Іонні прилади з самостійним розрядом – неонова лампа, стабілітрони, тиратрони тліючого розряду

В іонних (газорозрядних) приладах, які посідають більш скромне місце в електронній техніці, ніж електровакуумні й особливо напівпровідникові прилади, однак застосовуються досить широко, електричний струм утворюється не у вакуумі, а в газовому середовищі, в умовах зіткнення електронів з молекулами газу.

Молекули газу під дією ряду причин (електричного або магнітного полів, теплового, світлового випромінювань тощо) розпадаються на іони й електрони, і газ стає провідним. Однак у природних умовах кількість електронів і іонів в одиниці об'єму газу порівняно невелика, оскільки іонізуюча дія зовнішніх факторів досить слабка, одночасно з процесом розпадання молекул (іонізацією) практично відбувається рівноцінний процес — рекомбінація, тобто процес сполучення електронів і іонів у нейтральні молекули (деіонізація). Тому електропровідність газу в природних умовах настільки мала, що його можна вважати ізолятором. Якщо газ перебуває в розрідженому стані, то можливості для деіонізації зменшуються, оскільки тепер в одиниці об'єму міститься менше молекул, середні відстані між електронами й іонами збільшуються, отже, ймовірність їх зіткнення (а значить, і рекомбінація) різко зменшується. Крім того, кількість електронів і іонів у газі значно збільшується внаслідок штучної зовнішньої дії (наприклад, електричного поля). Обидва ці фактори, що зумовлюють електричну провідність газу, використовуються в іонних приладах.

Конструктивно іонні прилади виготовляють у вигляді герметичних балонів (звичайно скляних), усередині яких розміщені електроди. Балони заповнюють розрідженим інертним газом або парами ртуті.

Коли до електродів іонного приладу прикласти напругу, то під дією електричного поля, що утворилося, позитивно заряджені іони починають рухатися до катода, а електрони до анода. Саме так в іонних приладах утворюється електричний струм.

Сукупність процесів, пов'язаних з проходженням струму через газ, називають електричним розрядом.

Коли напруга, прикладена до електродів іонного приладу, порівняно мала, то струм, що проходить через прилад, незначний і підлягає закону Ома. Цей струм зумовлений наявністю в газі електронів і іонів за рахунок природної іонізації (під впливом зовнішніх факторів). Такий розряд називають несамостійним, оскільки він не утворюється і не розвивається, коли немає зовнішніх іонізуючих факторів. У цьому режимі значна частина електронів і іонів рекомбінує.

Коли поступово підвищувати напругу на електродах приладу, то дуже швидко настане так званий режим насичення, при якому дальше підвищення напруги вже не супроводжується підсиленням струму. Це пояснюється тим, що майже всі електрони й іони, які утворилися в цих умовах за одиницю часу, беруть участь у перенесенні електричних зарядів. Рекомбінувати встигає лише незначна частина їх. Такий розряд називають «тихим», оскільки він без видимих зовнішніх виявів, і вважають його різновидом несамостійного розряду. Якщо далі підвищувати напругу, то настає момент, коли швидкості електронів стають достатніми для розщеплення нейтральних молекул газу на електрони й іони. Починається додаткова іонізація газу, і настає режим самостійного розряду. Електрони й іони, які щойно утворилися, беруть участь в іонізації і т. д. Цей процес наростає лавиноподібно. Струм через прилад збільшується, опір середовища різко спадає, напруга на електродах дещо зменшується. Іонний прилад, як кажуть, «запалюється» (газ у балоні починає світитися) і працює далі в режимі тліючого розряду. Особливістю цього режиму є автоматичне підтримання практично сталої напруги на електродах із зміною струму через прилад у досить широких межах. Сила струму обмежується зовнішнім опором кола. Ця властивість тліючого розряду широко використовується для стабілізації напруги в радіоелектронних схемах. Електроди в режимі тліючого розряду практично не нагріваються.

Дальше підвищення напруги на електродах супроводжується бомбардуванням катода позитивно зарядженими іонами, внаслідок чого катод нагрівається і починає випромінювати електрони (термоелектронна емісія). Кількість електронів, що іонізують газ, різко збільшується, опір ділянки анод — катод знижується і стає таким малим, що струм через прилад обмежується лише зовнішнім опором кола. Напруга на електродах приладу різко спадає. Такий розряд супроводжується яскравим свіченням газу в балоні і називається дуговим. У деяких іонних приладах спеціально встановлюють підігрівний (як в електронних лампах) катод, що дає можливість створити дуговий розряд при більш низьких напругах на електродах.

Ще один вид електричного розряду в газі — іскровий розряд. Він утворюється при високій електричній напрузі і тиску газу, близькому до атмосферного. На початку розряду між електродами утворюється іскровий канал (проскакує іскра, яка іонізує той простір газу, в якому вона утворилася). Цей іскровий канал є мовби провідником між двома електродами іонного приладу, і коли потужність джерела енергії достатня, то в приладі починаються процеси, аналогічні процесам дугового розряду. Коли ж потужність джерела енергії мала, то із зменшенням напруги іскровий розряд припиняється.