ГЛАВА XIV ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ

ИОННЫЕ ПРИБОРЫ

Ионизация газа и электрический разряд. Ионными или газоразрядными приборами называются приборы, наполненные раз­реженным газом, в которых электрический ток создается не только под действием направленного перемещения свободных электронов, но и вследствие движения заряженных частиц газа — ионов.

Прежде чем приступить к объяснению устройства и работы газоразрядных приборов, рассмотрим процесс прохождения элек­трического тока в газе.

В обычных условиях в газе имеется весьма незначительное количество электрически заряженных частиц — свободных электронов и ионов и он представляет собой диэлектрик, так как преобладаю­щее большинство атомов и молекул газа является электрически не­заряженными — нейтральными.

Чтобы газ стал проводником, в нем должно быть значительное количество заряженных частиц — ионов. Процесс образования ионов в газе называется ионизацией.

Ионизация газа может произойти двумя путями: под действием внешнего влияния — нагревания лучистой энергией и под действием электрического поля, в котором находится газ.

Ионизация атомов и молекул газа заключается в том, что от них отрывается один или несколько электронов; при потере элек­тронов они становятся положительными ионами. Оторвавшиеся свободные электроны вместе с положительными ионами сами участвуют в создании тока, протекающего в газе.

Когда электрон присоединяется к нейтральной молекуле газа, то вследствие избытка электронов эта молекула газа становится отрицательно заряженным ионом. Таким образом, при ионизации •в газе образуются не только положительные, но и отрицательные ионы. Одновременно с процессом ионизации газа происходит и обратное явление, при котором ионы превращаются в нейтральные

атомы.

Превращение ионов газа в нейтральные атомы называется рекомбинацией.

Рекомбинация атомов приводит к тому, что в газе становится меньше заряженных ионов, поэтому его электропроводность пони­жается, а электрическое сопротивление возрастает.

Допустим, что в газе с большой скоростью перемещается элек­трон, который столкнулся при своем движении с нейтральной мо­лекулой и выбил из нее один электрон. Вследствие этого в газе появляются два свободных электрона и молекула становится по­ложительным ионом.

Если теперь эти два электрона при своем движении попадут в две другие молекулы и каждый также выбьет из них по электрону, то по­явится уже четыре свободных элект­рона и три атома станут положи­тельными ионами.

Четыре электрона, в свою оче­редь, произведут ионизацию еще че­тырех атомов газа. В результате это­го появится уже восемь электронов и семь положительных ионов. Таким образом, если этот процесс будет продолжаться, то количество заря­женных частиц в газе будет увели­чиваться лавинообразно. Рассмот­ренный процесс ионизации называет­ся ударной ионизацией.

Если к пластинам А и К газонаполненной трубки (рис. 197) подвести достаточно высокое напряжение U, то под действием сильной ионизации газ теряет свои электроизоляционные свой­ства—становится проводником.

В ионизированном газе под влиянием сил внешнего электрического поля возникает направленное перемещение электронов и ионов и между пластинами потечет электрический ток — начнется электрический разряд. При этом выделяется энергия, под действием которой происходит свечение ионизированного газа.

В процессе электрического разряда, под влиянием электриче­ского поля, создаваемого приложенным напряжением, отрицатель­ные ионы и электроны перемещаются к положительно заряженной пластине. Положительные ионы движутся в противоположном направлении, притягиваясь к пластине, имеющей отрицательный электрический заряд. Таким образом, электрический ток в газе представляет собой направленное движение положительно и отри­цательно заряженных частиц (ионов и электронов) в противопо­ложных направлениях.

Тлеющий разряд. В технике используются различные виды электрических разрядов в газе. Рассмотрим электрический разряд в газе, носящий название тлеющего.

При электрическом разряде повышение напряжения между электродами газонаполненной колбы до определенной величины приводит к интенсивной ионизации газа, при которой ток в газе резко увеличивается и достигает величины, иногда в тысячи раз больше первоначальной. Такой разряд называется тлеющим.

Электрический ток в газе в данном случае ограничивается сопротивлением r0, которое включается в цепь последовательно.

