Основные разновидности электрических разрядов в газе.

 

Принцип действия газоразрядных или ионных приборов основан на физических процессах, протекающих при прохождении электрического тока через газ. Прохождение тока через газовую среду называют газовым разрядом. При этом ток создается не только направленным перемещением электронов, но и встречным движением ионов.

Различают несамостоятельный и самостоятельный газовые разряды. Если заряженные частицы в разрядном промежутке образуются за счет внешних факторов (нагрев катода, радиоактивное облучение и т. д.), то газовый разряд называют несамостоятельным. Если газовый разряд поддерживается только за счет энергии электрического поля, возникающего при подаче напряжения на электроды, то разряд называют самостоятельным. Возникновение и особенности основных видов газового разряда удобно проследить, анализируя зависимость между напряжением на электродах и током в цепи газоразрядной трубки (вольтамперную характеристику). Схема для получения такой зависимости приведена на рис. 8.1.1, а, а вольтамперная характеристика газового разряда – на рис. 8.1.1, б.

С увеличением напряжения, подводимого к электродам газоразрядной трубки ток, протекающий через нее, увеличивается, так как все большее количество свободных электронов и ионов, образующихся, например, при космическом облучении, достигает поверхности электродов. При напряжении в несколько вольт (точка а) уже все носители зарядов участвуют в образовании тока и дальнейшее повышение напряжения до сотни вольт (участок 0б) не приводит к увеличению I. Этот ток, называемый током насыщения, зависит от интенсивности ионизирующих факторов и конструктивных особенностей газоразрядной трубки. Его значение порядка 10^–14 А.

При дальнейшем увеличении напряжения скорость дрейфа электронов навстречу электрическому полю (к аноду) возрастает и они приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа при столкновениях.

 

Количество заряженных частиц в газовой среде растет, что приводит к новому увеличению тока (участок бв). При этом скорость дрейфа положительных ионов к катоду возрастает настолько, что ионы, попадая на катод, могут, в свою очередь, выбить из него электроны. Точка б соответствует такому состоянию процесса, когда излученные катодом электроны порождают столько ионов, что они, падая на катод, вновь выбивают не меньшее количество электронов. При этом разряд из несамостоятельного переходит в самостоятельный и способен поддерживаться в отсутствие внешней ионизации. Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, зависит от многих факторов. Чтобы снизить это напряжение, в некоторых ионных приборах катод покрывают веществами, уменьшающими работу выхода электронов (оксидами бария, цезия и др.).

 

а)б)

 

Рисунок 8.1.1. Исследование разряда в газе: а) – схема установки; б) – вольтамперная характеристика газового разряда.

 

На участке вг ток возрастает при постоянном напряжении только за счет размножения носителей заряда. На участке гд лавинообразный рост количества заряженных частиц приводит к тому, что увеличение тока сопровождается снижением напряжения на электродах. Участок абвг соответствует темному разряду, который можно наблюдать только по показаниям амперметра.

На участке гд осуществляется переход к тлеющему разряду. Насыщение разрядного промежутка большим количеством положительных ионов вызывает большой перепад потенциалов в небольшой области, непосредственно примыкающей к катоду. Это создает большую напряженность электрического поля вблизи поверхности катода. Именно в этой области электроны приобретают значительную энергию и интенсивно ионизируют газ. Одновременно с ионизацией идет процесс рекомбинации: часть ионов захватывает электроны и превращается в нейтральные молекулы. Процесс рекомбинации сопровождается излучением квантов света, и газ начинает светиться.

Поверхность катода всегда имеет небольшие структурные неоднородности, вблизи которых интенсивность ионизации газа несколько различна. Локальное увеличение ионизации вызывает некоторое повышение температуры малого участка катода, что приводит к дальнейшему возрастанию количества ионов над этим участком. В результате разряд «стягивается» в трубку, основание которой размещается на ограниченном (рабочем) участке катода. Тонкий слой светящегося газа над этим участком образует катодное пятно.

Интервал де вольтамперной характеристики соответствует нормальному тлеющему разряду. Особенность этого разряда заключается в том, что рост тока происходит только за счет увеличения площади катодного пятна (при постоянной плотности тока).

В точке е катодное пятно захватывает всю площадь катода и для дальнейшего роста тока необходимо снова увеличивать напряжение (участок еж). Разряд, соответствующий этому интервалу вольтамперной характеристики, называется аномальным тлеющим разрядом.

