Газоразрядные лампы
Образование высокого напряжения посредством ветра и дождя представляет собой довольно длительный процесс, при этом скорость накопления заряда возрастает при определённых атмосферных условиях. Вместе с тем, о вспышке молнии никак не скажешь, что она длится долго. Почему же так происходит? Почему мы не наблюдаем мягких светящихся дуг вместо внезапных вспышек? Это объясняется нелинейными свойствами сопротивления воздуха.
В обычных условиях сопротивление воздуха имеет очень высокое значение. В действительности оно настолько высоко, что обычно мы считаем его бесконечным, а электропроводностью воздуха просто пренебрегаем. Присутствие в воздухе воды и пыли уменьшает сопротивление в некоторой степени, однако при этих условиях воздух всё ещё следует рассматривать как непроводник. В условиях высокого напряжения электрические свойства воздуха изменяются: электроны «отрываются» со своих обычных «мест обитания» и становятся свободными, что позволяет формироваться электричеству. В этот состоянии, воздух ионизирован и называется не газом, а плазмой.Понятие «плазма» не стоит путать с медицинским термином (которым обозначается жидкая часть крови, в которой взвешены форменные элементы), — им обозначается четвёртое (после твёрдого, жидкого и газообразного) агрегатное состоянием вещества. Плазма является достаточно хорошим проводником электричества, при этом её удельное сопротивление намного меньше, чем сопротивление того же вещества в газообразном состоянии.
По мере продвижения тока сквозь плазму, происходит рассеяние энергии в форме тепла, так же как ток рассевает энергию на резисторе в форме тепла. В случае молнии температура будет очень высокой. Высокая температура также может преобразовать газ в плазму или поддерживать плазму даже в отсутствие высокого напряжения. По мере того как напряжение между облаком и землёй или же двумя облаками уменьшается, когда диспропорция зарядов нейтрализуется током молнии, тепло рассеиваемое молнией сохраняет воздух в состоянии плазмы, благодаря чему сопротивление остаётся низким. Видимая нами вспышка молнии остаётся в состоянии плазмы до тех пор, пока напряжение не опустится до уровня ниже того, что требуется для создания тока и рассеивания энергии в виде тепла. И наконец, воздух возвращается в газообразное состояние и больше не проводит электричество, после чего начинается повторное накопление заряда.
Отметьте наличие гистерезиса в ходе всего цикла. Когда воздух не проводит электричество, он имеет тенденцию к тому чтобы оставатьсянепроводником до тех пор пока напряжение не достигнет определённого критического порога. Затем, после перемены агрегатного состояния, имеется тенденция к тому, чтобы оставаться проводником до тех пор, пока напряжение не упадёт ниже определённой критической точки. После «включения», воздух тяготеет к тому чтобы оставаться во «включённом состоянии», а после «выключения» — тяготеет к тому чтобы оставаться в «отключённом» состоянии. Гистерезис и постоянное нарастание напряжения, вызванное действием ветра и дождя, объясняют то, почему вспышки молнии такие непродолжительные.
С точки зрения электроники рассматриваемое нами явление подобно действию релаксационного генератора. Генераторы представляют собой электронные схемы, создающие осциллирующее (переменное) напряжение, питаясь от источника постоянного тока. Релаксационный генератор работает по принципу заряжающегося конденсатора, который разряжается всякий раз, когда напряжение достигает критического порогового значения. Один из самых простых релаксационных генераторов состоит из трёх компонентов (не считая источника питания постоянного тока): резистора, конденсатора и неоновой лампы (см. рисунок ниже).
Простой релаксационный генератор
Неоновые лампы состоят из двух электродов внутри запаянной стеклянной колбы, в которую закачан неон. При комнатной температуре и в отсутствие напряжения, сопротивление лампы практически бесконечно. Однако, при превышении определённого порогового значения напряжения (это значение зависит от температуры газа и геометрии лампы), происходит ионизация газа (превращение в плазму), а сопротивление кардинально снижается. В действительности, неоновая лампа обладает теми же характеристиками, что и воздух в грозу, включая световое излучение в результате разряда, хотя и в гораздо меньшем масштабе.
Конденсатор показанного на рисунке выше релаксационного генератора заряжается со скоростью, соответствующей обратной экспоненте, определяемой номиналом резистора. Когда напряжение достигает порогового значения, происходит внезапное «включение» лампы и быстрая разрядка конденсатора до низкого значения. После разрядки происходит «отключение» лампы, после чего вновь начинается накопление заряда на конденсаторе. В результате мы получим серию вспышек лампы, скорость которых зависит от напряжения батареи, сопротивления резистора, ёмкости конденсатора и значения порогового напряжения.
