпрямления и преобразования некоторые типы тиратронов применяются (в зависимости от мощности) в электроприводе, релаксационных схемах, в релейных, инверторных, контролирующих, защитных и сварочных устройствах.

Мощный тиратрон с накаливаемым катодом — это трехэлектродный выпрямительный прибор, имеющий анод, катод и сетку (управляющий электрод), предназначенную для управления зажиганием.

Баллоны тиратронов наполняются инертными газами (низковольтные приборы), ртутными парами (высоковольтные) или водородом (импульсные тиратроны).

Рис. 1. Тиратронный коммутатор триодной конструкции: 1 – анод; 2 – катодно-сеточная область; 3 – керамическая оболочка; 4 – анодная камера; 5 – сетка; 6 – катодный узел

1. Характеристики тиратронов

[1] В тиратроне используется электростатическое управление возникновением разряда на анод. В запертом состоянии на сетку подается значительное отрицательное смещение. Так как электроны, эмиттируемые катодом, имеют среднюю энергию в несколько электрон-вольт, то указанного отрицательного смещения достаточно для торможения даже самых быстрых из них. В пространстве сетка-анод существует сильное ускоряющее электрическое поле, однако, поскольку через отверстия сетки электроны почти не проходят, разряд в этом пространстве развиться не может.

При уменьшении абсолютного значения потенциала тормозящее поле сетки ослабевает, и все большее число электронов начинает проникать в пространство сетка-анод. Ускоряясь, эти электроны приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов или молекул газа. В результате появившиеся вторичные электроны вместе с первичными уходят на анод, а ионы, двигаясь по направлению к катоду и попадая в сеточные отверстия, экранируют поле сетки, вызывая тем самым приток новых электронов и лавинообразное нарастание тока. В итоге формируется плазма, возникающая сначала в области анода, а затем постепенно заполняющая все пространство анод—катод, за исключением катодной области. Поскольку плазма обладает высокой проводимостью, тиратрон отпирается. Электрическое поле сетки при развившейся плазме полностью экранировано ионной оболочкой, так что сеточный потенциал никак не влияет на протекание тока в тиратроне. Для свободного прохождения тока толщина ионной оболочки вокруг отверстия сетки должна быть незначительна, так чтобы центральные участки отверстий сеток были свободны от действия поля сетки.

При выключении тиратрона путем снятия напряжения с анода постепенно происходит распад плазмы - заряженные частицы плазмы соединяются друг с другом (рекомбинируют) на стенках или в объеме. По мере уменьшения концентрации зарядов толщина сеточных оболочек падает до тех пор, пока не наступает момент их смыкания. Этот момент соответствует началу восстановления управляющего действия сетки. При дальнейшем спаде концентрации заряженных частиц действие электрического поля сетки нарастает до тех пор, пока ее управляющие свойства не восстановятся полностью.

Из проведенного описания можно сделать вывод, что тиратроны с накаливаемым катодом должны иметь две важные характеристики.

Первая из них (рис. 2) – анодно-сеточная пусковая характеристика связывает между собой анодные U_a и сеточные U_c напряжения, соответствующие возникновению разряда. Очевидно, что область выше этой характеристики является областью зажигания.

Рис. 2. Анодно-сеточная пусковая характеристика тиратрона

При нагрузке анодным током происходит смещение характеристики вниз - "разбежка". Она связана с появлением падения напряжения на сеточном резисторе Rc из-за протекания тока термоэлектронной эмиссии сетки. При этом фактический потенциал сетки оказывается выше, чем напряжение подключенного к ней источника.

Вторая характеристика (рис. 3) – иллюстрирует процесс восстановления во времени сеточного запирания, т.е. изменения во времени электрической прочности анодного промежутка.

Она представляет собой зависимость допустимого напряжения, которое можно приложить к аноду тиратрона без возбуждения основного разряда (отпирания), от времени, прошедшего после прекращения тока основного разряда, U_в = f(t). Горизонтальный участок кривой длительностью Θ₀ соответствует интервалу времени до смыкания ионных оболочек вокруг сетки. Для того чтобы в этот период в тиратроне не существовал основной разряд, к его аноду нужно прикладывать напряжение, меньшее напряжения поддержания дугового разряда.

