Газоразрядные приборы. Ток через вакуумный прибор можно существенно увеличить, а падение напряжения на нем уменьшить, если отрицательный объемный заряд в межэлектродном промежутке

Ток через вакуумный прибор можно существенно увеличить, а падение напряжения на нем уменьшить, если отрицательный объемный заряд в межэлектродном промежутке скомпенсировать положительным объемный зарядом ионов, образующихся при ионизации электронами атомов введенного в прибор газа. В результате в промежутке обеспечивается квазинейтральность , так как при отступлении от нее некомпенсированный объемный заряд ионов создает внутреннее электрическое поле, которое замедляет электроны.

Падение напряжения на приборе должно превышать потенциал ионизации наполняющего газа V. Газоразрядные приборы смогут работать и без подогреваемого катода. Это приборы тлеющего разряда и дугового разряда с катодным пятном.

Недостатком газоразрядных приборов является медленная рекомбинация ионов и электронов (деионизация) после снятия напряжения, что требует определенное время для восстановления электрической прочности. Кроме того, при прохождении тока газоразрядные приборы теряют управляемость из-за экранировки управляющего электрода (сетки) противоположным зарядом плазмы.

Типичные газоразрядные приборы, которые продолжают конкурировать с полупроводниковыми приборами, это высоковольтные импульсные водородные тиратроны, газовые и ртутные разрядники.

Рис. 1.8. Тиратрон.

1 – катод; 2 – подогреватель; 3 – сетка; 4 – анод; 5 – экран.

Водородный тиратрон (рис. 1.8) обычно метало - керамического исполнения имеет подогреваемый катод и управляющую сетку. При подаче на сетку положительного потенциала возникает газовый разряд сначала на сетку, затем электроны проходят через отверстия сетки и газовый разряд распространяется на анод. После того, как образовалась газоразрядная плазма, сетка экранируется слоем заряженных частиц обратного знака, и ее поле не проникает в плазму, так что сетка уже не влияет на разряд и не может прекратить ток. Прекратить ток можно только, уменьшая потенциал анода ниже потенциала погашения разряда. Плазма распадается за время, порядка десятка микросекунд, и тиратрон снова готов к управлению.

Типичные водородные тиратроны ТГИ 1000/25 (ток в импульсе 1000 А, напряжение 25 kV), ТГИ1 5000/50 (5 kА, 50 kV). Длительность импульса тока через водородные тиратроны – до десятка микросекунд, частота – до десятков kHz.

Неуправляемые газовые разрядники имеют только холодный (ненагреваемый) катод и анод. При достижении напряжения пробойного значения происходит пробой газа и разряд с большим током, ограничиваемым только внешней цепью. Служат такие разрядники в качестве защитных, предохраняя устройства от перенапряжения, или в качестве коммутаторов, работающих на самопробое. Управляемые газовые разрядники имеют управляющее устройство, при подаче на которое управляющего сигнала происходит инициирование главного разряда между анодом и катодом.

Важную нишу в мощных коммутирующих приборах занимают ртутные разрядники и ртутные экзитроны. Ртутные приборы полностью откачиваются и имеют изолированный анод, жидкий ртутный катод, в который опущено инициирующее устройство в виде полупроводникового конуса. При подаче управляющего импульса на контакте с ртутью возникает дуговой разряд и распространяющаяся ртутная плазма замыкает главный промежуток. После разряда ртуть стекает по стенкам снова на катод, так что катод практически не изнашивается. Типичные ртутные разрядники: ИРТ – 3 (20 kV, 300 kА), ИРТ 5 (50 kV, 100 kА). Применяются такие разрядники в промышленных установках электрогидравлической и магнито - импульсной обработки материалов и в специальных импульсных устройствах.

При помещении между электродами сеток (экзитрон) происходит более легкое управление и быстрое восстановление электрической прочности, выдерживание без пробоя обратного напряжения. Применяются в мощных частотных импульсных накопителях в радиолокации и космической связи.