Газорозрядні лампи
Освіта високої напруги за допомогою вітру та дощу є досить тривалим процесом, при цьому швидкість накопичення заряду зростає за певних атмосферних умов. Водночас про спалах блискавки ніяк не скажеш, що він триває довго. Чому так відбувається? Чому ми не спостерігаємо м'якихдуг, що світяться, замість раптовихспалахів? Це нелінійними властивостями опору повітря.
За звичайних умов опір повітря має дуже високе значення. Насправді воно настільки високо, що зазвичай ми вважаємо його нескінченним, а електропровідністю повітря просто нехтуємо. Присутність у повітрі води та пилу зменшує опір до певної міри, проте за цих умов повітря все ще слід розглядати як непровідник. В умовах високої напруги електричні властивості повітря змінюються: електрони «відриваються» зі своїх звичайних «місць проживання» і стають вільними, що дозволяє формуватися електриці. У цьому стані повітряіонізованийі називається негазом, аплазмою.Поняття «плазма» не варто плутати з медичним терміном (яким позначається рідка частина крові, в якої зважені формені елементи), - їм позначається четверте (після твердого, рідкого та газоподібного) агрегатне станом речовини. Плазма є досить добрим провідником електрики, при цьому її питомий опір набагато менше, ніж опір тієї ж речовини в газоподібному стані.
У міру просування струму крізь плазму відбувається розсіювання енергії у формі тепла, так само як струм розсіює енергію на резисторі у формі тепла. У разі блискавки температура буде дуже високою. Висока температура також може перетворити газ на плазму або підтримувати плазму навіть увідсутність високої напруги. У міру того як напруга між хмарою і землею або двома хмарами зменшується, коли диспропорція зарядів нейтралізується струмом блискавки, тепло блискавкою, що розсіюється, зберігає повітря в стані плазми, завдяки чому опір залишається низьким. Видимий нами спалах блискавки залишається в стані плазми до тих пір, поки напруга не опуститься до рівня нижче того, що потрібно для створення струму та розсіювання енергії у вигляді тепла. І нарешті повітря повертається в газоподібний стан і більше не проводить електрику, після чого починається повторне накопичення заряду.
Позначте наявність гістерези в ході всього циклу. Коли повітря не проводить електрику, воно має тенденцію до того, щоб залишатисянепровідникомдоти, поки напруга не досягне певного критичного порога. Потім, після зміни агрегатного стану, є тенденція до того, щоб залишатися провідником доти, поки напруга не впаде нижче певної критичної точки. Після «вмикання», повітря тяжіє до того, щоб залишатися у «включеному стані», а після «вимикання» - тяжіє до того, щоб залишатися у «відключеному» стані. Гістерезис та постійне наростання напруги, викликане дією вітру та дощу, пояснюють те, чому спалахи блискавки такі нетривалі.
З погляду електроніки аналізоване нами явище подібне до дії релаксаційного генератора. Генератори є електронні схеми, що створюють осцилюючу (змінну) напругу, живлячись від джерела постійного струму. Релаксаційний генератор працює за принципом конденсатора, що заряджається, який розряджається щоразу, коли напруга досягає критичного порогового значення. Один із найпростіших релаксаційнихгенераторів складається з трьох компонентів (крім джерела живлення постійного струму): резистора, конденсатора та неонової лампи (див. малюнок нижче).
Простий релаксаційний генератор
Неонові лампи складаються з двох електродів усередині запаяної скляної колби, в яку закачано неон. При кімнатній температурі і без напруги, опір лампи практично нескінченно. Однак, при перевищенні певного порогового значення напруги (це значення залежить від температури газу та геометрії лампи), відбувається іонізація газу (перетворення на плазму), а опір кардинально знижується. Насправді, неонова лампа має ті ж характеристики, що і повітря в грозу, включаючи світлове випромінювання в результаті розряду, хоча і в меншому масштабі.
Конденсатор показаного на малюнку вище релаксаційного генератора заряджається зі швидкістю, що відповідає зворотній експоненті, що визначається номіналом резистора. Коли напруга досягає порогового значення, відбувається раптове включення лампи і швидка розрядка конденсатора до низького значення. Після розрядки відбувається відключення лампи, після чого знову починається накопичення заряду на конденсаторі. В результаті ми отримаємо серію спалахів лампи, швидкість яких залежить від напруги батареї, опору резистора, ємності конденсатора та значення порогової напруги.