Тлеющий электрический разряд сопровождается довольно силь­ным свечением газа. Процесс образования тлеющего разряда протекает так.

Допустим что к аноду газонаполненной трубки подведены положительное, а к катоду -отрицательное напряжения. Электроны и отрицательные ионы газа

будут перемещаться к аноду, а положительно заряженные ионы в противоположном направлении, т. е. к катоду. При этом положительные ионы, по­падая на катод, ударяются о его поверхность, нагревают его и выбивают из него вторичные электроны, которые, в свою очередь, двигаясь к аноду, ионизируют атомы газа и вместе с тем увеличивают поток электронов, а следовательно, и ток в цепи анода.

Тлеющий разряд в газе может появиться и существовать лишь при определенном напряжении между электродами. Если напряжение меньше необходимого, то положительные ионы, летящие с небольшой скоростью и ударяющиеся о поверхность катода, не сумеют выбить из него электроны, в результате чего процесс ионизации ослабнет и может прекратиться.

Напряжение, при котором образуется тлеющий разряд, называется напряжением зажигания.

Напряжение зажигания зависит от ряда причин, и в том числе от состава и давления газа, расстояния между электродами, а также от материала и формы электродов.

На графике (рис. 198) показана характеристика тлеющего разряда. При увеличении напряжения от нуля до некоторого значения в приборе тлеющего разряда протекает весьма малый ток (микро амперы). Когда напряжение оказывается равным напряжению зажигания Uзажиг(точка Л), возникает тлеющий разряд. При напряжении зажигания резко возрастает ток (миллиамперы) и незначительно уменьшается напряжение на несколько вольт (∆U).

Понижение напряжения связано с тем, что с увеличением тока возрастает падение напряжения на внутреннем сопротивлении прибора и на ограничивающем сопротивлении.

До момента зажигания внутреннее сопротивление ионного при­бора очень велико и поэтому ток в его цепи ничтожно мал. При зажигании внутреннее сопротивление газового промежутка прибора резко уменьшается, а ток в цепи значительно увеличи­вается.

Участок ЛТ на графике соответствует процессу зажигания. После процесса зажигания напряжение в приборе с тлеющим раз­рядом остается почти постоянным (участок ТБ). Этот режим работы прибора называется нормальным.

Когда через прибор протекает малый ток, свечение возникает не вдоль всей поверхности катода, а лишь у части его. По мере возрастания тока рабочая часть катода увеличивается. При нор­мальном режиме разряда ток достигает максимальной величины (точка Б), вся поверхность катода охватывается свечением, т. е. становится рабочей. Участок БС характеристики соответствует такому режиму работы катода, при котором дальнейшее увеличение напряжения приводит к увеличению тока и к возрастанию плот­ности тока на катоде. В этом режиме усиливается яркость свечения газа около катода;

Дальнейшее увеличение напряжения приводит к возникновению дугового разряда, который опасен для прибора тлеющего разряда. Таким образом, появление тлеющего разряда можно обнаружить, по резкому увеличению тока, измеряемого миллиамперметром, но незначительному уменьшению напряжения, а также по свечению газа.

При дуговом разряде свечение газа становится еще более интен­сивным, а плотность тока значительно превышает плотность тока, возникающего при тлеющем разряде.

Дуговой разряд имеет много разновидностей. Он может появ­ляться в виде электрической дуги, используемой не только в неко­торых ионных приборах, но и в мощных прожекторах, а также при электросварке металлов.

Применяемый в технике искровой разряд также имеет сходство с дуговым разрядом. При таком разряде происходит кратковремен­ный (импульсный) электрический разряд.

НЕОНОВАЯ ЛАМПА

Неоновая лампа — это газоразрядная лампа (рис. 199), в кото­рой образуется тлеющий электрический разряд. Она представляет собой баллон 1 из стекла, наполненный смесью газов неона, гелия и аргона.

Внутри баллона помещаются два металлических электрода 2 и 3, находящиеся на некотором расстоянии один от другого.

Электроды соединяются с цоколем лампы 4, а лампа — с сетью через патрон.

Неоновые лампы выбираются по напряжению сети (127—220 в), по напряжению, при котором возникает электрический разряд (60—550 в), а также по наибольшему допустимому току (0,2— I 30 ма).

