Эффект Пирсона–Энсона

Схема генератора Пирсона-Энсона

Эффект Пирсона -Энсона , открытый в 1922 году Стивеном Освальдом Пирсоном ^[1] и Горацио Сент-Джорджем Энсоном [ ^{2] [3],} представляет собой явление колеблющегося электрического напряжения, создаваемого неоновой лампой, подключенной через конденсатор , при подаче постоянного тока через резистор . ^[4] Эта схема, теперь называемая генератором Пирсона-Энсона , генератором неоновой лампы , ^{[5] [6]} или пилообразным генератором, ^[7] является одним из простейших типов релаксационного генератора . ^[8] Он генерирует пилообразную выходную волну. ^[7] Он использовался в низкочастотных приложениях, таких как мигающие сигнальные лампы, ^[9] стробоскопы, ^[9] тональные генераторы в электронных органах ^{[8] [10]} и другие электронные музыкальные схемы, ^[11] а также в генераторах временной развертки и отклоняющих схемах ранних осциллографов с электронно-лучевой трубкой . ^{[8] [12]} С развитием микроэлектроники эти простые генераторы с отрицательным сопротивлением были заменены во многих приложениях более гибкими полупроводниковыми релаксационными генераторами, такими как ИС таймера 555 .

Неоновая лампочка как коммутационное устройство

Неоновая лампа NE-2

Неоновая лампа , часто используемая в качестве индикаторной лампы в приборах, состоит из стеклянной колбы, содержащей два электрода, разделенных инертным газом, таким как неон при низком давлении. Ее нелинейные вольт-амперные характеристики (диаграмма ниже) позволяют ей функционировать как коммутационное устройство. ^[13]

Когда напряжение приложено к электродам, газ почти не проводит электрический ток , пока не будет достигнуто пороговое напряжение (точка b) , называемое напряжением зажигания или пробоя , V _b . ^{[7] [14]} При этом напряжении электроны в газе ускоряются до достаточно высокой скорости, чтобы выбить другие электроны из атомов газа, которые продолжают выбивать больше электронов в цепной реакции. Газ в колбе ионизируется , начиная тлеющий разряд , и его сопротивление падает до низкого значения. В проводящем состоянии ток через колбу ограничивается только внешней цепью. Напряжение на колбе падает до более низкого напряжения, называемого поддерживающим напряжением V _m . Колба будет продолжать проводить ток, пока приложенное напряжение не упадет ниже напряжения погасания V _e (точка d) , которое обычно близко к поддерживающему напряжению. Ниже этого напряжения ток обеспечивает недостаточно энергии, чтобы поддерживать газ ионизированным, поэтому колба переключается обратно в свое высокое сопротивление, непроводящее состояние (точка a) .

Напряжение «включения» лампы V _b выше, чем напряжение «выключения» V _e . Это свойство, называемое гистерезисом , позволяет лампе функционировать как осциллятор. Гистерезис обусловлен отрицательным сопротивлением лампы , падением напряжения с увеличением тока после пробоя, ^{[7] [14],} что является свойством всех газоразрядных ламп .

Вплоть до 1960-х годов генераторы пилообразного сигнала также строились с использованием тиратронов . ^{[15] [16]} Это были газонаполненные триодные электронные лампы. Они работали примерно так же, как неоновые лампы, трубка не проводила ток, пока напряжение между катодом и анодом не достигало напряжения пробоя. Преимущество тиратрона состояло в том, что напряжение пробоя можно было контролировать напряжением на сетке. ^[16] Это позволяло изменять частоту колебаний электронным способом. Тиратронные генераторы использовались в качестве генераторов временной развертки в осциллографах. ^[16]

Операция

Кривая IV неоновой лампы (справа) ^[7], показывающая петлю гистерезиса осциллятора (abcd) , линию нагрузки (синюю) и выходные сигналы (слева) . Линия нагрузки должна лежать в заштрихованной области, чтобы схема колебалась. v — напряжение на неоновой лампе, а i — ток через нее.