Несмотря на то что газоразрядные лампы чаще всего используются с целью освещения, их гистерезисные свойства были также использованы в приборе под названием тиратрон, используемом для выполнения несколько более сложных функций. Фактически, ионный ламповый триод (триод — электронная лампа с тремя электродами, выполняющая функцию практически идентичную транзистору с изолированным затвором с каналом n-типа), тиратрон может быть включён посредством невысокого управляющего напряжения, приложенного между сеткой и катодом, и отключён посредством уменьшения напряжения анод-катод.
Простая схема управления тиратроном
В сущности, тиратроны являются управляемым вариантом неоновых ламп для переключения тока нагрузки. Точка внутри кружка на схеме указывает на наличие газа, что отличает тиратрон от обычных электронных ламп, внутри которых создаётся вакуум. С помощью тиратрона можно обеспечивать протекание тока в нагрузку в одном направлении (обратите внимание на полярность на нагрузочном резисторе), когда на него подаётся небольшой управляющий постоянный ток между сеткой и катодом. Обратите внимание, что источник питания нагрузки подаёт переменный ток, что даёт нам ключ к пониманию того, как тиратрон отключается после того как он уже был включён: поскольку напряжение переменного тока периодически пересекает точку 0 вольт полупериод, ток через нагрузку, питаемую переменным напряжением должен также периодически прекращаться. В моменты отсутствия тока лампа охлаждается и переходит в отключённое состояние. Проводимость может возобновиться только при наличии достаточного напряжения с источника питания и если обеспечивается управляющее напряжениее постоянного тока.
На экране осциллографа напряжение нагрузки подобной схемы выглядело бы примерно вот так:
Когда напряжение питания поднимается от нуля к первому пику, напряжение нагрузки остаётся на нуле (отсутствие тока нагрузки), до тех пор пока не будет достигнуто пороговое значение напряжения. В этой точке происходит «включение» лампы и она начинает проводить, а напряжение нагрузки будет следовать за напряжением переменного тока в течение оставшейся части полупериода. Напряжение на нагрузке (а следовательно и ток нагрузки) существует, даже когда кривая переменного напряжения падает ниже порогового значения. Таково действие гистерезиса: лампа проводит даже в тот момент, когда напряжение питание падает почти до нуля. Поскольку тиратрон представляет собой прибор одностороннего действия (подобно диоду), в течение отрицательного полупериода напряжения переменного тока напряжение на нагрузке отсутствует. В практических схемах с тиратроном несколько ламп расположены таким образом чтобы сформировать двухполупериодный выпрямитель для подачи в нагрузку выпрямленного тока.
Тиратроны применяются в схемах релаксационных генераторов. Частота регулируется небольшим напряжением постоянного тока между сеткой и катодом (см. рисунок ниже). Этот генератор управляемый напряжением известен в сокращённой форме как ГУН. На выходе релаксационных генераторов форма ЭДС имеет форму, которая значительно отличается от привычной синусоидальной формы. Чаще всего релаксационные генераторы применяются в виде демонстрационных схем (как и в нашем случае) или же в тех случаях, когда требуются насыщенные гармониками сигналы.
Тиратрон — управляемый напряжением релаксационный генератор
В настоящее время полупроводниковые компоненты практически вытеснили тиратроны, и значительно сузили область их применения. Не случайно слово тиристор так похоже на слово тиратрон, посколька оба эти прибора выполняют аналогичные функции: их гистерезисные свойства используются для включения и выключения тока.
РЕЗЮМЕ:
Электрический гистерезис, — тенденция компонента оставаться в проводящем состоянии после того, как он начал проводить, и в непроводящем состоянии, после того как он перестал проводить, — даёт объяснение того, почему молнии представляют собой однократные, а не продолжительные разряды тока.
Простые газоразрядные лампы (например, неоновые) проявляют свойства электрического гистерезиса.
В газоразрядных лампах более сложной структуры присутствуют управляющие элементы, благодаря чему их напряжение «включения» может регулироваться внешним сигналом. Самым распространённым типом таких ламп стал тиратрон.
Схемы простых генераторов, называемых релаксационными генераторами, могут быть собраны на основе простой зарядной цепочки резистор-конденсатор и прибора, проявляющего гистерезные свойства, соединённого последовательно с резистором.