Тиратрони тліючого розряду

Широке застосування одержали тиратрони тліючого розряду (тиратрони з холодним катодом) із трьома або більш електродами. Вони використовуються в автоматиці, у релейних і рахункових схемах, а також в імпульсних генераторах і інших пристроях. Назва «тиратрон» походить від слова «електрон» і грецького слова thyra (двері), що підкреслюють можливість «відкривання» (відмикання) тиратрона за допомогою сітки.

У триелектродних тиратронах тліючого розряду між анодом і катодом розташований третій електрод, називаний сіткою або пусковим електродом. Сітка в тиратроні має більш обмежену дію, ніж в електронних електровакуумних тріодах. В останніх, змінюючи напругу сітки, можна цілком керувати анодним струмом, тобто регулювати його від нуля до максимального значення. А в тиратроні за допомогою сітки можна тільки відмикати тиратрон, але не можна змінювати анодний струм. Після виникнення розряду сітка втрачає керуючу дію. Припинити розряд у тиратроні можна тільки зниженням анодної напруги до значення, при якому розряд не зможе існувати, або розривом анодного ланцюга.

На рис.15.11 показана побудова одного з тиратронів тліючого розряду. Відстані між електродами і тиск газу підбираються так, що між сіткою і катодом виникає самостійний темний розряд при більш низькій напрузі, чим напруга між анодом і катодом. А потім може виникнути тліючий розряд між катодом і анодом, якщо напруга анода буде достатньою. При цьому струм сітки складає одиниці або десятки мікроамперів, а струм анода може бути в тисячі разів більшим (одиниці або десятки міліамперів). Напруга виникнення розряду в анодному ланцюзі U_в тим нижче, чим більший струм сітки i_g. Це пояснюється тим, що з ростом струму сітки в проміжку сітка — катод збільшується кількість іонів і електронів і полегшується виникнення розряду в анодному ланцюзі.

Рис. 15.9. Побудова і пускова характеристика тиратрона тліючого розряду

1 — друга сітка; 2 — анод; 3 — катод; 4 - перша сітка

Залежність напруги U_в від струму i_g називається пусковою характеристикою. При відсутності струму сітки напруга виникнення розряду максимальна. Збільшення струму i_g викликає зниження напруги U_в спочатку різке, а потім повільне. Однак значення U_в не може бути менше робочої напруги U_роб, необхідної для підтримки тліючого розряду між анодом і катодом. Пускова характеристика залежить від роду газу, його тиску, форми і стани поверхні електродів.

Утрата сіткою керуючої дії після виникнення розряду в анодному ланцюзі пояснюється тим, що сітка оточена плазмою — з великою кількістю електронів і іонів. Позитивно заряджена сітка притягає з плазми електрони, що утворять біля поверхні сітки негативно заряджений шар (електронну оболонку), що нейтралізує дію позитивного заряду сітки (рис.15.12, а). Якщо збільшити або зменшити позитивну напругу сітки, то вона притягне до себе з плазми більше або менше електронів і як і раніше дія її заряду буде нейтралізуватися відповідно змінився зарядом електронної оболонки. А якщо дати на сітку негативну напругу, то вона притягне з плазми позитивні іони, що створять навколо неї позитивно заряджений шар (іонну оболонку), що нейтралізує дію негативного заряду сітки (рис.15.12,6).

Електронна (або іонна) оболонка сітки знаходиться в динамічному стані. Так, наприклад, іони, дотикаються від’ємно зарядженої сітки, віднімають від неї електрони і перетворюються в нейтральні атоми, але на зміну їм до сітки притягаються з плазми нові іони. Якщо збільшити негативну напругу сітки, то вона притягне більше іонів. Заряд іонної оболонки збільшується і знову цілком компенсує дію негативного заряду сітки. Інакше можна сказати, що поле, створюване зарядом сітки, зосереджено між сіткою і її іонною(або електронною) оболонкою, як між обкладками конденсатора. Це поле не проникає через оболонку, тому не може впливати на струм анода.

Схема вмикання тиратрона тліючого розряду в якості реле показана на рис.15.13. Напруга анодного джерела E_а повинна бути менше U_вмах,а напруга Е_g — менше того, котре необхідно для виникнення розряду в проміжку сітка — катод. Резистор R_g обмежує сітковий струм і тому збільшує вхідний опір схеми для джерела імпульсів, що відмикають тиратрон. Коли додатний імпульс напруги, достатній для відмикання, надходить на сітку, то виникає розряд на ділянці сітка — катод. Якщо при цьому виходить необхідний струм сітки, то розряд переходить і на анод. Отже, імпульс напруги і струму від малопотужного генератора в ланцюзі сітки викликає значний струм в опорі навантаження R_H, який ввімкнений в ланцюг аноду.

Рис.15.12. Електронна й іонна оболонка сітки

Рис.15.13. Схема вмикання тиратрона тліючого розряду в якості реле

Ряд тиратронів тліючого розряду випускається з двома сітками. У таких тиратронах керуючої є друга сітка, більш вилучена від катода. На першу сітку подається постійна позитивна напруга, і в ланцюзі цієї сітки увесь час існує дуже невеликий струм (одиниці або десятки мікроамперів) так називаного підготовчого розряду. На другій сітці постійна позитивна напруга нижче, ніж на першій. Тому гальмуюче поле між сітками не допускає електрони до анода. При подачі імпульсу додаткової напруги на другу сітку тиратрон відмикається, тобто електрони проникають крізь другу сітку, і в ланцюзі анода виникає тліючий розряд.

Наші вітчизняні тиратрони тліючого розряду, як правило, мають надмініатюрне виконання і наповнені неоном, або аргоном, або неоново-аргоновою сумішшю. Вони можуть працювати при температурі навколишнього середовища від — 60 до + 100°С. Їхня довговічність складає декілька тисяч годин. Робочі напруги сіток і анода десятки — сотні вольт. Час відновлення керуючої дії сітки після припинення анодного струму залежить від тривалості деіонізації і звичайно складає десятки або сотні мікросекунд.

Як приклад застосування тиратрона розглянемо найпростішу схему тиратронного генератора пилкоподібної напруги (рис.15.14, а). Від джерела анодного живлення U_а через резистор R заряджається конденсатор С. Паралельно конденсаторові включений тиратрон Л. Під час заряду конденсатора напруга на ньому зростає, і коли вона досягає напруги виникнення розряду U_в, то тиратрон відкривається і починає проводити струм. Опір його стає порівняно малим і конденсатор швидко розряджається через тиратрон. Напруга знижується до напруги припинення розряду U_n. Як тільки розряд у тиратроні припиниться, знову почнеться порівняно повільний заряд конденсатора через резистор, опір якого значно більше опору відкритого тиратрона, і весь процес буде повторюватися.

Графік пилкоподібної напруги, що виходить на аноді тиратрона і на конденсаторі, показаний рис.15.14,б. Тому що напруга U_n у тиратронів

Рис.15.14. Схема і графік роботи генератора імпульсів

невелике, а напруга U_e досягає сотень вольтів, то подібний генератор може видавати пилкоподібну напругу з великою амплітудою. Чим більший опір R і ємність С, тим повільніше відбувається заряд і тим нижче частота генерації. Крім того, якщо збільшити додатну напругу сітки тиратрона, то понизиться напруга U_в і це викликає зменшення амплітуди і підвищення частоти.