Срок службы неоновых ламп 100—1000 ч. Они имеют длину 28—90 мм и диаметр 7—56 мм. Неоновые лампы можно включать как в цепь переменного, так и постоянного тока. У ламп, включенных в цепь переменного тока, свечение наблюдается попеременно у обоих электродов и частота вспышек равна удвоенной частоте переменного тока. При включении их в цепь постоянного тока све­чение наблюдается только у одного электрода.

Неоновая лампа светится и в том случае, когда к ней не под­ключен источник электрической энергии. Если поместить неоновую лампу в сравнительно сильное электрическое поле, то в ней начинается процесс ионизации, возникает электрический разряд и она начинает светиться.

каторы, определяющие наличие постоянного или переменного на­пряжения. Их можно использовать для измерения величины напря­жения. Если известно напряжение зажигания данной лампы, то при включении ее в электрическую цепь она будет светиться лишь в том' случае, когда подаваемое напряжение будет не меньше напряжения зажигания.

Неоновую лампу применяют иногда в генераторах, создающих пилообразное напряжение. На рис. 199, в приведена схема генера­тора с неоновой лампой и график пилообразного напряжения. Лам­па включена последовательно с сопротивлением r0 и к ней парал­лельно подключен конденсатор С. При подключении напряжения к зажимам цепи конденсатор заряжается через сопротивление r0 и напряжение на нем постепенно возрастает. Когда с течением времени напряжение конденсатора достигает значения Uз, необхо­димого для зажигания неоновой лампы, последняя зажигается. После этого начинается разряд конденсатора через лампу, кото­рый продолжается до тех пор, пока напряжение на нем не пони­зится до напряжения погашения лампы Uп. Тогда лампа гаснет и снова происходит подразрядка конденсатора.

Если напряжение конденсатора вторично достигнет значения Uз, то лампа вновь загорится и конденсатор опять начнет разря­жаться до момента, когда напряжение на конденсаторе станет рав­ным Uд, и лампа вновь погаснет, Далее процесс будет повторяться.

Частота колебаний напряжения в цепи такого генератора зависит от величины емкости С, сопротивления г0 и напряжения зажигания и гашения лампы, а также от напряжения источника электрической энергии, подводимого к генератору. Изменением величин r и С можно изменять частоту генератора от нескольких герц до десятков килогерц.

Неоновая лампа используется на производстве в приборах для определения числа оборотов вращающихся осей и валов механиз­мов и станков. Такие приборы называются стробоскопическими тахометрами.

Работа этих приборов основана на стробоскопическом эффекте. Сущность такого эффекта заключается в том, что деталь, скорость которой хотят определить, освещается неоновой лампой, зажигаю­щейся с определенной частотой. Когда частота вспышек равна или кратна скорости вращения детали, то она в свете вспышек кажется неподвижной. Допустим, что мы хотим определить скорость вра­щения вала. Для этого на его торец необходимо наклеить стробо­скопический диск, разделенный на четыре сектора: два черных и два белых.

Пустив в ход вал, включаем неоновую лампу, питаемую пере­менным током определенной частоты, и освещаем ею стробоскопи­ческий диск. Если при этом диск, наклеенный на вал, будет пере­мещаться в сторону его вращения, то это укажет на его повышен­ную скорость. Когда перемещение стробоскопического диска на­правлено в сторону, обратную вращению вала, то скорость его мала. Если диск будет казаться неподвижным, это будет означать, что скорость вала нормальная. Таким образом, с помощью такого устройства можно быстро определить скоростной режим того или иного механизма и принять меры для его регулирования.

ГАЗОСВЕТНАЯ ЛАМПА

Газосветная лампа (рис. 200) представляет собой стеклянную трубку 1, внутренние стенки которой покрыты тонким слоем люми­нофора — состава, светящегося при облучении. В качестве люмино­фора обычно используются сернистые соединения цинка, магния, кальция и стронция. Воздух из трубки лампы удален, а ее прост­ранство заполнено парами ртути и газом аргоном.

На концах трубки находится два электрода 2 в виде проволоч­ных нитей, к которым подводится электрическая энергия от сети.