В точке ж напряженность электрического поля вблизи катода достигает значений порядка 10⁸ В/м, при этом становится возможной автоэлектронная эмиссия, т.е. вырывание электрическим полем электронов из анода. Возникает дуговой разряд, сопровождаемый резким увеличением тока при снижении напряжения на электродах до нескольких вольт (точка з). Образуется яркое катодное пятно дугового разряда, и последующий рост тока происходит за счет увеличения площади этого пятна.

Если токи тлеющего разряда измеряются единицами миллиампер, то токи дугового разряда – десятками и сотнями ампер. Поэтому при работе в режиме дугового разряда в цепь газоразрядной трубки должно быть включено ограничительное сопротивление (см. рис. 43, а). Без этого сопротивления небольшие колебания питающего напряжения могут привести к такому росту тока, что катод расплавится.

Кроме напряжения на ток газоразрядной трубки существенно влияют состав и плотность газа-наполнителя, размеры и конфигурация электродов, расстояние между электродами и материал, из которого они изготовлены.

Следует отметить, что в технике высоких напряжений существенную роль играют другие виды разрядов, в частности коронный и искровой.

 

Газоразрядные приборы.

 

На основе перечисленных основных разновидностей электрических разрядов в газе было создано достаточно большое число электронных приборов, применявшихся как в бытовой радиоэлектронной аппаратуре, так и в устройствах силовой электроники. Их основные типы можно определить следующим образом.

Газотрон – двухэлектродный газоразрядный прибор с подогревным катодом, работающий в режиме несамостоятельного дугового разряда при токах в сотни ампер и обратных напряжениях в десятки киловольт (рис. 8.2.1).

 

 

Рисунок 8.2.1. Газотрон.

 

Тиратрон – газоразрядный прибор с тремя или четырьмя электродами, моментом зажигания которого можно управлять. Различают тиратроны с горячим катодом (работающие в режиме несамостоятельного дугового разряда) и с холодным катодом (работающие в режиме самостоятельного тлеющего разряда). Внешний вид тиратрона представлен на рис.8.2.2

 

 

Рисунок 8.2.2. Тиратрон.

 

Стабилитрон – двухэлектродная лампа тлеющего разряда с холодным катодом. Используется в стабилизаторах напряжения постоянного тока при напряжениях в десятки-сотни вольт и токах единицы-десятки миллиапмер. Внешний вид стабилитрона представлен на рис. 8.2.3

 

а)

 

 

б)

 

Рисунок 8.2.3. Внешний вид ламповых стабилитронов.

 

Газосветные сигнальные лампы работают в режиме тлеющего разряда в цепях как постоянного, так и переменного тока. Газосветные цифровые индикаторы имеют анод, изготовленный в виде сетки, через которую легко просматриваются десять катодов, выполненных в виде цифр от 0 до 9. Каждый катод имеет свой вывод. Подавая напряжение на анод и один из катодов, высвечивают нужную цифру.

а) б) в) г) д)

Рисунок. 8.2.4.. Условные графические обозначения газоразрядных приборов: а) – стабилитрон; б) – сигнальная лампа; в) – трехэлектродный тиратрон с холодным катодом; г) – четырехэлектродный тиратрон с холодным катодом; д) – тиратрон с горячим катодом.

На рис. 8.2.4 приведены условные графические изображения некоторых газорязрядных приборов.

К настоящему времени они практически полностью вытеснены полупроводниковыми приборами. Например, светоизлучающие диоды и светодиодные матрицы заменили газосветные сигнальные лампы; основной элементной базой устройств силовой электроники на сегодняшний день являются тиристоры и симисторы. Однако в последние годы использование газоразрядных электронных приборов получило новое развитие в современных устройствах отображения графической информации – плазменных панелях. Основную конкуренцию им на сегодняшнем этапе составляют жидкокристаллические панели. Какое из направлений окажется более перспективным, покажет время.

 

Контрольные вопросы:

 

1. В чем заключается сходство и различие между газоразрядными и электровакуумными приборами?

2. Для каких целей используются газоразрядные приборы тлеющего разряда?

3. Назовите области применения газоразрядных приборов дугового разряда.

4. Какой полупроводниковый прибор является аналогом газотрона?

5. В чем заключаются преимущества светоизлучающих диодов перед газосветными сигнальными лампами?