Тиратрон — это разновидность газонаполненной трубки , используемой в качестве мощного электрического переключателя и управляемого выпрямителя . Тиратроны могут выдерживать гораздо большие токи, чем аналогичные лампы с жестким вакуумом. Размножение электронов происходит, когда газ ионизируется, вызывая явление, известное как разряд Таунсенда . Используемые газы включают пары ртути , ксенон , неон и (в специальных высоковольтных приложениях или приложениях, требующих очень короткого времени переключения) водород . [1] В отличие от вакуумной лампы (клапана), тиратрон нельзя использовать для линейного усиления сигналов.
В 1920-х годах тиратроны были созданы на основе ранних электронных ламп, таких как UV-200, который содержал небольшое количество газообразного аргона для повышения его чувствительности в качестве детектора радиосигналов , и немецкой релейной трубки LRS, которая также содержала газообразный аргон. Газовые выпрямители , которые предшествовали электронным лампам, такие как заполненная аргоном « лампочка Тунгара » General Electric и ртутный выпрямитель Купера-Хьюитта , также оказали влияние. Ирвинга Ленгмюра и Г.С. Мейкле из GE обычно называют первыми исследователями, изучавшими контролируемое выпрямление в газовых трубках около 1914 года. Первые коммерческие тиратроны появились примерно в 1928 году.
Термин «тиратрон» происходит от древнегреческого «θύρα» («тира»), что означает «дверь» или «клапан». Термин « тиристор » произошел от сочетания слов «тиратрон» и « транзистор ». [2] С 1960-х годов тиристоры заменили тиратроны в большинстве устройств малой и средней мощности.
Тиратроны внешне и по конструкции напоминают электронные лампы , но отличаются по поведению и принципу работы. В вакуумной трубке в проводимости преобладают свободные электроны , поскольку расстояние между анодом и катодом мало по сравнению со средней длиной свободного пробега электронов. С другой стороны, тиратрон намеренно наполнен газом так, чтобы расстояние между анодом и катодом было сравнимо со средней длиной свободного пробега электронов. Это приводит к тому, что в проводимости тиратрона преобладает проводимость плазмы . Благодаря высокой проводимости плазмы тиратрон способен коммутировать более высокие токи, чем электронные лампы, ограниченные пространственным зарядом . Преимущество вакуумной лампы состоит в том, что проводимость можно модулировать в любой момент, тогда как тиратрон заполняется плазмой и продолжает проводить ток до тех пор, пока между анодом и катодом существует напряжение . Псевдоискровой ключ работает в том же режиме кривой Пашена, что и тиратрон, и иногда его называют тиратроном с холодным катодом .
Тиратрон состоит из горячего катода , анода и одной или нескольких управляющих сеток между анодом и катодом в герметичной стеклянной или керамической оболочке, заполненной газом. Газ обычно представляет собой водород или дейтерий при давлении от 300 до 500 м Торр (от 40 до 70 Па ). Коммерческие тиратроны также содержат резервуар из гидрида титана и нагреватель резервуара, которые вместе поддерживают давление газа в течение длительных периодов времени независимо от потерь газа.
Проводимость тиратрона остается низкой, пока управляющая сетка отрицательна по отношению к катоду, поскольку сетка отталкивает электроны, испускаемые катодом. Ток электронов, ограниченный объемным зарядом, течет от катода через управляющую сетку к аноду, если сетка положительна относительно катода. Достаточно высокий ток, ограниченный объемным зарядом, инициирует разряд Таунсенда между анодом и катодом. Образующаяся плазма обеспечивает высокую проводимость между анодом и катодом и не ограничена объемным зарядом. Проводимость остается высокой до тех пор, пока ток между анодом и катодом не упадет до небольшой величины в течение достаточно длительного времени, чтобы газ перестал ионизироваться . Этот процесс восстановления занимает от 25 до 75 мкс и ограничивает частоту повторения тиратрона несколькими кГц .[3]
Тиратроны малой мощности ( реле и триггерные трубки ) изготавливались для управления лампами накаливания, электромеханическими реле или соленоидами, для двунаправленных счетчиков, для выполнения различных функций в калькуляторах «Декатрон» , для детекторов порога напряжения в RC- таймерах и т. д. Тиратроны накаливания были оптимизированы для высокой светоотдачей газоразрядного типа или даже фосфоризированы и используются в качестве сдвиговых регистров с самостоятельным отображением в широкоформатных матричных дисплеях с ползучим текстом .
