8879

Исследование тлеющего разряда

Лабораторная работа

Энергетика

Исследование тлеющего разряда Цель работы: Ознакомиться с основными формами тлеющего разряда. Исследование работы стабилизаторов тлеющего разряда. Исследование работы цифро- знаковых индикаторов тлеющего разряда. Введение. Тлеющий ...

Русский

2013-02-19

109.5 KB

37 чел.

Исследование тлеющего разряда

Цель работы:

  1.  Ознакомиться с основными формами тлеющего разряда.
  2.  Исследование работы стабилизаторов тлеющего разряда.
  3.  Исследование работы цифро- знаковых индикаторов тлеющего разряда.

Введение.

Тлеющий разряд является самостоятельным разрядом с холодным катодом. Возникновению тлеющего разряда с холодными электродами обычно предшествует несамостоятельный разряд, поскольку в объеме газа всегда присутствует некоторое количество свободных заряженных частиц, обязанных своим происхождением какому- либо внешнему источнику ионизации. (космическое излучение, фон радиации Земли).

В установившемся режиме разряда пространство между катодом и анодом можно разбить на три основные области (рис. 1).

Протяженность катодного слоя (1) определяется давлением или, точнее, плотностью газа: она равна приблизительно трем длинам свободного пробега электрона; на этом участке,  двигающиеся к катоду ионы приобретают за счет высокого градиента поля энергию, необходимую для выбивания из катода электронов. Вылетающие из катода электроны также приобретают на этом участке энергию и при столкновениях с нейтральными атомами и молекулами газа совершают акты ионизации и возбуждения.

Длина области положительного столба (2) зависит от геометрии разрядной трубки. Падение напряжения на нем невелико. Положительный столб не является обязательной составной частью разряда.

Протяженность области анодного падения (3)  зависит от давления газа и приблизительно равна одной длине свободного пробега электрона. Величина и знак прианодного падения напряжения зависит от геометрии анода.

Особый интерес представляет область катодного падения напряжения. На этом отрезке разряда имеет место наибольший градиент потенциала. Катодное падение напряжения составляет 100 - 180 вольт для катодов из чистых металлов и 40 - 100 волы для катодов, активированных пленками из электроположительных металлов. Катодное падение напряжения определяется в основном энергией ионов, необходимой для выбивания электронов из материалов катода:  чем меньше работа выхода электронов из материала катода, тем меньше величина катодного падения напряжения.

Величина катодного падения напряжения зависит также от рода газа, причем в довольно широких пределах (так как от рода газа зависит масса иона) и практически не зависит от давления газа.

Если сила ток через прибор не превышает некоторого значения, а именно: значения, при котором еще не вся поверхность катода участвует в электронной эмиссии (не вся покрыта свечением), то катодное падение напряжения не зависит от тока и остается постоянной (Закон Геля). Постоянство катодного падения напряжения объясняется наличием оптимальных условий обмена энергией между ионами, бомбардирующими катод, и электронами материала катода.

Катодное падение напряжения, соответствующее оптимальным условиям эмиссии с катода, принято называть нормальным катодным падением, а тлеющий разряд, с нормальным катодным падением - нормальным тлеющим разрядом.

Тлеющий разряд – слаботочный, при токе порядка 300 mA появляется тенденция к переходу в дуговой разряд. Поэтому приборы тлеющего разряда имеют максимальные токи в пределах до 100 mA.

Постоянство катодного падения напряжения в тлеющем разряде используется при конструировании газоразрядных стабилизаторов напряжения (стабилитронов).

Если в разряде участвует вся поверхность катода, то о увеличением тока увеличивается и катодное падение напряжения, так как в этом случае обеспечивается большая эмиссия с единицы поверхности катода. Такой разряд называют аномальным тлеющим.

При аномальном тлеющем разряде с увеличением тока возрастает яркость свечения на катоде и резко возрастает распыление материала катода.

Начальный участок аномально тлеющего разряда используется в цифро- знаковых индикаторах (ИН), широко применяемых в измерительной технике для отображения информации.

Расчет стабилизатора напряжения с лампой тлеющего разряда.

Для расчета схемы включения, изображенной на рис. 2, рассмотрим работу стабилизатора напряжения. Для этого придется воспользоваться ВАХ стабилитрона, т.к. это нелинейный элемент схемы (рис. 3).

