Газоразрядные лампы
Если вы когда-нибудь видели грозу, то вы видели электрический гистерезис в действии (и, вероятно, не понимали, что видите). Действие сильного ветра и дождя накапливает огромные статические электрические заряды между облаком и землей, а также между облаками. Дисбаланс электрических зарядов проявляет себя как высокое напряжение, и когда электрическое сопротивление воздуха больше не может удерживать эти высокие напряжения под контролем, огромные волны тока движутся между противоположными полюсами электрического заряда, которые мы называем «молниями».
Наращивание ветром и дождем высоких напряжений является довольно непрерывным процессом, в подходящих погодных условиях скорость накопления заряда увеличивается. Однако вспышки молний не являются непрерывными: они существуют как относительно короткие скачки, а не непрерывные разряды. Почему так? Почему бы нам не наблюдать мягкие, светящиеся дуги молний вместо неистовых коротких вспышек молний? Ответ кроется в нелинейном (и гистерезисном) сопротивлении воздуха.
В обычных условиях воздух имеет чрезвычайно высокое сопротивление. Фактически, оно настолько высоко, что мы обычно относимся к его сопротивлению как к бесконечной величине, а электрическая проводимость воздуха ничтожно мала. Присутствие воды и пыли в воздухе снижает его сопротивление, но он по-прежнему является изолятором для большинства практических целей. Когда через расстояние в воздухе прикладывается достаточно высокое напряжение, его электрические свойства изменяются: электроны «отделяются» от своих нормальных положений вокруг своих соответствующих атомов и освобождаются для образования тока. В этом состоянии воздух считается ионизированным и называется плазмой, а не газом. Это использование слова «плазма» не следует путать с медицинским термином (означающим жидкую часть крови), это четвертое состояние вещества, остальные три это твердое, жидкое и пар (газ). Плазма является относительно хорошим проводником электричества, её удельное сопротивление намного ниже, чем у того же вещества в его газообразном состоянии.
По мере прохождения электрического тока через плазму в плазме происходит рассеивание энергии в виде тепла так же, как ток рассеивает энергию в виде тепла, проходя через твердый резистор. В случае молнии связанные с ней температуры чрезвычайно высоки. Высоких температур также достаточно для преобразования газообразного воздуха в плазму или поддержания плазмы в этом состоянии без наличия высокого напряжения. Поскольку напряжение между облаком и землей, или между облаком и облаком, уменьшается по мере того, как дисбаланс заряда нейтрализуется током молнии, тепло, рассеиваемое молнией, поддерживает воздушный путь в плазменном состоянии, сохраняя его сопротивление низким. Молния остается плазмой до тех пор, пока напряжение не уменьшится до слишком низкого уровня, чтобы поддерживать достаточный ток для рассеивания достаточного количества тепла. Наконец, воздух возвращается в газообразное состояние и останавливает ток, что позволяет снова нарастить напряжение.
Обратите внимание, что на протяжении этого цикла воздух проявляет гистерезис. Когда он не проводит электричество, он имеет тенденцию оставаться диэлектриком до тех пор, пока напряжение не будет превышать критическое пороговое значение. Затем, когда он изменяет состояние и становится плазмой, он стремится оставаться проводником, пока напряжение не опустится ниже критической пороговой точки. «Включившись» («открывшись»), он имеет тенденцию оставаться «открытым», а «выключившись» («закрывшись»), он имеет тенденцию оставаться «закрытым». Этот гистерезис в сочетании с устойчивым нарастанием напряжения из-за электростатического воздействия ветра и дождя объясняет поведение молнии как коротких всплесков.
В электронном виде то, что мы имеем здесь в поведении молнии, является простым релаксационным генератором. Автогенераторы представляют собой электронные схемы, которые генерируют колебания (переменного) напряжения от устойчивого источника постоянного тока. Релаксационный генератор – это автогенератор, который работает по принципу заряда конденсатора, который резко разряжается каждый раз, когда его напряжение достигает критического порогового значения. Один из простейших релаксационных генераторов состоит из трех компонентов (не считая источника питания постоянного тока): резистор, конденсатор и неоновая лампа, как показано на рисунке ниже.
Неоновые лампы представляют собой не что иное, как два металлических электрода внутри герметичной стеклянной колбы, разделенных внутри газом неоном. При комнатной температуре и без приложенного напряжения лампа имеет почти бесконечное сопротивление. Однако когда определенное пороговое напряжение превышается (это напряжение зависит от давления газа и геометрии лампы), газ неон становится ионизированным (превращается в плазму), и его сопротивление резко уменьшается. По сути, неоновая лампа проявляет те же характеристики, что и воздух во время грозы, в комплекте с испусканием света в результате разряда, хотя и в гораздо меньших масштабах.
