Холодный катод [ 1] — это катод , который не нагревается электрически нитью накала . [примечание 1] Катод можно считать «холодным», если он испускает больше электронов, чем может быть получено только за счет термоионной эмиссии . Он используется в газоразрядных лампах , таких как неоновые лампы , разрядных трубках и некоторых типах вакуумных трубок . Другой тип катода — это 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 способами, такими как прохождение тока от катода в газ.
Вакуумная лампа с холодным катодом не требует внешнего нагрева электрода для обеспечения термоионной эмиссии электронов. Ранние приборы с холодным катодом включали трубку Гейсслера и трубку Плюккера , а также ранние электронно-лучевые трубки . Изучение явлений в этих приборах привело к открытию электрона.
Неоновые лампы используются как для получения света в качестве индикаторов, так и для специального освещения, а также в качестве элементов схемы, демонстрирующих отрицательное сопротивление . Добавление триггерного электрода к устройству позволило инициировать тлеющий разряд внешней схемой управления; Bell Laboratories разработали устройство с холодным катодом «триггерной трубки» в 1936 году. [2]
Было разработано много типов ламп с холодным катодом, включая различные типы тиратронов , критронов , дисплеи с холодным катодом ( лампы Nixie ) и другие. Лампы -регуляторы напряжения полагаются на относительно постоянное напряжение тлеющего разряда в диапазоне тока и использовались для стабилизации напряжения питания в приборах на основе ламп. Декатрон — это лампа с холодным катодом с несколькими электродами, которая используется для подсчета. Каждый раз, когда импульс подается на управляющий электрод, тлеющий разряд перемещается на ступенчатый электрод; путем предоставления десяти электродов в каждой трубке и каскадирования трубок можно разработать систему счетчика и наблюдать подсчет по положению тлеющих разрядов. Счетные трубки широко использовались до разработки счетчиков на интегральных схемах .
Импульсная лампа представляет собой устройство с холодным катодом, заполненное газом ксеноном , которое используется для создания интенсивного короткого импульса света для фотографии или в качестве стробоскопа для исследования движения движущихся частей.
Лампы с холодным катодом включают флуоресцентные лампы с холодным катодом (CCFL) и неоновые лампы . Неоновые лампы в первую очередь полагаются на возбуждение молекул газа для излучения света; CCFL используют разряд в парах ртути для создания ультрафиолетового света, который, в свою очередь, заставляет флуоресцентное покрытие на внутренней стороне лампы излучать видимый свет.
Люминесцентные лампы с холодным катодом использовались для подсветки ЖК-дисплеев , например, компьютерных мониторов и телевизионных экранов.
В светотехнической промышленности «холодный катод» исторически относится к светящейся трубке диаметром более 20 мм, работающей при токе от 120 до 240 миллиампер. Эта трубка большего диаметра часто используется для внутреннего освещения ниши и общего освещения. [3] [4] Термин «неоновая лампа» относится к трубке диаметром менее 15 мм [ требуется ссылка ] и обычно работает при токе около 40 миллиампер. Эти лампы обычно используются для неоновых вывесок.
Катод — отрицательный электрод. Любая газоразрядная лампа имеет положительный (анод) и отрицательный электрод. Оба электрода попеременно действуют как анод и катод, когда эти устройства работают на переменном токе .
Холодный катод отличается от горячего катода , который нагревается для того, чтобы вызвать термоионную эмиссию электронов . Разрядные трубки с горячими катодами имеют оболочку, заполненную газом низкого давления и содержащую два электрода. Устройства с горячим катодом включают обычные вакуумные трубки , люминесцентные лампы , разрядные лампы высокого давления и вакуумные люминесцентные дисплеи .
Поверхность холодных катодов может испускать вторичные электроны в соотношении больше единицы (пробой). Электрон, покидающий катод, столкнется с нейтральными молекулами газа. Столкновение может просто возбудить молекулу, но иногда оно выбьет электрон, чтобы создать положительный ион. Первоначальный электрон и освобожденный электрон продолжают движение к аноду и могут создавать больше положительных ионов (см. лавину Таунсенда ). В результате для каждого электрона, покидающего катод, генерируется несколько положительных ионов, которые в конечном итоге падают на катод. Некоторые сталкивающиеся положительные ионы могут генерировать вторичный электрон. Разряд является самоподдерживающимся, когда для каждого электрона, покидающего катод, достаточно положительных ионов, чтобы освободить, в среднем, еще один электрон. Внешняя схема ограничивает ток разряда. Разрядные лампы с холодным катодом используют более высокие напряжения, чем лампы с горячим катодом. Результирующее сильное электрическое поле вблизи катода ускоряет ионы до достаточной скорости для создания свободных электронов из материала катода.
