Холодный катод [1] — это катод , который не нагревается электрически нитью накала . [примечание 1] Катод можно считать «холодным», если он излучает больше электронов, чем может быть доставлено только за счет термоэлектронной эмиссии . Он используется в газоразрядных лампах , таких как неоновые лампы , газоразрядные трубки и некоторые типы вакуумных ламп . Другой тип катода — горячий катод , который нагревается электрическим током, проходящим через нить накала . Холодный катод не обязательно работает при низкой температуре: его часто нагревают до рабочей температуры другими методами, например, пропусканием тока от катода в газ.
Вакуумная лампа с холодным катодом не использует внешний нагрев электрода для обеспечения термоэлектронной эмиссии электронов. Ранние устройства с холодным катодом включали трубки Гейсслера и трубки Плакера , а также ранние электронно-лучевые трубки . Изучение явлений в этих устройствах привело к открытию электрона.
Неоновые лампы применяются как для освещения в качестве индикаторов и специального освещения, так и в качестве элементов цепей, проявляющих отрицательное сопротивление . Добавление к устройству триггерного электрода позволило инициировать тлеющий разряд с помощью внешней схемы управления; В 1936 году компания Bell Laboratories разработала устройство с холодным катодом «спусковая трубка». [2]
Было разработано множество типов переключающих ламп с холодным катодом, в том числе различные типы тиратронов , критронов , дисплеев с холодным катодом ( трубка Никси ) и другие. Лампы регулятора напряжения полагаются на относительно постоянное напряжение тлеющего разряда в диапазоне токов и используются для стабилизации напряжения питания в приборах на основе ламп. Декатрон — это лампа с холодным катодом и несколькими электродами, используемая для счета. Каждый раз при подаче импульса на управляющий электрод тлеющий разряд перемещается на ступенчатый электрод; за счет размещения десяти электродов в каждой трубке и каскадного соединения трубок можно разработать систему счетчика и наблюдать за счетом по положению тлеющих разрядов. Счетные трубки широко использовались до разработки счетных устройств на интегральных схемах .
Лампа -вспышка представляет собой устройство с холодным катодом, наполненное ксеноновым газом, используемое для создания интенсивных коротких импульсов света для фотографии или в качестве стробоскопа для исследования движения движущихся частей.
К лампам с холодным катодом относятся люминесцентные лампы с холодным катодом (CCFL) и неоновые лампы . Неоновые лампы в первую очередь полагаются на возбуждение молекул газа для излучения света; CCFL используют разряд паров ртути для генерации ультрафиолетового света, который, в свою очередь, заставляет флуоресцентное покрытие внутри лампы излучать видимый свет.
Люминесцентные лампы с холодным катодом использовались для подсветки ЖК -дисплеев , например компьютерных мониторов и экранов телевизоров.
В светотехнической промышленности под «холодным катодом» исторически подразумевались люминесцентные трубки диаметром более 20 мм, работающие на токе от 120 до 240 миллиампер. Эту трубку большего диаметра часто используют для внутреннего освещения ниш и общего освещения. [3] [4] Термин «неоновая лампа» относится к трубкам диаметром менее 15 мм [ нужна ссылка ] и обычно работает при токе примерно 40 миллиампер. Эти лампы обычно используются для неоновых вывесок.
Катод является отрицательным электродом. Любая газоразрядная лампа имеет положительный (анод) и отрицательный электрод. Оба электрода попеременно действуют как анод и катод, когда эти устройства работают с переменным током .
Холодный катод отличается от горячего катода , который нагревается для индукции термоэлектронной эмиссии электронов . Разрядные трубки с горячими катодами имеют оболочку, заполненную газом низкого давления и содержащую два электрода. Устройства с горячим катодом включают обычные вакуумные лампы , люминесцентные лампы , газоразрядные лампы высокого давления и вакуумные флуоресцентные дисплеи .
Поверхность холодных катодов может эмитировать вторичные электроны в соотношении больше единицы (пробой). Электрон, покинувший катод, столкнется с молекулами нейтрального газа. Столкновение может просто возбудить молекулу, но иногда оно выбивает электрон и создает положительный ион. Исходный электрон и освобожденный электрон продолжают движение к аноду и могут создавать больше положительных ионов (см. Лавина Таунсенда ). В результате на каждый электрон, покидающий катод, генерируется несколько положительных ионов, которые в конечном итоге разбиваются о катод. Некоторые сталкивающиеся положительные ионы могут генерировать вторичный электрон. Разряд является самоподдерживающимся, когда на каждый электрон, покинувший катод, на катод попадает достаточное количество положительных ионов, чтобы освободить в среднем еще один электрон. Внешняя схема ограничивает ток разряда. Газоразрядные лампы с холодным катодом используют более высокое напряжение, чем лампы с горячим катодом. Возникающее в результате сильное электрическое поле вблизи катода ускоряет ионы до скорости, достаточной для создания свободных электронов из материала катода.