В схеме генератора Пирсона-Энсона (вверху) конденсатор C подключен параллельно неоновой лампочке N ^[7]. Конденсатор непрерывно заряжается током через резистор R до тех пор, пока лампочка не начнет проводить ток, разряжая его снова, после чего он снова заряжается. ^[17] Подробный цикл проиллюстрирован петлей гистерезиса abcd на диаграмме тока-напряжения справа: ^{[4] [7] [10]}

• При включении напряжения питания неоновая лампочка находится в состоянии высокого сопротивления и действует как разомкнутая цепь. Ток через резистор начинает заряжать конденсатор, и его напряжение начинает расти в сторону напряжения питания.
• Когда напряжение на конденсаторе достигает b , напряжения пробоя лампочки V _b , лампочка включается, и ее сопротивление падает до низкого значения. Заряд на конденсаторе быстро разряжается через лампочку в кратковременном импульсе тока (c) . Когда напряжение падает до напряжения погасания лампочки V _e (d) , лампочка выключается, и ток через нее падает до низкого уровня (a) . Ток через резистор снова начинает заряжать конденсатор, и цикл повторяется.

Таким образом, схема функционирует как низкочастотный релаксационный генератор , напряжение конденсатора колеблется между напряжениями пробоя и гашения лампочки в пилообразной волне . Период пропорционален постоянной времени RC .

Неоновая лампа производит короткую вспышку света каждый раз, когда она проводит ток, поэтому схема может также использоваться как схема "мигалки". Двойная функция лампы как источника света и коммутационного устройства обеспечивает схеме меньшее количество деталей и стоимость, чем многим альтернативным схемам мигалок.

Условия для колебаний

Напряжение питания V _S должно быть больше, чем напряжение пробоя лампы V _b , иначе лампа никогда не сможет проводить ток. ^[7] Большинство небольших неоновых ламп имеют напряжение пробоя от 80 до 150 вольт, поэтому они могут работать от сетевого напряжения 120 В rms, которое имеет пиковое напряжение около 170 В. Если напряжение питания близко к напряжению пробоя, напряжение конденсатора будет в «хвосте» своей экспоненциальной кривой к тому времени, когда оно достигнет V _b , поэтому частота будет чувствительно зависеть от порога пробоя и уровней напряжения питания, вызывая изменения частоты. ^[17] Поэтому напряжение питания обычно делается значительно выше, чем напряжение зажигания лампы. ^[7] Это также делает зарядку более линейной, а пилообразную волну более треугольной. ^[17]

Резистор R также должен находиться в определенном диапазоне значений для того, чтобы схема колебалась. ^[7] Это иллюстрируется линией нагрузки ( синяя ) на графике IV . Наклон линии нагрузки равен R. Возможные рабочие точки постоянного тока схемы находятся на пересечении линии нагрузки и кривой IV неоновой лампы ( черная ). Для того чтобы схема была нестабильной и колебалась, линия нагрузки должна пересекать кривую IV в ее области отрицательного сопротивления , между b и d , где напряжение падает с увеличением тока. ^[7] Это определяется заштрихованной областью на диаграмме. Если линия нагрузки пересекает кривую IV там, где она имеет положительное сопротивление, за пределами заштрихованной области, это представляет собой устойчивую рабочую точку, поэтому схема не будет колебаться:

• Если R слишком велико, того же порядка, что и сопротивление утечки "выключенной" лампочки, линия нагрузки пересечет кривую IV между началом координат и b . В этой области ток через R от источника настолько мал, что ток утечки через лампочку его истощает, поэтому напряжение конденсатора никогда не достигает V _b и лампочка никогда не загорается. ^[7] Сопротивление утечки большинства неоновых лампочек превышает 100 МОм, поэтому это не является серьезным ограничением.
• Если R слишком мал, линия нагрузки пересечет кривую IV между c и d . В этой области ток через R слишком велик; как только лампочка включилась, ток через R будет достаточно большим, чтобы поддерживать ее проводимость без тока от конденсатора, и напряжение на лампочке никогда не упадет до V _{e ,} поэтому лампочка никогда не выключится. ^[7]

Небольшие неоновые лампочки обычно генерируют колебания со значениями R от 500 кОм до 20 МОм. ^[7] Если C не мал, может потребоваться добавить резистор последовательно с неоновой лампочкой, чтобы ограничить ток через нее и предотвратить повреждение при разряде конденсатора. ^[10] Это увеличит время разряда и немного снизит частоту, но его эффект будет незначительным на низких частотах.