В схему включения газосветной лампы включается дроссель 6, стартер 7 и конденсатор 5. Дроссель представляет собой катушку со стальным сердечником. Стартер выполнен в виде миниатюрной неоновой лампы с двумя электродами 3 и 4, которые в холодном состоянии не соприкасаются. Электрод 4 представляет собой биме­таллическую пластину. Напряжение зажигания стартера ниже на­пряжения зажигания газосветной лампы.

При включении лампы в сеть под действием приложенного напряжения между электродами неоновой лампы (стартера) возэлектрический разряд, который быстро нагревает элек­трод 4, и он, изгибаясь, соединяется с электродом 3. Вследствие этого разряд в неоновой лампе прекращается и электроды 3 и 4 размыкаются. За время разряда, который происходит в стартере, успевают нагреться электроды 2 газосветной лампы, и в этот момент происходит ее зажигание, а в парах ртути и газе лампа возникает электрический разряд. При этом газ, находящийся в газ, находящийся в трубке лампы начинает светиться, излучая частично види­мый фиолетовый цвет и много невидимых ультрафиолетовых лучей. Эти невидимые лучи по­падают на люминофор, кото­рым покрыты внутренние стен­ки трубки, и преобразуются в видимый свет, близкий по спектральному составу к днев­ному. По этой причине такие газосветные лампы называют лампами дневного света. Они трубке лампы, начинает сведают ровный, приятный для глаз свет.

Эти лампы примерно в два раза экономичнее обычных электри­ческих ламп накаливания и обладают в 4—5 раз большим сроком службы.

Они получают все большее распространение для освещения жилых помещений, предприятий, улиц, культурных и бытовых учреждений.

Специальные газосветные лампы применяют в сельском хозяй­стве для облучения животных и птиц, что приводит к повышению их продуктивности, а также для облучения рассады овощей и растений, благодаря чему значительно ускоряется их рост.

СТАБИЛИТРОН

Стабилитрон (рис. 201)—это двухэлектродная газоразрядная лампа, широко используемая для поддержания неизменного (стабильного) напряжения Uст. Стабилитрон также называется стабиливольтом. Он состоит из стеклянного баллона 1, который заполнен под небольшим давлением смесью газов неона, аргона и гелия. Внутри баллона помещается катод 2 цилиндрической формы, изго­товленный из никеля или стали.

Анод 3 стабилитрона выполнен в виде стержня и расположен в центре катода. Внутреннюю поверхность катода покрывают актив­ным слоем. Это необходимо для того, чтобы при попадании на катод положительных ионов получилась значительная эмиссия вторичных электронов. Электроды соединяются со штырьками цоколя лампы. При подаче положительного напряжения на анод стабилитрона в нем возникает тлеющий разряд.

Для использования стабилитрона в качестве стабилизатора

Напряжение его следует включить так, как показано на схеме (рис. 201, в).

Последовательно с лампой включается ограничительное сопро­тивление и источник электрической энергии. Приемник, потребляю­щий неизменное (стабилизированное) напряжение, подсоединяется к стабилитрону параллельно. Напряжение, подводимое к стабили­затору Uнест, распределяется следующим

Допустим, что напряжение источника электрической энергии изменяется; а приемник, подключенный к стабилизатору, может работать только при неизменном напряжении.

Рассмотрим, как происходит процесс стабилизации напряжения. Когда напряжение источника электрической энергии повышается, в цепи стабилизатора и ограничительного сопротивления возрас­тает ток. Так как внутреннее сопротивление стабилитрона умень­шается пропорционально увеличению силы тока в его цепи, то напряжение на его зажимах остается неизменным, а напряжение U=Ir_o на зажимах постоянного ограничительного сопротивления возрастает.

При уменьшении напряжения источника электрической энергии, подключенного к стабилизатору, в цепи уменьшается сила тока. Соответственно увеличивается сопротивление стабилитрона и вновь напряжение на его зажимах остается неизменным, а напряжение на ограничительном сопротивлении уменьшается.

Таким образом, при нормальном режиме работы стабилитрона путем изменения силы тока автоматически поддерживается неиз­менное напряжение на нагрузке, подключенной к его зажимам.

