Ionisationsrohre (gasgefüllt)

Anonim

Ionisationsrohre (gasgefüllt)

Kapitel 13 - Elektronenröhren


Bisher haben wir Rohre erforscht, die vollständig von allen Gasen und Dämpfen in ihren Glasumhüllungen "evakuiert" sind, die als Vakuumröhren bekannt sind . Mit dem Zusatz bestimmter Gase oder Dämpfe nehmen Rohre jedoch deutlich andere Eigenschaften an und können bestimmte spezielle Rollen in elektronischen Schaltungen erfüllen.

Wenn eine ausreichend hohe Spannung über eine Strecke angelegt wird, die von einem Gas oder Dampf eingenommen wird, oder wenn dieses Gas oder dieser Dampf ausreichend erhitzt wird, werden die Elektronen dieser Gasmoleküle von ihren jeweiligen Kernen abgestreift, wodurch ein Ionisationszustand geschaffen wird . Nachdem sie die Elektronen von ihren elektrostatischen Bindungen zu den Atomkernen befreit haben, können sie in Form eines Stroms frei wandern, was das ionisierte Gas zu einem relativ guten Elektrizitätsleiter macht. In diesem Zustand wird das Gas genauer als Plasma bezeichnet .

Ionisiertes Gas ist kein perfekter Leiter. Daher wird der Elektronenfluss durch ionisiertes Gas dazu neigen, Energie in Form von Wärme abzuleiten, wodurch das Gas in einem Zustand der Ionisierung gehalten wird. Das Ergebnis hiervon ist eine Röhre, die unter bestimmten Bedingungen beginnen wird, zu leiten, und dann dazu neigt, in einem Zustand der Leitung zu bleiben, bis die angelegte Spannung über dem Gas und / oder dem Wärme erzeugenden Strom auf ein minimales Niveau fällt.

Der scharfsinnige Beobachter wird bemerken, dass dies genau das Verhalten einer Klasse von Halbleiterbauelementen ist, die "Thyristoren" genannt werden und dazu tendieren, "eingeschaltet" zu bleiben, wenn sie "ausgeschaltet" sind. Gasgefüllte Röhren, man kann sagen, manifestieren dieselbe Eigenschaft der Hysterese .

Im Gegensatz zu ihren Vakuumgegenstücken wurden Ionisationsröhren oft ohne Filament (Heizer) hergestellt. Diese wurden Kaltkathodenröhren genannt, wobei die erhitzten Versionen als Heißkathodenröhren bezeichnet wurden. Ob die Röhre eine Wärmequelle enthielt oder nicht, beeinflusste offensichtlich die Eigenschaften einer gasgefüllten Röhre, jedoch nicht in dem Ausmaß, in dem ein Mangel an Wärme die Leistung einer Hart-Vakuumröhre beeinträchtigen würde.

Die einfachste Art von Ionisationsvorrichtung ist nicht notwendigerweise eine Röhre; Vielmehr ist es aus zwei Elektroden aufgebaut, die durch einen gasgefüllten Spalt getrennt sind. Einfach als Funkenstrecke bezeichnet, kann die Lücke zwischen den Elektroden von Umgebungsluft eingenommen werden, manchmal von einem speziellen Gas, in welchem ​​Fall die Vorrichtung eine abgedichtete Hülle irgendeiner Art haben muss.

Eine Hauptanwendung für Funkenstrecken ist der Überspannungsschutz. Entwickelt, um nicht zu ionisieren oder zu "brechen" (zu leiten), wenn die normale Systemspannung über die Elektroden angelegt wird, ist die Funktion der Funkenstrecke, im Falle eines signifikanten Spannungsanstiegs zu leiten. Wenn es einmal leitend ist, wird es als eine schwere Last wirken, die die Systemspannung durch ihre große Stromaufnahme und den nachfolgenden Spannungsabfall entlang von Leitern und anderen Serienimpedanzen niedrig hält. In einem richtig konstruierten System hört die Funkenstrecke auf zu leiten ("löscht"), wenn die Systemspannung auf ein normales Niveau abfällt, deutlich unter der Spannung, die erforderlich ist, um die Leitung zu initiieren.

Ein Hauptvorbehalt von Funkenstrecken ist ihre signifikant begrenzte Lebensdauer. Die Entladung, die durch solch eine Vorrichtung erzeugt wird, kann ziemlich heftig sein und wird als solche dazu neigen, die Oberflächen der Elektroden durch Lochfraß und / oder Schmelzen zu verschlechtern.

