Дискретные газоразрядные приборы

1. Газоразрядный стабилитрон.

Стабилитрон газоразрядный прибор, предназначенный для поддержания на неизменном уровне (стабилизации) напряжения источников питания или узлов радиоэлектронной аппаратуры. С. представляют собой двухэлектродные устройства, к-рые В зависимости от вида электрического разряда, используемого в них, стабилитроны подразделяются на приборы тлеющего разряда и и приборы коронного разряда.

Стабилитрон тлеющего разряда – ионный газоразрядный электровакуумный прибор, предназначенный для стабилизации напряжения. Стабилитроны тлеющего разряда заполнены смесью инертных газов и предназначены для стабилизации напряжений от 80 В (аргоново-гелиевая и неон-криптоновая смеси) до 1,2 кВ (гелиево-неоновая смесь). Конструктивно близкие стабилитроны коронного разряда заполнены водородом и предназначены для стабилизации напряжений от 0,4 до десятков кВ.

Работа стабилитрона основана на свойстве тлеющего разряда: при изменении тока через прибор падение напряжения между электродами почти не меняется. Конструктивно стабилитрон состоит из 2 коаксиальных электродов (катод обычно снаружи), помещённых в стеклянный или металлический баллон, содержащий смесь газов (как правило, инертных) при давлении в десятки мм. рт. ст. Рост тока при тлеющем разряде при таком расположении электродов происходит за счёт увеличения площади катода, охваченной разрядом, при этом плотность тока в ионизированной части газа остаётся неизменной, Следовательно, остаётся почти неизменным и падение напряжения на разрядном промежутке. В некоторых случаях для снижения напряжения зажигания внутрь прибора вводится небольшое количество радиоактивного вещества.

Таким образом, в стабилитронах используется режим нормального катодного падения. Особенности этого режима следующие. Пусть площадь поверхности катода значительно больше площади поверхности анода и в цепь включен соответствующий ограничительный резистор (рис. 1). В этом случае после возникновения разряда устанавливается сравнительно небольшой ток. Тлеющий разряд может быть при условии, что плотность тока на катоде не слишком мала. Только тогда из катода выбивается достаточное число электронов. Разряд сразу не распространяется на всю поверхность катода. Ток проходит только через часть поверхности (заштрихована). При этом плотность тока достаточна и тлеющий разряд существует.

Падение напряжения на приборе U _a= i _a R ₀. Здесь R ₀— сопротивление ионизированного газа между анодом и рабочей частью поверхности катода. В данном случае этот своеобразный «проводник» имеет форму конуса. Если увеличить подводимое напряжение, ток возрастет и пропорционально увеличится рабочая площадь катода. Площадь поперечного сечения газового «проводника» станет больше, и сопротивление R ₀соответственно уменьшится. Таким образом, сопротивление R ₀уменьшается во столько раз, во сколько увеличивается ток i _a, а произведение i _a R ₀остается постоянным (в действительности оно все же немного увеличивается).

Рис. 1. Изменение рабочей площади катода в режиме нормального катодного падения

Рис. 2. Вольтамперная характеристика стабилитрона

Этот режим возможен до тех пор, пока рабочая площадь катода меньше площади его полной поверхности. Когда разряд распространится на всю поверхность катода, то при дальнейшем увеличении напряжения E _а ток начнет возрастать, но при этом, конечно же, площадь катода остается неизменной. В этом режиме увеличение числа электронов, выбиваемых из катода, возможно только за счет увеличения энергии ионов, бомбардирующих катод. А для этого необходимо повышение напряжения. Плотность тока катода растет. Сопротивление R _огруже не уменьшается пропорционально току, и произведение i _a R _огр, т. е. падение напряжения на приборе, увеличивается. Наступает режим аномального катодного падения напряжения.

Все же сопротивление R ₀несколько уменьшается при возрастании тока, так как растет число ионов и электронов в единице объема газа. Но это уменьшение не такое сильное, как в режиме нормального катодного падения, поэтому напряжение U _а увеличивается. Усиливается также яркость свечения газа, и оно распространяется все больше на обларть плазмы. В режиме аномального катодного падения работают газосветные лампы и различные ионные индикаторные приборы.

Если продолжать увеличивать подводимое напряжение, ток и напряжение будут расти и в конце концов скачком возникнет дуговой разряд, который недопустим для приборов тлеющего разряда.