Другим механизмом генерации свободных электронов с холодной металлической поверхности является полевая электронная эмиссия . Она используется в некоторых рентгеновских трубках , полевом электронном микроскопе (ПЭМ) и полевых эмиссионных дисплеях (ПЭД).
Холодные катоды иногда имеют покрытие из редкоземельных элементов для усиления электронной эмиссии. Некоторые типы содержат источник бета-излучения для начала ионизации газа, заполняющего трубку. [5] В некоторых трубках тлеющий разряд вокруг катода обычно минимизирован; вместо этого есть так называемый положительный столб, заполняющий трубку. [6] [7] [примечание 2] Примерами являются неоновая лампа и газоразрядные лампы . Газоразрядные лампы также являются неоновыми дисплеями с холодным катодом, которые являются линейными, но не плоскостными устройствами отображения.
Устройства с холодным катодом обычно используют сложный высоковольтный источник питания с некоторым механизмом ограничения тока. Хотя создание начального пространственного заряда и первой дуги тока через трубку может потребовать очень высокого напряжения, как только трубка начинает нагреваться, электрическое сопротивление падает, тем самым увеличивая электрический ток через лампу. Чтобы компенсировать этот эффект и поддерживать нормальную работу, напряжение питания постепенно понижают. В случае трубок с ионизирующим газом газ может стать очень горячей плазмой , и электрическое сопротивление значительно уменьшается. При работе от простого источника питания без ограничения тока это снижение сопротивления приведет к повреждению источника питания и перегреву электродов трубки.
Холодные катоды используются в выпрямителях с холодным катодом, таких как кроссатрон и ртутно-дуговые лампы , и усилителях с холодным катодом, таких как автоматический учет сообщений и другие приложения псевдоискрового переключения . Другие примеры включают тиратрон , критрон , спритрон и игнитронные трубки.
Распространенное применение холодного катода — неоновые вывески и другие места, где температура окружающей среды может опускаться значительно ниже нуля. Часовая башня Вестминстерского дворца (Биг-Бен) использует освещение с холодным катодом за циферблатом часов, где постоянное зажигание и отсутствие зажигания в холодную погоду было бы нежелательным. Большие люминесцентные лампы с холодным катодом (CCFL) производились в прошлом и до сих пор используются, когда требуются линейные источники света с длительным сроком службы. С 2011 года [update]миниатюрные CCFL широко использовались в качестве подсветки для жидкокристаллических дисплеев компьютеров и телевизоров . Срок службы CCFL в ЖК-телевизорах варьируется в зависимости от переходных скачков напряжения и уровней температуры в условиях использования.
Благодаря своей эффективности технология CCFL распространилась на освещение помещений. Стоимость аналогична стоимости традиционного люминесцентного освещения , [ уточнение необходимо ], но с несколькими преимуществами: длительный срок службы, излучаемый свет приятнее для глаз [ уточнение ] , лампочки мгновенно включаются на полную мощность и также имеют регулируемую яркость. [8]
В системах, использующих переменный ток , но без отдельных анодных структур, электроды чередуются как аноды и катоды, и падающие электроны могут вызывать значительный локальный нагрев, часто до красного каления . Электрод может использовать этот нагрев для облегчения термоионной эмиссии электронов, когда он действует как катод. ( Флуоресцентные лампы с мгновенным запуском используют этот аспект; они начинают работу как устройства с холодным катодом, но вскоре локальный нагрев тонких вольфрамовых проволочных катодов заставляет их работать в том же режиме, что и лампы с горячим катодом .)
Этот аспект является проблематичным в случае подсветки, используемой для ЖК- дисплеев телевизоров. Новые правила энергоэффективности, предлагаемые во многих странах, потребуют переменной подсветки; переменная подсветка также улучшает воспринимаемый диапазон контрастности, что желательно для ЖК-телевизоров. Однако CCFL строго ограничены в степени, в которой они могут быть затемнены, как потому, что более низкий плазменный ток снизит температуру катода, вызывая нестабильную работу, так и потому, что работа катода при слишком низкой температуре резко сокращает срок службы ламп. [ необходима цитата ] Много исследований направлено на решение этой проблемы, но производители высокого класса теперь обращаются к высокоэффективным белым светодиодам как к лучшему решению. [ необходима цитата ]