Другое применение тиратрона было в релаксационных генераторах . [4] Поскольку напряжение включения пластины намного выше, чем напряжение выключения, лампа демонстрирует гистерезис и, с конденсатором на ней, она может работать как пилообразный генератор. Напряжение в сети контролирует напряжение пробоя и, следовательно, период колебаний. Тиратронные релаксационные генераторы использовались в силовых инверторах и схемах развертки осциллографов .
Один миниатюрный тиратрон, триод 6Д4, нашел дополнительное применение в качестве мощного источника шума при работе в качестве диода (сетка, привязанная к катоду) в поперечном магнитном поле. [5] Достаточно отфильтрованный для «неравномерности» (« белого шума ») в интересующем диапазоне, такой шум использовался для тестирования радиоприемников, сервосистем и иногда в аналоговых вычислениях в качестве источника случайных величин .
Миниатюрный тиратрон RK61/2, появившийся на рынке в 1938 году, был специально разработан для работы как вакуумный триод ниже напряжения зажигания, что позволяло ему усиливать аналоговые сигналы в качестве самогасящегося сверхрегенеративного детектора в приемниках радиоуправления [6] и был основным техническим достижением. что привело к развитию радиоуправляемого оружия в военное время и параллельному развитию радиоуправляемого моделирования как хобби. [7]
Некоторые ранние телевизоры, особенно британские модели, использовали тиратроны в качестве вертикальных (кадровых) и горизонтальных (линейных) генераторов. [8]
Тиратроны средней мощности нашли применение в контроллерах двигателей станков, где тиратроны, работающие как фазорегулируемые выпрямители, используются в регуляторе якоря инструмента (от нуля до «базовой скорости», режим «постоянного крутящего момента») и в регуляторе поля инструмента (режим «постоянный крутящий момент»). «базовая скорость» примерно в два раза больше «базовой скорости», режима «постоянная мощность»). Примеры включают токарный станок Monarch Machine Tool 10EE, на котором тиратроны использовались с 1949 года, пока в 1984 году их не заменили твердотельные устройства. [9]
Тиратроны большой мощности производятся до сих пор и способны работать при напряжении до десятков килоампер (кА) и десятков киловольт (кВ). Современные приложения включают импульсные драйверы для импульсного радиолокационного оборудования, высокоэнергетических газовых лазеров , устройств лучевой терапии , ускорителей частиц , а также катушек Теслы и подобных устройств. Тиратроны также используются в мощных телевизионных передатчиках УВЧ для защиты индуктивных выходных ламп от внутренних коротких замыканий путем заземления входящего источника высокого напряжения на время, необходимое для размыкания автоматического выключателя , и реактивных компонентов для истощения накопленного заряда. Обычно это называют ломовой схемой .
Тиратроны были заменены в большинстве устройств малой и средней мощности соответствующими полупроводниковыми устройствами, известными как тиристоры (иногда называемые кремниевыми выпрямителями или тиристорами) и симисторами . Однако коммутационные услуги, требующие напряжения выше 20 кВ и с очень коротким временем нарастания, остаются в компетенции тиратрона.
Вариациями идеи тиратрона являются критрон , спритрон , игнитрон и управляемый искровой разрядник , все они до сих пор используются в специальных приложениях, таких как ядерное оружие (критрон) и передача энергии переменного/постоянного-переменного тока (игнитрон).
Модель 885 представляет собой небольшую тиратронную трубку, работающую на аргоне . Это устройство широко использовалось в схемах временной развертки первых осциллографов 1930-х годов. Он был использован в схеме, называемой релаксационным генератором . Во время Второй мировой войны небольшие тиратроны, подобные 885, использовались парами для создания бистабилов , ячеек «памяти», используемых в ранних компьютерах и машинах для взлома кода . Тиратроны также использовались для управления фазовым углом источников питания переменного тока (AC) в зарядных устройствах аккумуляторов и регуляторах освещенности , но они обычно имели большую токовую мощность, чем 885. 885 представляет собой 2,5-вольтовый 5-контактный вариант 884/6Q5.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )