15-2. Ионные приборы с несамостоятельным дуговым разрядом

а) Газотрон

Газотрон представляет собой, газоразрядный ионный прибор, предназначенный для выпрямления переменного тока. Стеклянный или металлический баллон после создания в нем вакуума заполняется парами ртути или инертным газом при давлении 15—70 Па (0,1-0,5 мм рт. ст.). Газотрон имеет два электрода (рис. 15-4). Анод его выполняется из никеля или графита, катод — из вольфрамовой проволоки, покрытой слоем оксида. В мощных газотронах катод помещается внутри цилиндрического экрана, уменьшающего тепловые потери.

Катод питается от трансформатора накала. Напряжение накала должно быть не более 5 В, так как при большем напряжении при малом потенциале ионизации (для ртути около 10 В) может возникнуть дуга между концами катода. Таким образом, ток накала должен быть большим от нескольких ампер до нескольких десятков ампер; большим будет и время разогрева катода — от нескольких минут до нескольких десятков минут.

При увеличении анодного напряжения от нуля в газотроне сначала возникает только небольшой электронный ток, так как электроны в слабом электрическом поле между катодом и анодом имеют скорости, недостаточные для ионизации газа. Этому режиму работы соответствует участок ОА вольт-амперной характеристики газотрона (рис. 15-5). При повышении анодного напряжения до величины, несколько превышающей потенциал ионизации газа, электроны, покинувшие катод, под действием электрического поля получат скорости, достаточные для возбуждения и ионизации газа или паров ртути.

Рис. 15-4г Газотрон и его условное обозначение.

Рис. 15-5. Вольт-амперная характеристика газотрона.

Таким образом, в приборе начнется процесс ионизации газа, образования плазмы и возникнет дуговой разряд, чему соответствует точка А характеристики газотрона.

Положительные ионы, полученные при ионизации газа, компенсируют объемный отрицательный заряд вблизи катода, вследствие чего несколько увеличивается электронная эмиссия.

Увеличение тока при уменьшении сопротивления анодной цепи вследствие изменения нагрузки или при увеличении напряжения источника питания почти не влияет на величину падения напряжения между анодом и катодом.

Рабочему режиму газотрона соответствует участок БВ его вольт-амперной характеристики. Дальнейшее повышение напряжения и тока (за точкой В) недопустимо, так как может вызвать опасный нагрев и разрушение газотрона.

Преимущество газотрона перед вакуумным диодом заключается в меньшем падении напряжения в нем, вследствне чего выпрямители с газотронами имеют более высокий к. п. д.

Как уже отмечалось, газотрон требует большего времени для нагрева катода до рабочей температуры, которая должна быть получена до включения анодного Напряжения (во избежание потери эмиссии катодом).

На рис. 15-6 даны графики напряжений и токов для однополупериодного выпрямления с помощью газотрона. Положительное анодное напряжение сначала растет до момента зажигания, затем несколько спадает и далее остается постоянным. В конце положительного полупериода оно уменьшается до нуля.

Рис. 15-6. Графики напряжений и токов газотрона в схеме однополупериодного выпрямления.

Рис. 15-7. Газотронный выпрямитель с фильтром.

Отрицательная полуволна анодного напряжения имеет обычную форму синусоиды. Анодный ток на графике имеет форму импульсов синусоидальной формы со срезанной начальной частью.

Выпрямители с газотронами работают по тем же схемам, что и с вакуумными диодами, только на входных зажимах фильтра не должно быть конденсатора (рис. 15-7), так как в противном случае зарядный ток конденсатора может превысить допустимый и вызвать потерю эмиссии катода, т. е. выход газотрона из строя.

Основными параметрами, знание которых необходимо для нормальной эксплуатации газотрона, являются: 1) напряжение и ток накала; 2) максимальное и среднее значения выпрямленного тока; 3) падение напряжения на газотроне; 4) допустимое обратное напряжение; 5) время разогрева катода.

Наибольший или максимальный анодный ток не должен превышать тока эмиссии катода.