Стабилитрон также стабилизирует напряжение на нагрузке при изменении величины этой нагрузки, т. е. силы тока в ней. Основными показателями, по которым выбираются стабилитроны, явля­ются: напряжение стабилизации, напряжение зажигания, наиболь­ший и наименьший токи.

Напряжение стабилизации несколько меньше напряжения за­жигания (в пределах от единиц до нескольких десятков вольт). Так, стабилитрон типа СГ4С рассчитан на стабилизируемое напря­жение в 150 в. Наименьший ток его 5 ма, наибольший ток 30 ма.

ТИРАТРОН

В различных уставах автоматики большое распространение получил управляемый ионный пробор – тиратрон.

Тиратрон представляет собой триод, наполненный смесью инертных газов. В стеклянном баллоне тиратрона помещаются анод, катод и управляющий электрод – сетка. Катод нагревается

электрическим током. На анод подается положительное напряже­ние, на сетку — отрицательное напряжение, удерживающее (за­пирающее) электроны в промежутке катод-сетка.

Сетка тиратрона в отличие от сетки триода не позволяет изме­нять силу анодного тока. Вследствие наличия газа в колбе тира­трона его с помощью сетки можно лишь отпереть — зажечь, но нельзя погасить. После зажигания тиратрона сетка теряет свое управляющее свойство.

Допустим, что на сетку тиратрона (рис. 202, в) через потенцио­метр Пс подан большой отрицательный потенциал, а анод имеет по отношению к катоду положительный потенциал. Электрическое поле сетки будет препятствовать движению электронов к аноду.

Постепенное уменьшение запирающего отрицательного напря­жения на сетке (путем перемещения движка потенциометра вправо) приведет к появлению небольшого тока в цепи анода тиратрона. При дальнейшем уменьшении этого напряжения боль­шое количество электронов с высокой скоростью будут двигаться к аноду. На своем пути они станут ионизировать атомы газа. Движение ионов газа, в свою очередь, ускоряется электрическим полем анода и катода, при столкновениях с нейтральными атомами они образуют новые ионы в еще большем количестве. Такая ла­винообразная ионизация сопровождается скачкообразным нара­станием силы анодного тока и зажиганием тиратрона.

Для ограничения силы тока в цепь анода включают ограничи­тельное сопротивление.

С момента зажигания тиратрона и возникновения электриче­ского разряда в нем сетка теряет свое управляющее свойство. Это связано с тем, что отрицательный заряд сетки оказывается окру­женным оболочкой из положительных ионов, которые нейтрали­зуют его действие.

Прекращение разряда в тиратроне можно осуществить снятием анодного напряжения. За время, которое длится до 1 мсек, в лам­пе происходит процесс рекомбинации, после чего сетка вновь при­обретает управляющее действие.

В цепи сетки тиратрона образуется сеточный ток /с, который является нежелательным. Этот ток создается электронами и поло­жительно заряженными ионами. При положительном напряжении на сетке она притягивает к себе электроны и в ее цепи появляется электронный ток.

При отрицательном напряжении на сетке к ней притягивается некоторое количество положительных ионов и в цепи сетки возни­кает ионный сеточный ток. Так как ионы имеют большую, чем элек­троны, массу, то они менее подвижны и поэтому ионный ток в цепи сетки меньше электронного сеточного тока.

Для ограничения бесполезного сеточного тока в ее цепь включают ограничительное сопротивление.

В практике применяют разнообразные марки тиратронов. Они отличаются: напряжением накала, напряжением возникновения электрического разряда, наибольшим отрицательным запирающим напряжением сетки, током накала, средним током анода, временем разогрева катода, сопротивлением в цепи сетки и размерами.

Так, тиратрон ТГ 1-2,5/4 с оксидным катодом прямого накала имеет следующие основные данные: среднее значение тока анода 2,5 а, напряжение накала 5 в, напряжение возникновения электри­ческого разряда 140 в, наибольшее отрицательное напряжение сетки 100 в, ток накала 142 а, время разогрева 1 мин, сопротивление в цепи сетки 0,001—0,1 Мом.