ID: 74226

Название работы: Приборы тлеющего разряда

Категория: Лекция

Предметная область: Физика

Описание: Приборы дугового разряда с накаленным и холодным катодом. Использование газового разряда в приборах квантовой электроники. Особенности приборов тлеющего разряда Простейшие приборы двухэлектродные.

Язык: Русский

Дата добавления: 2014-12-30

Размер файла: 397 KB

Работу скачали: 8 чел.

Лекция 19 Приборы тлеющего разряда

Индикаторы, стабилитроны, газотроны, тиратроны, декатроны, коммутаторы. Основные характеристики. Приборы дугового разряда с накаленным и холодным катодом. Особенности работы и применения. Использование газового разряда в приборах квантовой электроники.

1.  Особенности приборов тлеющего разряда

Простейшие приборы – двухэлектродные.

Приборы постоянного тока (катод имеет более развитую поверхность, чем анод)

Приборы переменного тока (катод и анод одинаковы, так как выполняют свои функции попеременно)

Приборы с плоскими и цилиндрическими электродами. С металлической и стеклянной оболочкой  P~1300….130000 Па.

Основные характерные признаки всех приборов тлеющего разряда.

•  холодный катод (ненакаливаемый). – упрощается конструкция, повышенная долговечность.
•  наличие светящегося слоя. Визуальная индикация работы.
•  высокая экономичность. Долговечность, малые габариты.

Двухэлектродные приборы – неуправляемые.

Разряд возникает при подаче U питания и горит до сохранения Umin горения.

Управляемые – одна и более сеток. Разряд возникает при подаче управляющего напряжения на сетку при наличии Umin горения на аноде.

1.  Классификация

•  световые индикаторы;
•  стабилитроны;
•  двухэлектродные высоковольтные вентили (газотроны);
•  тиратроны;
•  разрядники (предохранители);
•  газосветные лампы;
•  ПКЭ

1.  Дискретные световые индикаторы

Обычно наполнены Ne, Ne+Ar (0,00005…0,1), и другие в зависимости от нужного свечения.

Форма различна: цилиндр, колба, …

Электроды – плоские, цилиндрические, кольцевые.

Электрические параметры:

UЗ, определяющее рабочее напряжение сети UР (UЗUР),

UГ, Iа,

;                               (8.1)

Световые параметры:

сила света I(кд), яркость В (кд/кв. м), ее пространственное распределение,

;                                              (8.2)

S – излучающая площадь (Кд/м2)

Световая отдача η (лм/Вт)

η;                                       (8.3)  

Ω – телесный угол

РЭЛ – потребляемая мощность

                                                   (8.4)  

- показывает экономичность прибора.

Долговечность – длительность работы без выхода основных параметров за пределы допустимых значений.

Газы: Ne – дает наиболее яркое свечение. Давление ~ 2500 – 4000 Па. Чем  P тем больше запас газа   долговечность,  сила тока ( ПС), но  и UЗ и UГ   выбирают компромисс.

Используют нормальный тлеющий разряд на границе перехода в аномальный (горит вся поверхность катода).

Типы: переменного и постоянного тока (электроды разные по размеру и форме, материалу), универсальные.

1.  Матричные индикаторы (плазменные панели)

Матричные индикаторы используются для отображения информации.

Рисунок 8.14 –

Рисунок 8.15 – Схема матричного индикатора

1.  Стабилитроны

Стабилитроны – приборы, применяемые для поддержания на одном уровне выходного напряжения различных устройств.

Принцип работы основан на использовании нормального тлеющего разряда.

Конструкция – цилиндрические концентрически расположенные электроды. Колба – стекло или металл.

Рисунок 8.1 – Стабилитрон

Основные параметры – напряжение стабилизации равно напряжению горения UГ.

5 групп по UСШ: 50-60; 70-75; 80-90; 103-113; 140-160.

Для обеспечения этого параметра изменяется: материал катода; состав газа; выбор междуэлектродного промежутка d (обычно d ≈ dK – катодного падения).

В низковольтных стабилитронах используют активированные катоды (до 80 В), для более высоких U – Mo, Ni.

Газ: пеннинговская смесь

He+Ar (Выше U), Ne+Ar (Ниже U), Ne+Kr

Внутрь прибора вносят поглотитель (танталовый геттер или распыляемый капсульный геттер), который активируют – разогревают или распыляют перед герметизацией.

Рисунок 8.2 – ВАХ стабилитрона

Основные параметры:

UЗ, UГ, Iа min, Iа max, ΔUГ(Горения),

;                                             (8.5)  

- динамическое сопротивление,

;                                            (8.6)  

•  Зависимость UГ от T (ТКН)
•  Нестабильность U при ICT=const (дрейф)
•  Долговечность и надежность.
•  

Схемы стабилизации

1.  Параметрическая

Рисунок 8.3 – Параметрическая схема стабилизации

UГ – основной параметр

1.  Компенсационная

Рисунок 8.4 – Компенсационная схема стабилизации

VS – опорное напряжение на катоде VT2. Сеточное напряжение VT2 пропорционально Uвых. С ↑Uвых→ ↑UС(VT2)→ ↑IR1→ ↓U С(VT1)→ ↓I0→ ↓IН→        ↓Uвх.