2. Тиратрон

Тиратрон – газоразрядный (ионный) прибор с сеточным управлением моментом возникновения (зажигания) тлеющего разряда. Тиратрон изобретен в 1929 г. американским ученым А.Халлом. Ранее широко использовался в устройствах вычислительной техники в качестве реле и для выполнения логических операций. Основное применение тиратронов тлеющего разряда – в устройства автоматики, в газоразрядных системах, в качестве высоковольтных коммутаторов.

В тиратроне между анодом и катодом могут располагаться одна (триод), две (тетрод) или более (пентод, гексод) управляющих электродов, называемых сетками. Для того, чтобы зажечь разряд между анодом и катодом, на сетку подаётся электрический сигнал. В отличие от вакуумных триодов, при снятии управляющего сигнала ток между анодом и катодом продолжается до тех пор, пока напряжение на аноде не уменьшится ниже напряжения поддержания разряда. В современной электронике, маломощные тиратроны практически полностью вытеснены полупроводниковыми приборами. Современные мощные тиратроны применяются при коммутации импульсов тока до 10 кА и напряжения до 50 кВ.

В качестве рабочего газа в тиратронах используется смесь инертных газов. Тиратроны различаются способом подачи управляющего сигнала (способом поджига):

· тиратроны, управляемые током (трёхэлектродные);

· тиратроны, управляемые положительными напряжениями;

· тиратроны, управляемые отрицательными напряжениями.

Особый класс тиратронов тлеющего разряда – индикаторные тиратроны. Они предназначенны, как и следует из их названия, не столько для коммутации электрических цепей, сколько для индикации. В отличие от простых неоновых ламп, они способны управляться пониженными напряжениями, а также запоминать своё состояние, разгружая управляющую ими вычислительную систему для выполнения других задач. Некоторые индикаторные тиратроны являются люминофорными, и позволяют получать цвета, отличные от свойственного неону оранжево-красного цвета.

Хотя ничто не мешает применять для индикации практически любой подходящий по параметрам тиратрон тлеющего разряда, выполненный в прозрачном баллоне, использование в этом качестве именно специальных, индикаторных тиратронов позволяет получить значительно лучшие эргономические и эстетические показатели.

Среди отечественных индикаторных тиратронов можно выделить следующие модели:

1) МТХ-90 – трёхэлектродный прибор. Данный тиратрон до сих пор используется в устройствах железнодорожной автоматики в блоках выдержки времени БВМШ и БСВШ. Он также используется в качестве активного элемента в релаксационных генераторах, применяемых в стробоскопах, где необходима генерация периодических световых импульсов. МТХ-90 иногда используется в генераторах высокого напряжения для ионизаторов воздуха, в качестве источника света и одновременно активного элемента релаксационного генератора в приборах для фототерапии, в сенсорных устройствах. В последнем случае тиратрон открывается при воздействии на сетку наводок от прикосновения пальца к сенсору, подключённому к сетке через сопротивления в 1 Мом.

2) ТХ5Б –четырёхэлектродный прибор;

3) ТХ16Б – пятиэлектродный прибор;

4) ТХ17Б – пятиэлектродный прибор с люминофором зелёного цвета;

5) ТХ19АЗ – шестилектродный прибор с люминофором зеленого цвета;

6) ТХ19АЖ – шестилектродный прибор с люминофором желтого цвета;

7) ТХ19АК – шестилектродный прибор с люминофором красного цвета.

Как уже было отмечено, в тиратронах в качестве рабочего газа используют неон, ксенон, криптон-ксеноновую смесь, аргоново-ртутную смесь или пары ртути. Последние применялись в управляемых выпрямителях, а также в силовых коммутационных ключах. В приборах импульсного типа используют водород. Импульсные водородные тиратроны широко применяются как коммутирующие ключи в линейных модуляторах

Маркировка тиратронов:

· ТГ («тиратрон с газовым наполнением») — тиратроны с накалённым катодом, наполненные инертным газом

· ТГИ («тиратрон с газовым наполнением, импульсный») — импульсные тиратроны, наполненные газом (как правило, водородом)

· ТР («тиратрон ртутный») — ртутные тиратроны с накалённым катодом

· ТГР («тиратрон газово-ртутный») — тиратроны с накалённым катодом со смешанным наполнением

· ТХ, МТХ («тиратрон холодный») — тиратроны тлеющего разряда

· ТПИ — тиратроны с полым катодом

· ТДИ — тиратроны с дуговой формой разряда

Далее мы рассмотрим, в качестве примера, тиратрон МТХ-90.

В данном тиратроне используется разновидность газового разряда, который происходит при низкой температуре катода и характеризуется катодным падением напряжения – порядка сотен вольт, и небольшими токами – не более десятков мА. Тиратрон тлеющего разряда МТХ-90 имеет «холодный» катод, анод и одну сетку (момент зажигания разряда управляется сеточным током). Эта разновидность тиратронов ранее использовалась в устройствах автоматики и телемеханики, в счетных устройствах, измерительной, связной и другой радиоэлектронной аппаратуре для преобразования электрических сигналов малой мощности и в качестве ионного реле и фотореле, в сенсорных устройствах и индикаторах радиоактивности. В нем качестве газа используется неон при давлении 16 – 20 мм рт.ст. Имеет оформление – стеклянное, сверхминиатюрное. Масса – 4 г. Выводы электродов мягкие, проволочные. Выводов три: 1 - катод; 2 - анод; 3 – сетка. Счет выводов ведется от вывода катода, приваренного к цилиндру (см. рис. 3, где приводится внешний вид прибора и его условное обозначение). Основные параметры тиратрона приводятся в таблицах 1-3.

Рис. 3. Порядок расположения электродов

тиратрона тлеющего разряда МТХ-90

Таблица 1.

Основные потенциальные параметры тиратрона МТХ-90.

Тип	U в.разр.а-к, В	U в.разр.с-к, В	U п.разр.а-к, В	U п.разр.с-к, В	U а-к.св.с, В
МТХ-90	≤ 150	65 - 90	≤ 65	≤ 85
U а-ск, В	U а-к, В при I c=1мкА	Uвх.сигн, В
≤ 140	85 – 150	1,5 - 25

В таблице 1 использованы обозначения:

U _{в.разр.а-к} – напряжение возникновения разряда между анодом и катодом;

U _{в.разр.с-к} – напряжение возникновения разряда между сеткой и катодом;

U _{п.разр.а-к} – напряжение поддержания разряда между анодом и катодом;_.

U _{п.разр.с-к} – напряжение поддержания разряда между сеткой и катодом;

U _а-ск – напряжение анода при сетке соединенной с катодом;

U _а-к (при I c=1мкА) – напряжение анода при сеточном токе 1 мкА;

U _{а-к.св.с} – напряжение анода при свободной сетке;

U _{вх.сигн} – амплитуда входного сигнала, необходимого для возникновения тлеющего разряда между анодом и катодом.

Таблица 2

Основные токовые параметры тиратрона МТХ-90

Тип	I подг.тип, мкА	I а. р.р.ампл, мА	I а. р.р.ср, мА	I а. т.р.ампл, мА	I а. т.р.ср, мА
МТХ-90		≤ 35	≤ 7	≤ 4	≤ 2
I с.в.разр,мкА при Uа=150В	I с.в.разр,мкА при Uа=120В	I с.в.разр,мкА при Uа=85В
> 2	8 – 40	≤ 100

I _{подг.тип} – типовое значение подготовительного тока сетки

I _{а. р.р.ср} – ток анода в релейном режиме (среднее значение)

I _{а. т.р.ср} – ток анода в триггерном режиме (среднее значение)

I _{а. т.р.ампл} – ток анода в триггерном режиме (амплитудное значение)

I _{а. р.р.ампл} – ток анода в релейном режиме (амплитудное значение)

I _{с.в.разр} – сеточный ток возникновения разряда при определенном U_а-к

Таблица 3

Основные временные параметры тиратрона МТХ-90

Тип	τзап, с	τупр, мкс	τвос, мкс
МТХ-90	-		≤ 800

В настоящее время тиратроны не могут составить конкуренцию микросхемам, транзисторам и тиристорам в большинстве схем, но тиратрон МТХ-90 не имеет цепей накала, многофункционален, потребляет небольшую мощность и надежен.

Устройства с ним - просты в наладке и регулировке, имеют высокую чувствительность, рабочий интервал температур от - 45⁰ до +70⁰С, частотный интервал до 50 кГц (в некоторых случаях до 2 МГц), не боятся воздействия ионизирующих излучений, малочувствительны к внешним магнитным полям, область применения обширна и может еще увеличиться.

Резко возрос срок службы тиратрона и его надежность: в 1962-ом году минимальный срок службы составлял всего 1000 зажиганий, а уже в 90-х годах он превысил 4000 часов работы, что можно обьяснить заменой аргоногелиевой газовой смеси на неон, повышением качества материалов электродов и возросшей чистотой газа.