Допустим, что величина входного напряжения дана - , в этом случае прямая, проведенная через значение  на оси ординат к оси абсцисс под углом  (линия сопротивления) при пересечении с ВАХ дает точку устойчивого горения разряда в данном режиме. При этом будет и на нагрузке, т.к. она подключена параллельно стабилитрону, а - значение напряжения на балластном сопротивлении , создаваемое . При изменении величины входного напряжения например, в сторону увеличения, до значения линия сопротивления переместится параллельно себе самой и дает новую точку пересечения с ВАХ стабилитрона. При этом  будет незначительно отличаться от , а падение напряжения на балластном сопротивлении  изменится за счет увеличения . Таким образом, при работе стабилизатора напряжения рабочая точка будет перемещаться по ВАХ. Ограничив ее движение в пределах пологой части характеристики, достаточной для качественной стабилизации напряжения, получаем значение  и , в пределах которых и будет работать стабилитрон.

Рассматривая схему рис. 2, можно записать:

;   , отсюда

учитывая, что , можно записать:

Корректная величина выбирается в зависимости от того, как изменяется входное напряжение . Если изменение одинаково как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения, то расчетная точка берется посередине рабочего участка ВАХ, и тогда , если же изменение входного напряжения несимметричны, то рабочая точка для расчета выбирается исходя из закона пропорциональности.

На рис. 2 приведена схема включения стабилитрона в качестве стабилизатора напряжения, где:

- номинальное значение входного напряжения;

- номинальное значение выходного стабилизированного

напряжения;

- сопротивление нагрузки;

- балластное сопротивление;

- ток в общей цепи при номинальном значении входного

напряжения;

- номинальный ток нагрузки;

- ток через стабилизатор при нормальном значении входного

напряжения.

В предлагаемой работе схема лабораторного стенда (рис. 4) позволяет проводить исследование стабилизаторов тлеющего разряда типа СГ2С, СГ3С, СГ4С, СГ2П, СГ15П, СГ16П. Балластное сопротивление и сопротивление нагрузки выполнены так, что можно установить требуемое значение тока нагрузки и необходимую по расчету величину балластного сопротивления.

Цепь нагрузки точками 3 – 7 заводится на соответствующие гнезда ламповой панели стабилитрона. В цоколе стабилитронов штырьки 3 – 7 закорочены между собой перемычками. Это делается для того, чтобы в момент замены лампы, когда она вынимается из панели, нестабилизированное напряжение источника питания не могло воздействовать на нагрузку.



ЗНАКОВЫЕ ИНДИКАТОРЫ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Цифровые и буквенные индикаторные неоновые лампы тлеющего разряда (серии ИН) нашли широкое применение в аппаратуре отображения информации, в счетно-решающих устройствах, вычислительной технике: и измерительных приборах.

Отличительная особенность знаковых индикаторов тлеющего разряда состоят в том, что в одном баллоне помещается несколько катодов, а анод выполнен в виде тонкой сетки.

Форма катодов и их размеры выбираются так, чтобы создать лишь минимальное перекрытие цифр (букв), расположенных сзади. Этим же определяется порядок расположения цифр, букв, знаков, а также конструкция сетчатого анода. Свечение горящего катода имеет достаточную ширину (до 2 мм), поэтому остальные электрода экранируют не более 20% светового потока, не ухудшая четкости индикации горящего светового знака.

Индикаторы отличаются высокой яркостью и контрастностью изображения, малой потребляемой мощностью, простотой и надежностью в работе.

Выпускаемые в настоящее вреди газоразрядные индикаторы тлеющего разряда заполняются неоном и имеют оранжево- красный цвет свечения. В процессе эксплуатации рабочий ток не должен выходить за пределы, указанные в справочных   данных. При больших значениях тока возможен переход в область аномального тлеющего разряда, возрастает распыление материала катода и сокращается долговечность прибора. Снижение рабочего тока также недопустимо, так как в процессе работы поверхности катодов загрязняются, и для хорошего свечения всей поверхности катодов требуется несколько большее напряжение горения. Поэтому рабочий ток должен превышать значение тока индикации, (ток индикации - ток через  прибор, при котором разрядное свечение полностью покрывает катоды- цифры, символы, буквы, знаки, т.е. создает надежную визуальную индикацию).

В ряде случаев питание анода производится импульсным напряжением. В таком режиме длительность импульса напряжения должна быть не менее 100 мкс, при среднем токе 1 - 2 мА. С уменьшением длительности импульса резко возрастает ток индикации, что требует увеличения амплитудного значения рабочего тока. При частоте следования импульсов 20 - 50 Гц ток в импульсе может быть достаточно большим, кажущаяся яркость свечения повышается благодаря инерции зрения, хотя среднее значение тока оказывается ниже нормального. Благодаря этому поддерживается высокая яркость свечения и надежная индикация цифр (букв) катодов, в то же время долговечность индикатора не снижается.