Другим механизмом генерации свободных электронов на холодной металлической поверхности является автоэлектронная эмиссия . Он используется в некоторых рентгеновских трубках , полевых электронных микроскопах (FEM) и автоэмиссионных дисплеях (FED).
Холодные катоды иногда имеют покрытие из редкоземельных металлов для усиления эмиссии электронов. Некоторые типы содержат источник бета-излучения , запускающий ионизацию газа, заполняющего трубку. [5] В некоторых лампах тлеющий разряд вокруг катода обычно сведен к минимуму; вместо этого существует так называемый положительный столбик, заполняющий трубку. [6] [7] [примечание 2] Примерами являются неоновые лампы и газоразрядные трубки . Никси-лампы также представляют собой неоновые дисплеи с холодным катодом, которые представляют собой линейные, но не плоскостные устройства отображения.
В устройствах с холодным катодом обычно используется сложный высоковольтный источник питания с каким-либо механизмом ограничения тока. Хотя для создания начального пространственного заряда и первой дуги тока через трубку может потребоваться очень высокое напряжение, как только трубка начинает нагреваться, электрическое сопротивление падает, что приводит к увеличению электрического тока через лампу. Чтобы компенсировать этот эффект и поддерживать нормальную работу, напряжение питания постепенно снижается. В случае трубок с ионизирующим газом газ может стать очень горячей плазмой , и электрическое сопротивление значительно снижается. При работе от простого источника питания без ограничения тока такое снижение сопротивления приведет к повреждению источника питания и перегреву трубчатых электродов.
Холодные катоды используются в выпрямителях с холодным катодом, таких как кроссатрон и ртутно-дуговые лампы , а также в усилителях с холодным катодом, например, в автоматическом учете сообщений и других приложениях псевдоискрового переключения . Другие примеры включают тиратрон , критрон , спритрон и зажигательные трубки.
Обычно холодный катод применяется в неоновых вывесках и других местах, где температура окружающей среды может упасть значительно ниже нуля. Часовая башня, Вестминстерский дворец (Биг-Бен) использует освещение с холодным катодом за циферблатами, где происходит постоянный бой и выход из строя. наносить удары в холодную погоду было бы нежелательно. Большие люминесцентные лампы с холодным катодом (CCFL) производились в прошлом и до сих пор используются, когда требуются профилированные линейные источники света с длительным сроком службы. По состоянию на 2011 год [update]миниатюрные CCFL широко использовались в качестве подсветки для компьютерных и телевизионных жидкокристаллических дисплеев . Срок службы CCFL в ЖК-телевизорах варьируется в зависимости от переходных скачков напряжения и уровня температуры в среде использования.
Благодаря своей эффективности технология CCFL распространилась и на освещение помещений. Затраты аналогичны затратам на традиционное люминесцентное освещение , [ необходимы пояснения ] , но с рядом преимуществ: оно имеет длительный срок службы, излучаемый свет приятен для глаз [ уточняйте ] , лампы мгновенно включаются на полную мощность, а также имеют возможность регулировки яркости. [8]
В системах, использующих переменный ток, но без отдельных анодных структур, электроды чередуются в качестве анодов и катодов, а падающие электроны могут вызывать значительный локальный нагрев, часто до красного каления . Электрод может использовать этот нагрев для облегчения термоэлектронной эмиссии электронов, когда он действует как катод. ( В люминесцентных лампах с мгновенным запуском используется этот аспект; они запускаются как устройства с холодным катодом, но вскоре локализованный нагрев тонких катодов из вольфрамовой проволоки заставляет их работать в том же режиме, что и лампы с горячим катодом .)
Этот аспект является проблематичным в случае подсветки, используемой для дисплеев ЖК- телевизоров. Новые правила энергоэффективности, предлагаемые во многих странах, потребуют регулируемой подсветки; Регулируемая подсветка также улучшает воспринимаемый диапазон контрастности, что желательно для ЖК-телевизоров. Однако степень затемнения CCFL строго ограничена, поскольку более низкий ток плазмы снижает температуру катода, вызывая нестабильную работу, а также потому, что работа катода при слишком низкой температуре резко сокращает срок службы катода. лампы. [ нужна цитата ] На решение этой проблемы направлено много исследований, но производители высококачественных светодиодов теперь обращаются к высокоэффективным белым светодиодам как к лучшему решению. [ нужна цитата ]