Допустимое обратное напряжение — это отрицательное напряжение на аноде, которое газотрон может выдержать без нарушения его вентильного действия, т. е. без зажигания обратной дуги.

Газотроны применяются в выпрямителях небольшой мощности (например, для зарядки аккумуляторов, питания цепей управления и др.).

б) Тиратрон

Тиратрон отличается от газотрона наличием третьего электрода сетки (рис. 15-8), предназначенной для управления анодным током. Катод тиратрона окружен металлическим экраном, верхнее отверстие которого закрыто сеткой, имеющей форму диска с отверстиями. Экран исключает возможность возникновения электрического поля между анодом и катодом помимо сетки.

Рис. 15-8. Тиратрон и его условное обозначение.

Сообщим сетке отрицательный потенциал по отношению к катоду.

В этом случае электрическое поле сетки в пространстве между сеткой и катодом будет направлено противоположно основному полю тиратрона и движение электронов между катодом и анодом замедлится. Таким образом, для каждого анодного напряжения существуют такие значения отрицательнрго потенциала сетки, при которых электроны движутся со скоростью, недостаточной для ионизации газа или паров ртути. Уменьшив отрицательный потенциал сетки до некоторого критического значения, вызываем изменение анодного тока, так же как и в вакуумном триоде (рис. 15-9). При критическом сеточном напряжении скорость движения электрона становится достаточной для ионизации газа и происходит зажигание дуги и образование плазмы. При этом анодный ток скачком возрастает до величины которая бпределяется нагрузочным сопротивлением и напряжением

С момента зажигания дуги анодный ток не зависит от сеточного напряжения. Зто объясняется тем, что при горящей дуге сетка покрыта слоем положительных ионов, которые нейтрализуют отрицательные заряды сетки, поэтому она перестает влиять на анодный ток. Для гашения дуги необходимо уменьшить анодное напряжение до значения, близкого к нулю.

При неизменном напряжении между сеткой и катодом зажигание дуги происходит при некотором анодном напряжении ил, следовательно, изменением напряжения на сетке можно регулировать величину анодного напряжения при котором зажигается тиратрон.

Рис. 15-9. Анодно-сеточная характеристика тиратрон с подогревным катодом.

Рис. 15-10. Пусковая характеристика и пусковая область тиратрона.

Кривая зависимости от напряжения на сетке называется пусковой характеристикой тиратрона (рис. 15-10). При определенном напряжении на сетке и повышении анодного напряжения зажигацде может произойти при напряжении, лежащем в границах от до так как напряжение зажигания зависит от давления в колбе, температуры, окружающей среды, сопротивления цепи сетки, тот накала и т. д. Поэтому вместо пусковой характеристики обычно дают пусковую область, ограниченную кривыми (рис. 15-10).

Для ограничения сеточного тока в цепь сетки включается сопротивление величиной от одного до ста килоом.

При работе тиратрона в цепи выпрямителя он в течение каждого периода один раз зажигается при положительном анодном напряжении и один раз гаснет при анодном напряжении, близком к нулю.

Подведем к сетке переменное напряжение той же частоты, что и анодное напряжение но сдвинутое относительно последнего по фазе на угол (рис. 15-11, а). Зажигание произойдет, когда отрицательное сеточное напряжение уменьшится, а анодное увеличится, так что оба напряжения будут соответствовать точке а (рис. 15-10), лежащей, на пусковой характеристике.

Рис. 15-11. Кривые напряжения и тока в тиратроне при различных углах сдвига между анодным и сеточным напряжением.

Изменив фазу сеточного напряжения, можно изменить момент зажигания тиратрона (точка б на рис. 15-10). Таким образом, можно регулировать продолжительность прохождения анодного тока в течение периода, т. е. регулировать среднее значение тока и напряжения (рис. 15-11, б).

Тиратроны применяются в цепях переменного тока с частотой не более 1-10 кГц, так как при большей частоте заряд у сетки не успевает рассасываться и управление тиратроном становится невозможным.

Тиратроны применяются в выпрямителях, преобразователях постоянного тока в переменный, автоматике и телемеханике и т. д.