Для нормальной работы индикатора тлеющего разряда необходимо создать начальную ионизацию, снижающую время запаздывания зажигания разряда. Эта ионизация обычно создается внешним освещением. В темноте время запаздывания увеличивается до 1 с.

По виду отображаемой информации индикаторы ИН условно можно разделить на несколько групп.

Цифровые индикаторы типа ИН-1, ИН-2, ИН-4, ИН-8, ИН-8-2, ИН-12А, ИН-12Б, ИН-14, ИН-16, ИН-17, ИН-18 имеют катоды в форме арабских цифр от 0 до 9. Индикаторы с торцевой индикацией, где минимальное расстояние между осями расположенных рядом приборов велико по отношению к размерам цифровых электродов, целесообразно применять в аппаратуре с небольшим количеством цифровых разрядов, а также в многоразрядных индикационных системах. В малогабаритной настольной аппаратуре можно использовать миниатюрный индикатор типа ИН-2.

Прямоугольный баллон индикаторов типа ИН-11, ИН-12А, ИН-12Б, ИН-15А, ИН-15Б позволяет более удобно производить компоновку многоразрядных систем, а сочетание цифр и букв в индикаторе позволяет уменьшить расстояние между соседними цифровыми и буквенными разрядами и соответственно улучшить удобочитаемость результатов информации. Группа приборов с "боковой индикацией" ИН-8, ИН-8-2, ИН-14, ИН-16, ИН-18 широко применяется в многоразрядной аппаратуре, например в настольных счетно-клавишных машинах.

Знако - буквенные индикаторы типа ИН-5А, ИН-5Б, ИН-7, ИН-7А, ИН-7Б, ИН-11, ИН-15А, ИН-15Б, ИН-19А, ИН-19Б, ИН-19В значительно расширили диапазон применения газоразрядных индикаторов. В сочетании с цифровыми буквенные и знаковые индикаторы позволяют отобразить практически всю необходимую информацию. В индикаторах типа ИН-8-2, ИН-12Б, ИН-14 наличие дополнительного электрода - запятой - упрощает индикационный блок, отпадает необходимость в использовании отдельных элементов для индикации запятой.

В приборе типа ИН-14 имеется два знака запятая, одна из которых может быть использована для уменьшения времени запаздывания зажигания разряда (ток подготовки около 1мкА). Для устройств, работающих в условиях повышенных климатических и механических нагрузок, можно рекомендовать приборы типа ИН-1, ИН-8, ИН-8-2, ИН-12А, ИН-12Б.

Сигнальные газоразрядные приборы типа ИН-3, ИН-6, ИНС-1, ИН-ЗА, ИФ-1, ТНУ-2 предназначены для использования в качестве датчиков световых сигналов в самых разнообразных электротехнических и радиотехнических устройствах широкого применения. Их характеризуют: высокая яркость свечения (десятки и сотни нит), относительно малая инерционность, простора конструкции, экономичность (потребляемая мощность - доли ватт).

Линейные счетно-индикаторные приборы тлеющего разряда типа ИН-9, ИН-13, ИН-20 являются принципиально новыми разработками и предназначены для построения индикационных табло в системах статистического анализа, в измерительных блоках, в различных выходных устройствах индикации, в счетчиках импульсов с большой емкостью, для контроля сети переменного тока. Особенностью индикаторов типа ИН-9, ИН-13 является то, что длина светящегося столба изменяется пропорционально приложенному напряжению, а в индикаторе ИН-20 изменяется светящийся столб или светящаяся точка. Учитывая эти особенности, индикаторами ИН-9, ИН-13, ИН-20 можно заменить стрелочные электроизмерительные приборы и другие электромеханические устройства (с классом точности 2,5 - 4) в любых системах промышленной автоматики.

К достоинствам приборов ИН-9, ИН-13, ИН-20 следует отнести: удобство формы индикации (светящиеся столб и точка), высокую частоту обновления информации и счета импульсов, малую инерционность, большую долговечность, высокую яркость свечения и малую массу.


ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

  1.  Ознакомиться с руководством к лабораторной работе и схемой лабораторной установки.
  2.  Установить движки реостатов и выключатели сопротивлений в положения, соответствующие минимальным значениям токов и напряжений на схеме. Включить питание схемы.
  3.  Снять вольтамперную характеристику лампы тлеющего разряда , одновременно замерить площадь катода, занятую разрядом. Построить зависимость плотности тока на катоде.
  4.  Снять ВАХ индикатора напряжения тлеющего разряда ИН-9. Одновременно провести его градуировку по току.
  5.  По указанию преподавателя снять ВАХ нескольких стабилитронов.
  6.  Снять ВАХ нескольких одинаковых стабилитронов, просмотреть разброс характеристик, построить усредненную ВАХ для данного стабилитрона.
  7.  По указанию преподавателя для двух режимов стабилизации выбрать стабилитрон, рассчитав балластное сопротивление и выставить на схеме полученное  и . Проверить экспериментально расчетную рабочую точку.
  8.  Снять нагрузочные характеристики  и стабилизационные характеристики  для указанных режимов стабилизации.
  9.  По указанию преподавателя снять ВАХ цифро-знакового индикатора, отметить ток, соответствующий полному свечению каждой цифры (знака). Обратить внимание на разброс потенциалов зажигания и рабочих токов. Оценить угол, при котором оператор может уверенно считать информацию.


ОТЧЕТ ДОЛЖЕН СОДЕРЖАТЬ
:

  1.  Схему лабораторной установки.
  2.  Таблицы измеренных и вычисленных величин.
  3.  ВАХ тлеющего разряда.
  4.  График зависимости плотности тока на катоде тлеющего разряда от величины тока в разряде.
  5.  Нагрузочные характеристики  и стабилизационные характеристики  для двух режимов стабилизации.
  6.  Усредненные ВАХ для СГ и ИН.
  7.  Краткие выводы по результатам исследования.

ЛИТЕРАТУРА

  1.  Н. А. Капцов. Электрические явления в газах и вакууме. ГИТТЛ, М. – Л., 1950.
  2.  В. Ф. Власов. Электронные и ионные приборы. Связьиздат. –М., 1960.
  3.  А. А. Генис, И. Л. Горнштейн, А. Б. Пугач. Приборы тлеющего разряда. Гитл.УССР, Киев, 1970.
  4.  Ф. М. Яблонский. Газоразрядные приборы для отображения информации. “Энергия”, -М., 1979.
  5.  В. С. Згурский, Б.Л. Лисицин. Элементы индикации (справочник). “Энергия”, -М., 1974.


U

x

K

A

                                2                                  3

Рис. 1. Распределение потенциала в тлеющем разряде.

Iн

U

Rб

Rн

Uo

Iст

J

Рис. 2. Принципиальная схема включения стабилитрона.

U

x

K

A

Рис. 3. К расчету стабилизатора напряжения

U//

U/

U/о

U/Rб

U//о

Jmin

J/

J//

Jmax

220

A1

U2

U1

A2

Rн

5

10

20

40

5

3  7

24

12

6

3

1,5

0,86

0,86

Rн

Рис. 4. Схема лабораторной установки

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

55082. Створення, відкриття, збереження файлів книг. Введення й редагування діапазонів 775 KB
  Для запуску програми виконайте такі дії: Натисніть на кнопку Пуск. Відшукайте в ньому програму Microsoft Excel і натисніть на ній. Щоб покинути Excel і повернутися до робочого столу Windows 95 виконайте будьяку з цих операцій: Відкрийте меню Файл і натисніть на Вихід. Натисніть на кнопку Закрити в правому кутку заголовка вікна Excel.
55083. Налоговая система и ее элементы 20.05 KB
  Налоговая система представляет собой единую совокупность однородных элементов, объединенных в единое целое и выполняющих единую задачу - изъятие налогов и сборов с субъектов налога в соответствующие бюджеты и внебюджетные фонды территориальных образований.
55084. Налоги и их функции 19.75 KB
  Налог – это принудительно изымаемые государством или местными властями средства с физических и юридических лиц, необходимые для осуществления государством своих функций.
55085. Бюджетный дефицит: виды и методы финансирования 32.98 KB
  Бюджет любого государства представляет собой официальный документ, в котором содержится свод доходов и расходов на очередной финансовый год. Согласно этому законодательному акту страна живет в течение всего года; вся деятельность любой власти подчинена одному
55088. Розрахунки по сепаруванню і нормалізації молока 236.5 KB
  Мета: Набути практичні навики при проведенні розрахунків по сепаруванню і нормалізації молока. Розрахунки по сепаруванню молока. Під час сепарування молока його розподіляють на дві фракції: вершки і знежирене молоко.
55089. Розрахунки різних видів питного молока та вершків 144.5 KB
  Мета: Набути практичні навики при проведенні розрахунків різних видів питного молока та вешків. Пастеризоване молоко Масу вершків Мв одержаних під час нормалізації незбираного молока в потоці розраховують за формулою...