Незважаючи на те, що газорозрядні лампи найчастіше використовуються з метою освітлення, їх гістерезисні властивості були також використані в приладі під назвоютиратрон,використовуваному для виконання більш складних функцій. Фактично, іонний ламповий тріод (тріод — електронна лампа з трьома електродами, що виконує функцію практично ідентичну транзистору із ізольованим)затвором з каналом n-типу), тиратрон може бути включений за допомогою невисокої керуючої напруги, прикладеної між сіткою і катодом, і відключений за допомогою зменшення напруги анод-катод.
Проста схема управління тиратроном
По суті, тиратрони єкерованимваріантом неонових ламп для перемикання струму навантаження. Крапка всередині гуртка на схемі вказує на наявність газу, що відрізняє тиратрон від звичайних електронних ламп, усередині яких створюється вакуум. За допомогою тиратрону можна забезпечувати протікання струму в навантаження в одному напрямку (зверніть увагу на полярність на резисторі навантаження), коли на нього подається невеликий керуючий постійний струм між сіткою і катодом. Зверніть увагу, що джерело живлення навантаження подає змінний струм, що дає нам ключ до розуміння того, як тиратрон відключається після того, як він вже був включений: оскільки напруга змінного струму періодично перетинає точку 0 вольт напівперіод, струм через навантаження, що живиться змінною напругою повинен також періодично припинятися. У момент відсутності струму лампа охолоджується і переходить у відключений стан. Провідність може відновитися тільки за наявності достатньої напруги з джерела живленняіякщо забезпечується керуюча напруга постійного струму.
На екрані осцилографа напруга навантаження подібної схеми виглядала б приблизно так:
Коли напруга живлення піднімається від нуля до першого піку, напруга навантаження залишається на нулі (відсутність струму навантаження), доки не буде досягнуто граничного значення напруги. У цій точці відбувається «ввімкнення» лампи і вона починає проводити, а напруга навантаження слідуватиме за напругою змінного струму протягомчастини півперіоду, що залишилася. Напруга на навантаженні (а отже і струм навантаження) існує, навіть коли крива змінної напруги падає нижче граничного значення. Така дія гістерезису: лампа проводить навіть у той момент, коли напруга живлення падає майже до нуля. Оскільки тиратрон є приладом односторонньої дії (подібно діоду), протягом негативного напівперіоду напруги змінного струму напруга на навантаженні відсутня. У практичних схемах з тиратроном кілька ламп розташовані таким чином, щоб сформувати двонапівперіодний випрямляч для подачі в навантаження випрямленого струму.
Тиратрони застосовуються у схемах релаксаційних генераторів. Частота регулюється невеликою напругою постійного струму між сіткою та катодом (див. малюнок нижче). Цей генератор керований напругою відомий у скороченій формі як ГУН . На виході релаксаційних генераторів форма ЕРС має форму, яка значно відрізняється від звичної синусоїдальної форми. Найчастіше релаксаційні генератори застосовуються у вигляді демонстраційних схем (як і в нашому випадку) або в тих випадках, коли потрібні насичені гармоніками сигнали.
Тиратрон - керований напругою релаксаційний генератор
В даний час напівпровідникові компоненти практично витіснили тиратрони і значно звузили область їх застосування. Не випадково словотиристортак схоже на словотиратрон, оскільки обидва ці прилади виконують аналогічні функції: їхгістерезисние властивості використовуються для включення та вимикання струму.
Електричнийгістерезис, —тенденція компонента залишатися у провідному стані після того, як він почав проводити, та у непровідному стані, після того як вінперестав проводити, — дає пояснення того, чому блискавки є одноразовими, а не тривалими розрядами струму.
Прості газорозрядні лампи (наприклад, неонові) виявляють властивості електричної гістерези.
У газорозрядних лампах складнішої структури присутні керуючі елементи, завдяки чому їхня напруга «вмикання» може регулюватися зовнішнім сигналом. Найпоширенішим типом таких ламп ставтиратрон.
Схеми простих генераторів, званих релаксаційними генераторами, можуть бути зібрані на основі простого зарядного ланцюжка резистор-конденсатор і приладу, що проявляє гістерезні властивості, з'єднаного послідовно з резистором.