Частота

Период колебаний можно рассчитать из порогов напряжения пробоя и затухания используемой лампы. ^{[6] [7] [10] [18]} Во время периода зарядки лампочка имеет высокое сопротивление и может считаться разомкнутой цепью, поэтому остальная часть осциллятора представляет собой RC-цепь с напряжением конденсатора, приближающимся к V _S экспоненциально , с постоянной времени RC . Если v ( t ) - выходное напряжение на конденсаторе

${\displaystyle v(t)=V_{S}(1-e^{-t/RC})\,}$

Решение на время

${\displaystyle t=RC\ln {\Bigl [}{V_{S} \over {V_{S}-v}}{\Bigr ]}\,}$

Хотя первый период длиннее других, поскольку напряжение начинается с нуля, формы волн напряжения последующих периодов идентичны первым между V _e и V _b . Таким образом, период T — это интервал между временем, когда напряжение достигает V _e , и временем, когда напряжение достигает V _b

${\displaystyle T=t(V_{b})-t(V_{e})\,}$

${\displaystyle T=RC\ln {\Bigl [}{V_{S} \over {V_{S}-V_{b}}}{\Bigr ]}-RC\ln {\Bigl [}{V_{S} \over {V_{S}-V_{e}}}{\Bigr ]}\,}$

${\displaystyle T=RC\ln {\Bigl [}{{V_{S}-V_{e}} \over {V_{S}-V_{b}}}{\Bigr ]}\,}$

Эта формула действительна только для частот колебаний до 200 Гц; ^[7] выше этого значения различные временные задержки приводят к тому, что фактическая частота будет ниже этой. ^[8] Из-за времени, необходимого для ионизации и деионизации газа, неоновые лампы являются медленно переключающимися устройствами, а генератор неоновой лампы ограничен верхней частотой около 20 кГц. ^{[7] [8] [10]} Напряжения пробоя и погасания неоновых ламп могут различаться между аналогичными деталями; ^[17] производители обычно указывают только широкие диапазоны для этих параметров. Поэтому, если требуется точная частота, схему следует настраивать методом проб и ошибок. ^[17] Пороги также изменяются с температурой, поэтому частота генераторов неоновых ламп не особенно стабильна. ^[10]

Вынужденные колебания и хаотическое поведение

Как и другие релаксационные генераторы, генератор неоновой лампы имеет плохую стабильность частоты , но его можно синхронизировать ( увлечь ) внешним периодическим напряжением, приложенным последовательно с неоновой лампой. Даже если внешняя частота отличается от собственной частоты генератора, пики приложенного сигнала могут превышать порог пробоя лампы, преждевременно разряжая конденсатор, так что период генератора становится заблокированным приложенным сигналом. ^[19]

Интересное поведение может возникнуть в результате изменения амплитуды и частоты внешнего напряжения. Например, осциллятор может создавать колебательное напряжение, частота которого является кратной внешней частоты. Это явление известно как «субмножение» или «демультипликация» и было впервые обнаружено в 1927 году Бальтазаром ван дер Полем и его коллегой Яном ван дер Марком. ^{[20] [21]} В некоторых случаях отношение внешней частоты к частоте колебаний, наблюдаемых в цепи, может быть рациональным числом или даже иррациональным ( последний случай известен как « квазипериодический » режим). ^[19] Когда периодический и квазипериодический режимы перекрываются, поведение цепи может стать апериодическим, что означает, что картина колебаний никогда не повторяется. Эта апериодичность соответствует поведению цепи, становящейся хаотичной (см. теорию хаоса ). ^{[19] [21]}

Генератор на основе неоновой лампы был первой системой, в которой наблюдалось хаотическое поведение. ^[22] Ван дер Поль и ван дер Марк писали относительно своих экспериментов с демультипликацией, что

Часто в телефонных приемниках слышится нерегулярный шум, прежде чем частота перескакивает на следующее более низкое значение. Однако это вспомогательное явление, основным эффектом которого является регулярное демультипликирование частоты. ^[20]

Любое периодическое колебание произвело бы музыкальный тон; только апериодические, хаотические колебания произвели бы "нерегулярный шум". Считается, что это было первое наблюдение хаоса, хотя ван дер Поль и ван дер Марк в то время не осознавали его значения. ^{[19] [21] [22]}

Смотрите также

• Релаксационный осциллятор
• триггер Шмитта
• 555 таймер
• Отрицательное сопротивление

