Газоразрядные приборы

Это приборы использующие свойства электрического разряда в газе или парах металлов при давлении от 10^-1 Па и выше. К наиболее распространенным газоразрядным приборам относятся стабилитроны (стабилизаторы напряжения) и тиратроны, выполняющие, в основном, функции генераторов релаксационных колебаний и коммутаторов. В газоразрядных приборах этого типа используется разновидность электрического разряда в газах – тлеющий разряд.

Физические процессы в тлеющем разряде

Простейший газоразрядный прибор представляет собой колбу с двумя электродами (рис. 7.10), в которую обычно закачивается инертный газ (Ne, Ar) под давлением 0,1 Па (атмосферное давление составляет приблизительно 10⁵ Па). При приложении к электродам напряжения 50…100 В вследствие появления электрического поля возникают неупругие столкновения между ионизированными частицами газа. Эти столкновения приводят к дополнительной ионизации газа. В разрядном промежутке положительные ионы инертного газа двигаются к катоду, а электроны – к аноду. Обратный переход возбужденных атомов, ионов и молекул обычно сопровождается излучением фотона и получившаяся газоразрядная плазма начинает светиться. Это явление носит название тлеющего  разряда.

Распределение свечения в газоразрядном промежутке характеризуется следующими областями, изображенными на рис. 7.11, а:

1 – катодная светящаяся пленка; 2 – область тлеющего свечения; 3 – темная область беспорядочного движения электронов; 4 – область положительного столба; 5 – анодная светящаяся пленка.

 В непосредственной близости от катода электроны еще не набрали энергии, требующейся для возбуждения газа. Это область прикатодного темного пространства. Разгон электронов в электрическом поле приводит к уменьшению яркости свечения из-за снижения эффективности сечения захвата электронов. Однако в области 1-2 происходит интенсивная ионизация атомов, в результате возникает обширная область положительного светящегося столба 4. Распределение напряженности электрического поля E внутри газоразрядного промежутка показано на рис. 7.11, б.

7.3.2. Стабилитрон

Это двухэлектродный газоразрядный прибор, предназначенный для стабилизации напряжения. Пример конструкции стабилитрона показан на рис.7.12. Анод прибора представляет собой стержень, расположенный в центре баллона, а холодный катод имеет цилиндрическую форму и окружает анод. Баллон лампы изготовлен из стекла и заполнен смесью инертных газов
(Ne-Ar, He-Ar) под давлением 10^-1…10⁴ Па.

 Если с помощью внешнего переменного резистора, включенного в анодную цепь (как на рис. 7.10), изменять величину разрядного тока от нуля, то сначала возникает несамостоятельный разряд, который происходит при наличии только внешнего ионизатора. После образования тлеющего разряда плотность разрядного тока достигает нормальной плотности тока тлеющего разряда I_{cт. min} (рис.7.12, в), определяемой сочетанием материала катода и природы газа и мало зависящей от давления газа. При дальнейшем увеличении тока его плотность не изменяется вплоть до достижения величины I_{cт. mах}. В интервале I_{cт. min}… I_{cт. mах} возрастание тока приводит лишь к расширению области катода, охваченной разрядом, при этом падение напряжения на разряде U_ст практически не меняется. Описанные процессы характерны для нормального тлеющего разряда, вольтамперная характеристика которого представлена на рис. 7.12, в.

После перехода в аномальный тлеющий разряд ВАХ стабилитрона становится резко возрастающей, вплоть до перехода к дуговому разряду.

Параметры стабилитронов.

1. U_ст =70…150 В – напряжение стабилизации, являющееся постоянным напряжением горения тлеющего разряда.

2. =0,02…0,06 – коэффициент стабилизации, представляющий отношение изменения стабилизированного напряжения ΔU_cт к величине напряжения стабилизации U_cт.

3. I_{ст мах}=30…40 мА – максимальный ток стабилизации.

Стабилитроны используются как для стабилизации напряжения, так и для работы в режиме опорного элемента. В настоящее время маломощные газоразрядные стабилитроны вытеснены полупроводниковыми стабилитронами.