Funkenstrecken können dazu gebracht werden, auf Befehl zu führen, indem eine dritte Elektrode (gewöhnlich mit einer scharfen Kante oder einem scharfen Punkt) zwischen den anderen zwei angeordnet wird und ein Hochspannungsimpuls zwischen dieser Elektrode und einer der anderen Elektroden angelegt wird. Der Impuls erzeugt einen kleinen Funken zwischen den beiden Elektroden, der einen Teil des Weges zwischen den zwei großen Elektroden ionisiert und eine Leitung zwischen ihnen ermöglicht, wenn die angelegte Spannung hoch genug ist:

Funkenstrecken sowohl der getriggerten als auch der nicht getriggerten Variante können gebaut werden, um große Strommengen zu bewältigen, manche sogar in den Bereich von Megaamps (Millionen Ampere)! Die physikalische Größe ist der primäre limitierende Faktor für die Menge an Strom, die eine Funkenstrecke sicher und zuverlässig handhaben kann.

Wenn die zwei Hauptelektroden in einer mit einem speziellen Gas gefüllten versiegelten Röhre angeordnet sind, wird eine Entladungsröhre gebildet. Die gebräuchlichste Art von Entladungsröhre ist das Neonlicht, das im Volksmund als eine Quelle bunter Beleuchtung verwendet wird, wobei die Farbe des emittierten Lichts von der Art des Gases abhängt, das die Röhre füllt.

Der Aufbau von Neonröhren ähnelt stark dem von Funkenstrecken, aber die Betriebseigenschaften sind ziemlich unterschiedlich:

Durch Steuerung des Abstandes der Elektroden und der Art des Gases in der Röhre können Neonlichter leitend gemacht werden, ohne die übermäßigen Ströme zu ziehen, die die Funkenstrecken bewirken. Sie weisen immer noch eine Hysterese auf, da sie eine höhere Spannung benötigt, um die Leitung auszulösen, als sie "auszulöschen", und ihr Widerstand ist definitiv nichtlinear (je mehr Spannung an der Röhre angelegt wird, desto mehr Strom, somit mehr Wärme und somit weniger Widerstand) ). Angesichts dieser nichtlinearen Tendenz darf die Spannung an einer Neonröhre eine bestimmte Grenze nicht überschreiten, damit die Röhre nicht durch zu hohe Temperaturen beschädigt wird.

Diese nichtlineare Tendenz gibt der Neonröhre eine andere Anwendung als eine bunte Beleuchtung: sie kann etwas wie eine Zenerdiode wirken und die Spannung über ihr "klemmen", indem sie mehr und mehr Strom zieht, wenn die Spannung abnimmt. Wenn sie auf diese Art und Weise verwendet wird, ist die Röhre als eine Glühröhre oder Spannungsregulierröhre bekannt und war ein beliebtes Mittel der Spannungsregulierung in den Tagen des Elektronenröhrenschaltkreisdesigns.

Bitte beachten Sie den schwarzen Punkt im Rohrsymbol oben (und in dem zuvor gezeigten Neonlampen-Symbol). Dieser Marker zeigt an, dass das Rohr mit Gas gefüllt ist. Es ist ein gebräuchlicher Marker, der in allen gasgefüllten Röhrensymbolen verwendet wird.

Ein Beispiel für eine für die Spannungsregelung ausgelegte Glühröhre war der VR-150 mit einer Nennregelspannung von 150 Volt. Sein Widerstand über die zulässigen Stromgrenzen hinweg kann von 5 kΩ bis 30 kΩ variieren, eine Spannweite von 6: 1. Wie heutige Zenerdioden-Reglerschaltungen könnten Glimmrohrregler zur besseren Spannungsregelung und höheren Laststrombereichen an Verstärkerröhren angeschlossen werden.

Wenn eine regelmäßige Triode anstelle eines harten Vakuums mit Gas gefüllt wäre, würde sich die gesamte Hysterese und Nichtlinearität anderer Gasröhren manifestieren, mit einem Hauptvorteil: Die Menge der zwischen Gitter und Kathode angelegten Spannung würde die erforderliche minimale Spannung von Platte zu Kathode bestimmen Leitung einleiten. Im Wesentlichen war diese Röhre das Äquivalent des Halbleiter-SCR (Silicon-Controlled Rectifier) ​​und wurde Thyratron genannt .

Es sollte angemerkt werden, dass das oben gezeigte Schema für die meisten Zwecke und Thyratronrohrkonstruktionen stark vereinfacht ist. Einige Thyratrons zum Beispiel erforderten, dass die Netzspannung die Polarität zwischen ihren "Ein" - und "Aus" -Zuständen wechselt, um richtig zu arbeiten. Außerdem hatten einige Thyratrons mehr als ein Gitter!

Thyratrons wurden in ähnlicher Weise verwendet wie SCRs heutzutage: Steuerung von gleichgerichtetem Wechselstrom zu großen Lasten wie Motoren. Thyratron-Rohre wurden mit verschiedenen Arten von Gasfüllungen für verschiedene Eigenschaften hergestellt: inertes (chemisch nicht-reaktives) Gas, Wasserstoffgas und Quecksilber (verdampft in eine Gasform, wenn es aktiviert wird). Deuterium, ein seltenes Isotop von Wasserstoff, wurde in einigen speziellen Anwendungen verwendet, die das Schalten von hohen Spannungen erforderten.