Рис. 3. Зависимость допустимого напряжения, которое можно приложить к аноду тиратрона без возбуждения основного разряда (отпирания), от времени, прошедшего после прекращения тока основного разряда

Для лучшего понимания роли кривой восстановления сеточного запирания на этом же графике показаны кривые нарастания реального анодного напряжения на тиратроне U_a(t). В режиме, соответствующем кривой 1, пересекающейся с кривой восстановления сеточного запирания, тиратрон даже при отрицательном напряжении на сетке повторно зажигается в момент времени Θ₁ т.е. теряет управляемость по сетке. В режиме, соответствующем кривой 2, характеризуемой меньшей скоростью нарастания анодного напряжения, этого не происходит и режим можно рассматривать как нормальный.

Тиратроны с газовым наполнением имеют характеристики, мало зависящие от температуры окружающей среды. Они могут работать при колебаниях температуры внешней среды от -25 до +45 °С. Это является их главным преимуществом перед ртутными тиратронами, для которых внешняя температура должна быть ограничена определенными пределами (рабочий диапазон температур ртутных тиратронов от 15 до 25 °С). [3] Превышение этой температуры приводит к росту давления и понижению пробивной прочности. При температурах ниже допустимой затрудняется возникновение разряда.

[1] В тиратронах с газовым наполнением выделяющийся в оксидных катодах барий не амальгамируется, как это происходит в ртутных тиратронах. Для разложения амальгамы бария ртутным тиратронам необходим восстановительный разогрев (режим) длительностью от 0,5 до 2 ч в зависимости от мощности прибора.

Тиратроны с газовым наполнением эксплуатируются в любом положении. Ртутные – только в вертикальном, горловиной вниз, чтобы стекающая в нее ртуть имела температуру, мало зависящую от изменения режима работы тиратрона.

Рис. 4. Два типа конструкции тиратронов

Конструктивно тиратроны изготовляют по двум типам (рис. 4).

В первом случае (рис. 4, а) электроды располагаются один над другим по вертикали в различных горизонтальных плоскостях. Такая конструкция типична для тиратронов средней и большой мощности с выводом анода на верхнюю часть баллона. При больших размерах электродов и баллона такое расположение конструктивно более удобно и механически более жестко.

Во втором случае (рис. 4, б) электроды располагаются по сечению в одной горизонтальной плоскости, аналогично электродам электровакуумных ламп. Такая конструкция используется в маломощных тиратронах, наполняемых инертными газами и имеющих стандартную октальную цоколевку.

Сетки тиратронов выполняются чаще всего в виде никелевых, молибденовых или графитовых дисков с отверстиями разной формы и величины.

Рис. 5. Типы сеток, используемых в тиратронах

Наиболее выгодное использование однощелевой сетки (рис. 5, а) получается при выполнении электродной системы аналогично электровакуумным приборам, в горизонтальной плоскости. В тиратронах малой и средней мощности (до 3-5 А) применяется однодырчатая сетка (рис. 5, б), которая имеет сравнительно малую приемную поверхность, что обусловливает и малые сеточные токи. Достоинством конструкции сетки является то, что она частично защищена от попадания продуктов испарения катода. Однако через однодырчатую сетку нельзя пропустить значительные токи из-за возможного разрыва дуги, значительных потерь в сетке и локализации мощного разряда на относительно небольшом участке поверхности анода. Поэтому в мощных тиратронах применяется многодырчатая сетка (рис. 5, в). Большое число сравнительно небольших отверстий на большой площади позволяет сохранить высокие управляющие свойства такой сетки и одновременно предотвратить значительное повышение напряжения или разрыв дуги с ростом тока. В некоторых случаях для получения малой проницаемости сеток целесообразно применять двойную многодырчатую сетку, что уменьшает напыление оксида на ответственные участки сетки и увеличивает пробивное напряжение.