К положительным свойствам тиратрона можно отнести и то, что он может в отдельных случаях заменить динистор (с регулируемым напряжением включения 85 – 200В и кроме этого визуально показывает ярким свечением свою работу). Преимущества тиратрона в сравнении с неоновыми лампами более очевидны: больший рабочий ток и яркость, возможность управления напряжением зажигания и усиления слабых сигналов. В силу перечисленных причин тиратрон МТХ-90 еще рано списывать со счетов

Рассмотрим пример практического применения тиратрона в простом генераторе периодических сигналов.

Схема генератора приведена на рис. 4. В основу его работы положен принцип ударного возбуждения колебаний в резонансном контуре.

Рис. 4. Схема генератора периодических пакетов затухающих синусоидальных колебаний.

В данном генераторе колебательный контур образован катушкой L1 (или L2) и конденсатором С1. Роль источника возбуждающих импульсов выполняет генератор релаксационных колебаний на тиратроне МТХ-90. Управляющий электрод тиратрона соединен с катодом, то есть он работает как газоразрядный диод (динатрон). Такой газонаполненный диод обладает свойством: пока напряжение на его электродах мало (меньше так называемого напряжения зажигания), он не проводит электрического тока. Если увеличить напряжение, газовый промежуток диода пробивается и начинает проводить электрический ток. При этом ионизированный газ неон внутри тиратрона будет светиться характерным для него красным светом. Далее МТХ-90 сохраняет проводимость и при напряжениях, меньших напряжения зажигания. Разность между напряжениями зажигания и погасания может быть весьма большой - 20-150 в. Для того чтобы обеспечить прерывистое зажигание тиратрона, параллельно ему включен конденсатор С3. Он заряжается через резисторы R1 и R2 довольно медленно, а разряжается через тиратрон быстро. Ток, протекающий по резисторам R1 и R2 настолько мал, что не может поддерживать горение тиратрона. Когда напряжение на конденсаторе упадет ниже напряжения погасания, тиратрон погаснет. Конденсатор снова будет заряжаться. Меняя величину резистора R2, можно менять частоту «зажигания» тиратрона от 600 до 2000 раз в секунду. Вместе с конденсатором С3 заряжается и разряжается конденсатор С2. Он включен параллельно С3 через колебательный контур L1C1 или L2C1 (в зависимости от положения переключателя П). Когда загорается тиратрон, конденсатор С2 разряжается через контур; в контуре возникают затухающие электрические колебания. Этот процесс повторяется 600-2000 раз в секунду. Частота собственных колебаний контура зависит от величины индуктивности катушки L1 (L2) и емкости конденсатора C1. В данном случае (при величинах емкостей, указанных на схеме) она меняется в пределах 150-415 или 520-1600 кГц в зависимости от положения переключателя П1. Питание генератора производится от сети переменного тока напряжением 220 В через выпрямитель. Он собран по однополупериодной бестрансформаторной схеме.

3. Дискретные газоразрядные индикаторы.

Сравнительно высокое рабочее напряжение (сотни вольт) газоразрядных индикаторов предопределяет приме­нение этих приборов в аппаратуре с сетевым электропитанием. В то же время аморфность газовой среды делает возможным созда­ние приборов больших размеров, а ее свойства позволяют строить функциональные индикаторы, в которых адресация информации по индикаторному полю или ее запоминание осуществляются внут­ри индикатора.

По принципу действия и конструкции газоразрядные индика­торы делятся на три группы: знаковые (большей частью цифро­вые); индикаторные тиратроны; газоразрядные индикаторные па­нели.

Практически все типы газоразрядных индикаторов представля­ют собой комбинацию диодных промежутков. Обычно ток в таком промежутке ограничивается резистивной нагрузкой (рис. 5). В этом случае рабочая точка прибора определяется пересечением нагрузочной прямой с вольтамперной характеристикой (рис. 5). Если это пересечение приходится на горизонтальный участок характеристики, в приборе устанавливается нормальный тлеющий разряд, если на возрастающий - аномальный. Для возникновения разряда необходимо, чтобы

E _a ≥ U _в, (1)

где U _в-напряжение возникновения разряда. Ток через прибор

I _a = (E _a -U _п )/R _a, (2)

где U _п - напряжение поддержания разряда.