Примечания

1. Стивен Освальд Пирсон, Словарь технических терминов беспроводной связи (Лондон: Iliffe & Sons, 1926).
2. Пирсон, SO; Х. Ст. Г. Энсон (декабрь 1921 г.). «Демонстрация некоторых электрических свойств ламп, заполненных неоном». Труды Физического общества Лондона . 34 (1): 175–176. Bibcode : 1921PPSL...34..175P. doi : 10.1088/1478-7814/34/1/435.
3. Pearson, SO; H. St. G. Anson (август 1922 г.). «Неоновая трубка как средство создания прерывистых токов». Труды Физического общества Лондона . 34 (1): 204–212. Bibcode : 1921PPSL...34..204P. doi : 10.1088/1478-7814/34/1/341.
4. Киносита, Шуичи (2013). "Введение в ионно-равновесные явления". Pattern Formations and Oscillatory Phenomena . Newnes. стр. 17. ISBN 978-0123972996. Получено 24 февраля 2014 г. .
5. Моррис, Кристофер Г. (1992). Словарь академической прессы по науке и технике. Gulf Professional Publishing. стр. 1453. ISBN 0122004000.
6. Pollack, Dale (декабрь 1932 г.). "Neon Tube Oscillators, Part 1" (PDF) . Radio News . 14 (6): 342–343 . Получено 14 апреля 2014 г. .
7. Догерти, CL; и др. (1965). GE Glow Lamp Manual, 2nd Ed. Кливленд, Огайо: General Electric. стр. 14–19.
8. Бауман, Эдвард (1966). Применение неоновых ламп и разрядных трубок. США: Carleton Press. стр. 18. Архивировано из оригинала 2014-04-16.
9. Burton, Walter E. (февраль 1948). «Магия с неоновыми лампами». Popular Science . 152 (2): 194–196. ISSN  0161-7370 . Получено 14 апреля 2014 г.
10. Дэнс, Дж. Б. (1967). Холодные катодные трубки (PDF) . Лондон: Iliffe Books. С. 25–27.
11. Холмс, Томас Б. (2002). Электронная и экспериментальная музыка: пионеры в технологии и композиции. Psychology Press. стр. 66. ISBN 0415936446.
12. Wahl, Horst D. (2005). "Учебное пособие по осциллографу" (PDF) . Phys4822L Расширенный лабораторный эксперимент 11: Исследования электронов с помощью ЭЛТ . Проф. Хорст Д. Валь, Физический факультет, Университет штата Флорида . Получено 14 апреля 2014 г.
13. Готтлиб, Ирвинг М. (1971). Понимание осцилляторов. HW Sams. стр. 69. ISBN 0672208377.
14. Dance, 1967, стр.6-7
15. Lytel, Allan (декабрь 1948 г.). "Gas Tube Oscillators" (PDF) . Radio-Electronics . 20 (3): 33–34 . Получено 27 марта 2015 г. .
16. Puckle, OS (1951). Временные базы (сканирующие генераторы), 2-е изд. Лондон: Chapman and Hall. С. 15–27.
17. Миллер, Уолтер Г. (1969). Использование и понимание миниатюрных неоновых ламп (PDF) . Нью-Йорк: Howard W. Sams. стр. 37–39.
18. Хилл, Эрик (2014). "Лекция 7a – Генераторы волновых форм и таймеры" (PDF) . Заметки к курсу Физика 310: Приложения в электронике . Веб-сайт проф. Эрика Хилла, Физический факультет, Университет Мидлендса . Получено 14 апреля 2014 г. .
19. Дженкинс, Алехандро (2013). «Автоколебания». Physics Reports . 525 (2): 167–222. arXiv : 1109.6640 . Bibcode : 2013PhR...525..167J. doi : 10.1016/j.physrep.2012.10.007. S2CID  227438422.
20. ван дер Пол, Бальтазар; Ян ван дер Марк (10 сентября 1927 г.). «Деммножение частоты». Природа . 120 (3019): 363–364. Бибкод : 1927Natur.120..363V. дои : 10.1038/120363a0. S2CID  4142485.
21. Sprott, Julien C. (2010). Элегантный хаос: алгебраически простые хаотические потоки. World Scientific. стр. 234–235. ISBN 978-9812838827.
22. Eisencraft, Marcio, Romis Attux, Ricardo Suyama; Romis Attux; Ricardo Suyama (2013). Хаотические сигналы в цифровой связи. CRC Press. стр. 87. ISBN 978-1466557222.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

Ссылки

• SO Pearson и H. St. G. Anson, Демонстрация некоторых электрических свойств ламп, заполненных неоном , Труды Физического общества Лондона , т. 34, № 1 (декабрь 1921 г.), стр. 175–176 doi :10.1088/1478-7814/34/1/435
• SO Pearson и H. St. G. Anson, Неоновая трубка как средство создания прерывистых токов , Труды Физического общества Лондона , т. 34, № 1 (декабрь 1921 г.), стр. 204–212 doi :10.1088/1478-7814/34/1/341
• Догерти, CL; и др. (1965). GE Glow Lamp Manual, 2-е изд. Кливленд, Огайо: General Electric. стр. 14–19.