К недостаткам многодырчатых сеток следует отнести большую приемную поверхность, что обусловливает большие сеточные токи и повышает вероятность загрязнения сетки продуктами испарения катода.

С ростом мощности прибора увеличивается число отверстий, а следовательно, и площадь сетки. Поэтому в мощных высоковольтных и импульсных приборах, рассчитанных на токи в сотни ампер, применяются многощелевые или решетчатые сетки (рис. 5, г, д). Многощелевую сетку получают из многодырчатой, соединяя ряд отверстий щелью. Это уменьшает плотность тока, приходящуюся на отверстие, и увеличивает допустимый ток на прибор при той же общей поверхности сетки.

С увеличением тока и напряжения тиратрона возрастают требования к обезгаживанию сетки, чистоте ее поверхности и уменьшению поверхностей жестчения. В этом случае наряду с многощелевой применяется решетчатая сетка, масса которой невелика. Последнее облегчает обезгаживание сетки.

Рис. 6. Схема двухсеточного тиратрона

В тиратронах при достаточно больших анодных напряжениях может возникнуть самостоятельный тлеющий разряд между сеткой и анодом. Чтобы устранить это вредное явление и повысить предельное напряжение, в тиратрон вводится еще одна — экранирующая сетка (рис. 6). Она позволяет также расширить частотный диапазон. Двухсеточные тиратроны работают на частотах до 500 Гц.

Уменьшение времени восстановления может быть достигнуто за счет уменьшения расстояния между электродами и развитием их поверхности. Этот путь привел к созданию экранированных тиратронов. В них весь газоразрядный объем, включая анод и катод, ограничен металлическим экраном. Экран у сеточного электрода имеет две диафрагмы, разделяющие межэлектродное пространство на три секции: катодную, сеточную и анодную. Экран с диафрагмами представляет собой экранирующую сетку тиратрона, на которую относительно катода может подаваться тот или другой потенциал. В зависимости от потенциала экранирующей сетки пусковые характеристики тиратрона могут смещаться из области отрицательных напряжений U_c в область положительных значений U_c. Это значительно расширяет возможности тиратрона как управляемого прибора.

Экранирующая сетка своими диафрагмами осуществляет электростатическую экранировку управляющей сетки от поля катода и анода и ограничивает объем деионизации, в основном, сеточной секцией. Такая конструкция сеточного узла позволяет уменьшить габариты управляющей сетки, снизить ее предразрядный ток до сотых и тысячных долей микроампера, повысить рабочие напряжения тиратрона и расширить его частотный диапазон.

Катоды мощных тиратронов – подогревные, с оксидным покрытием. Аноды выполнены из никеля или графита.

В режиме выпрямления управление величиной анодного тока осуществляется изменением напряжения на управляющей сетке или изменением фазы между сеточным напряжением и анодным, чем достигается регулировка длительности прохождения тока тиратрона в течение положительного полупериода анодного напряжения. Существуют три метода управлений анодным током тиратрона: амплитудный, фазовый и импульсный.

При амплитудном управлении к сетке тиратрона подводится переменное напряжение, совпадающее по фазе с анодным. В зависимости от величины сеточного напряжения изменяется зажигание тиратрона, а следовательно, и величина среднего значения анодного тока. Недостатком этого метода является невозможность плавно регулировать величину анодного тока в широких пределах.

При фазовом управлении можно изменять сдвиг фаз между переменным сеточным и переменным анодным напряжениями, что изменяет момент зажигания в течение положительного полупериода, а также изменяет среднее значение выпрямленного тока.

При импульсном управлении на сетку тиратрона подается кратковременный импульс напряжения величиной, достаточной для зажигания. Кратковременность импульса на сетке позволяет тиратрону срабатывать точно в определенный момент (фазу) полупериода. Момент подачи импульса можно изменять в пределах всего полупериода, чем регулируется среднее значение выпрямленного тока. Наиболее стабильным и надежным является импульсный метод управления.