Из равенств (1) и (2) видно, что для выбора статического режи­ма работы газоразрядных индикаторов важны следующие пара­метры; U _в и U _п - напряжения возникновения и поддержания раз­рядов, I _п - ток перехода от нормального к аномальному тлеюще­му разряду (этот переход соответствует полному покрытию като­да свечением).

Основные динамические характеристики газоразового разряда иллюстрируются рис. 6.

Так как время запаздывания возникновения разряда обусловлено появлением у холодного катода индикатора электронов, что явля­ется статистическим процессом, то оно характеризуется средним значением τ _ст и его дисперсией. Для уменьшения и одновременно стабилизации этого времени с помощью вспомогательного разряда у катода создают начальную концентрацию электронов. После по­явления начального электрона нарастание лавин в промежутке и установление тока также требуют определенного времени форми­рования τ_Ф. Для возвращения промежутка в первоначальное со­стояние после окончания импульса анодного напряжения заряжен­ные частицы должны рекомбинировать, на что уходит время деионизации τ_д.

Перечисленные динамические параметры τ_ст, τ_ф, τ_д газоразряд­ных индикаторов определяют минимальные длительности управ­ляющих импульсов, подаваемых на прибор, и предельную частоту его работы.

Излучателем в газоразрядных индикаторах часто является от­рицательное тлеющее свечение - область, непосредственно при­мыкающая к отрицательному электроду (катоду) прибора. В ка­честве газового наполнения, как правило, применяют инертный газ, слабо реагирующий с деталями внутренней структуры и мало поглощаемый, чем обеспечиваются высокий срок службы и малая скорость деградации характеристик. Достаточно высокую яркость свечения в видимой области спектра дают только неон и его сме­си с другими инертными газами (до 10 000 кд/м² и выше). Так как основные линии излучения неона лежат в оранжево-красной части спектра, то ею и ограничивается цвет свечения многих га­зоразрядных индикаторов.

Рассмотрим несколько видов газоразрядных индикаторов.

А. Знаковые индикаторы

Наиболее простые по конструкции и принципу действия знаковые (цифровые) индикаторы содержат множество катодов, окруженных общим анодом. Электродная структура знакомоделирующего цифрового индикатора показан­а на рис. 7.

Индикатор содержит набор из десяти катодов, каждый из которых имеет форму цифры, окруженной со всех сторон анодным электродом. Для вывода излучения верхняя часть анода выполне­на в виде оптически прозрачной сетки. Прибор работает в режиме слабо аномального тлеющего разряда, т. е. при токах, чуть пре­вышающих ток полного покрытия катода свечением I _П. Так как давление газа в приборе составляет несколько тысяч паскалей, то свечение тлеющего разряда образует тон­кую (толщиной в десятые доли милли­метра) область, плотно окружающую ка­тод. В связи с этим область свечения имеет форму достаточно близкую к кон­туру катода, т. е. отображаемой цифры. Знакомоделирующие индикаторы бы­ли широко распространены благодаря привычности начертания символов. Но постепенно начали проявляться их недос­татки, связанные с тем, что экранирова­ние одних символов другими затрудняло наблюдение, а большая толщина катод­ного пакета уменьшала угол обзора и ограничивала число используемых зна­ков (длину алфавита).

Поэтому в последующих разработках знакомоделирующие индикаторы были заменены знакосинтезирующими, кото­рые выполнялись многоразрядными. Конструктивно такие индикаторы напомина­ют вакуумные люминесцентные, однако в отличие от последних они имеют не три, а два электрода. В газоразрядных индикаторах на месте ано­дов вакуумного люминесцентного индикатора располагаются хо­лодные катоды, а на месте сеток - аноды, выполняемые путем напыления прозрачного проводящего покрытия на внутреннюю по­верхность лицевой части прибора.

	Рис. 7. Конструкция знакомоделирующего газоразрядного индикатора: 1 – торцевая часть анода (прозрачная), 2 – катод, 3 – боковая часть анода

Газоразрядные знаковые индикаторы применяются в основном для отображения символов больших размеров. Параметры типич­ных цифровых индикаторов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Тип индикатора	Число знакомест	Размер знака, мм	Цвет свечения	Яркость, кд/м2	Угол обзора, град	нап­ряжение возникновения разряда, B	нап­ряжение поддержа­ния разряда, В	I а.мин, мА	I a.макс, мА
ИН-8-2		10´19	ОК					2,5	3,5
ИГП-17		12´9	ОК					0,025	0,035

Примечание: В приведенной таблице использовано сокращение - ОК обозначает оранжево-красный цвет свечения.