Конденсатор в схеме релаксационного генератора, показанного выше, заряжается с обратно экспоненциальной скоростью, определяемой размером резистора. Когда его напряжение достигает порогового напряжения лампы, лампа внезапно «включается» и быстро разряжает конденсатор до низкого значения напряжения. После разряда лампа «выключается» и позволяет конденсатору снова набирать заряд. Результатом является серия коротких вспышек света лампы, скорость которых определяется напряжением батареи, сопротивлением резистора, емкостью конденсатора и пороговым напряжением лампы.
В то время как газоразрядные лампы чаще используются в качестве источников освещения, их гистерезисные свойства использовались в несколько более сложных вариантах, известных как тиратронные лампы. По сути, это газонаполненная триодная лампа (триод представляет собой трехэлементную вакуумную лампу, выполняющую функцию, очень похожую на N-канальный полевой транзистор с изолированным затвором со встроенным каналом), тиратрон можно включить с помощью небольшого управляющего напряжения, приложенного между сеткой и катодом, и выключить путем уменьшения напряжения анод-катод.
По сути, тиратронные лампы были управляемыми версиями неоновых ламп, построенными специально для коммутации тока на нагрузке. Точка внутри круга на условном обозначении указывает на заполнение газом, в отличие от жесткого вакуума, обычно наблюдаемого в других конструкциях электронных ламп. В этой схеме, показанной на рисунке выше, тиратронная лампа пропускает ток через нагрузку в одном направлении (обратите внимание на полярность на нагрузочном резисторе), когда срабатывает под действием небольшого постоянного управляющего напряжения, приложенного между сеткой и катодом. Обратите внимание, что источником питания нагрузки является источник переменного тока, что дает представление о том, что тиратрон отключается (закрывается) после включения (открывания): поскольку напряжение переменного тока периодически проходит через точку 0 вольт между полупериодами, ток через нагрузку с питанием от источника переменного тока также должен периодически останавливаться. Эта кратковременная пауза между полупериодами дает время для охлаждения лампы, позволяя ей вернуться в нормальное состояние «выключена» («закрыта»). Проводимость может возобновиться только в том случае, если источником питания переменного тока будет подано достаточное напряжение, и если это позволит постоянное управляющее напряжение.
Осциллограмма напряжения на нагрузке в такой схеме будет выглядеть примерно так, как показано на рисунке ниже.
По мере того, как переменное напряжение питания поднимается от нуля до первого пика, напряжение нагрузки остается на нуле (отсутствует ток нагрузки) до достижения порогового напряжения. В этот момент лампа переключается в режим «открыта» («включена») и начинает проводить ток, теперь в оставшуюся часть полупериода напряжение нагрузки соответствует переменному напряжению питания. Напряжение нагрузки присутствует (следовательно, и ток нагрузки), даже когда сигнал переменного напряжения падает ниже порогового значения лампы. Это гистерезис в действии: лампа остается в проводящем режиме, продолжая проводить ток до тех пор, пока напряжение питания не упадет почти до нуля вольт. Поскольку тиратронные лампы являются однонаправленными (диодными) устройствами, на нагрузке отсутствует напряжение во время отрицательного полупериода переменного напряжения питания. В практических схемах на тиратронах несколько ламп включаются в виде двухполупериодного выпрямителя, чтобы обеспечить полную мощность постоянного напряжения на нагрузке.
Тиратронная лампа применялась в схеме релаксационного генератора. Частота контролировалась небольшим постоянным напряжением между сеткой и катодом (рисунок ниже). Этот управляемый напряжением генератор известен как ГУН (генератор, управляемый напряжением; VCO, voltage-controlled oscillator). Релаксационные генераторы выдают очень несинусоидальный сигнал, и они существуют в основном как демонстрационные схемы (как в данном случае) или в приложениях, где необходим сигнал с большим количеством гармоник.
Я говорю о тиратронных лампах в прошедшем времени по одной причине: современные полупроводниковые компоненты могут заменить устаревшую технологию тиратронных ламп во всех применения, кроме нескольких очень специализированных целей. Не случайно, что слово тиристор имеет такое сходство со слово тиратрон, поскольку этот класс полупроводниковых компонентов делает то же самое: использует гистерезисный коммутатор для включения и выключения тока. Именно эти современные устройства теперь привлекают наше внимание.
Резюме
- Электрический гистерезис, склонность компонента оставаться «включенным» («открытым», проводящим) после того, как он начал проводить ток, и оставаться «выключенным» («закрытым», непроводящим) после того, как он перестал проводить ток, помогает объяснить, почему молнии существуют как мгновенные всплески тока, а не непрерывные разряды в воздухе.
- Простые газоразрядные лампы, такие как неоновые лампы, обладают электрическим гистерезисом.
- Более продвинутые газоразрядные лампы были выполнены с элементами управления, поэтому их напряжение «включения» можно было регулировать внешним сигналом. Наиболее распространенная из этих ламп называется тиратрон.
- Простые генераторные схемы, называемые релаксационными генераторами, могут создаваться лишь с помощью цепи заряда резистор-конденсатор и гистерезисного устройства, подключенного к конденсатору.