1.  Вентили (газотроны) тлеющего разряда

Аналог диода.+полупериод

ΔUа – напряжение горения вентиля

•  полупериод

Рисунок 8.5 – Аналог диода

Для повышения эффективности вентиля необходимо, чтобы ΔUа  Uобр. Учитывая, что ΔUа ~ 80 ÷ 150 В при низких рабочих U вентили не применяются. Область применения связана с использованием следующих преимуществ: малая зависимость режима работы от T, устойчивость против излучений, визуальный контроль рабочего режима.

Основная проблема – обеспечение высокой пробивной прочности прибора в – полупериод и небольшого ΔUа в + период. Это достигается конструкцией прибора.

Рисунок 8.6 – Конструкция газотрона

Катод имеет площадь, достаточную для заданного тока в режиме нормального тлеющего разряда. Металлическая крышка (экран) отделяет анодную камеру от катодной.

•  полупериод: условия зажигания в катодной камере легко достигается при данных  P0d на правой ветви кривой Пашена (низкие UЗ и UГ). Разряд зажигается между катодом и экраном, а затем переходит на анод.
•  полупериод: условие зажигания достигается при высоких Uа (малый объем камеры, малые P0d – работа на левой ветви кривой Пашена).

Используют He с P ~ 1500-2000 Па.

1.  Тиратроны

Трехэлектродный прибор имеет катод, анод, сетку из никеля (диафрагма с центрированным отверстием, либо щелью).

Рисунок 8.7 – Тиратрон

Сетка позволяет только открыть тиратрон, но прекратить разряд она не может.

Рисунок 8.8 – Тиратрон

В начале между К и А прикладывается U, которое недостаточно для развития разряда без участия сетки (UЗ0 > Uа). Когда подают на сетку UС, зажигается сеточный разряд, электроны диффундируют через отверстие в анодную область и зажигается основной разряд. Uа снижается до UГ.

Рисунок 8.9 –

Для гашения разряда необходимо ↓ Uа до  UГ.

Сетка после зажигания разряда не может участвовать в управлении анодным током так как плазма экранирует ее от остального объема, окружая электронной (если UС > 0) или ионной (если UС  0) оболочкой.

В течение всего разряда, поэтому, в сеточной цепи будет ток.

В большинстве тиратронов вводится еще один электрод – вспомогательный, для создания вспомогательного разряда (плазменного катода). На него подают Eвспомогательное и зажигают вспомогательный разряд. Но  его горение недостаточно поджига основного разряда из за экранирования сеткой анода (малая проницаемость сетки). Только при подаче + импульса на сетку и протекания через нее тока, заряды проникают в анодную часть и зажигают основной разряд (токовое управление). В ряде случаев роль анода подготовительного разряда выполняет нижняя часть сетки.

Рисунок 8.10 –

Другой вариант управления – двухсеточный.

Рисунок 8.11 –

1 я сетка обеспечивает вспомогательный разряд UС2  UС1 и электроны не проходят к аноду. Для включения основного разряда → + на 2-ю сетку – электростатическое управление.

Конструкции тиратронов

Рисунок 8.12– Тиратрон МТХ – 90

Катод активирован Cs. UСЗ ≤ 85 В. UГ ~ 55 ÷ 60 В.

 

Рисунок 8.13 –  Характеристики зажигания

На характеристике нет горизонтального участка так как тиратрон не является короткопромежуточным прибором.

1.  Применение газового разряда в квантовой электронике

Виды разрядов:

•  Несамостоятельный
•  Самостоятельный

Разряд, используемый в ОКГ
Стационарный			Импульсный
Тлеющий I ~ 10-5…10-1 А/см2		Дуговой	Δt1 « Δt2 Время нарастания тока  характерного времени заселения рабочих состояний (≈ 10-4 ÷ 10-5 с)  нестационарная плазма инверсия населенности состояний возникает на фронте или на спаде импульса тока J ≈ 103 А/см2
				I ~ 103 А/см2, Т↑ n зарядов ~ 10% (степень ионии- зации)
Разряд постоянного тока	ВЧ разряд
		f ~ 10-50Мгц электроды могут распо-лагаться снаружи (много). Неудобство - сниженный источник питания,  ↑Т0, помехи ВЧ.
tгаза ≈ tокр. среды Степень ионизации 10-4…10-2 % U ~ 1…2 кВ на каждый метр разрядного промежутка

He – Ne ОКГ

Рисунок 8.23 –

P ~ 10…100 мВт

 = 0,63 мкм (красный); 1,15 мкм (ик); 3,39 мкм(ик)

Ионные ОКГ – дуговой разряд  ↑Т ↑j →  

капилляр ( 1 – 3 мм) I ~ 1 – 10 – 30 А  j ~ 103 А/см2 

Рисунок 8.24 –

H ~ 2 – 4 кЭ - ↑P в несколько раз.

кпд ~ 0,01 ÷ 0,1 %

CO2 – лазер (смесь CO2 + N2 в соотношениях 1:1, 1:5),  ~ 10,6 мкм, P ~ 1 мм.рс, трубка диаметром 25 ÷ 100 мм, Iразр ≈  10 – 103 мА, U ~ 10кВ

Тлеющий разряд постоянного тока

Прокачка газа P  1 кВт, кпд ~ 10 % ÷ 15 %

Используют и другие газы, смеси.