Газоразрядни лампи
Генерирането на високо напрежение от вятър и дъжд е доста дълъг процес и скоростта на натрупване на заряд се увеличава при определени атмосферни условия. В същото време не можете да кажете за светкавица, че тя продължава дълго време. Защо се случва това? Защо не виждаме меки светещидъгивместо внезапниотблясъци? Това се дължи на нелинейните свойства на съпротивлението на въздуха.
При нормални условия съпротивлението на въздуха е много високо. Всъщност тя е толкова висока, че обикновено я смятаме за безкрайна и просто пренебрегваме електрическата проводимост на въздуха. Наличието на вода и прах във въздуха намалява съпротивлението до известна степен, но при тези условия въздухът все още трябва да се счита за непроводник. При условия на високо напрежение електрическите свойства на въздуха се променят: електроните се "откъсват" от обичайните си "местообитания" и се освобождават, което позволява образуването на електричество. В това състояние въздухът ейонизирани се нарича негаз, аплазма.Понятието "плазма" не трябва да се бърка с медицинския термин (което се отнася до течната част на кръвта, в която са суспендирани формените елементи), - то се отнася до четвъртото (след твърдо, течно и газообразно) агрегатно състояние на материята. Плазмата е доста добър проводник на електричество, докато нейното съпротивление е много по-малко от съпротивлението на същото вещество в газообразно състояние.
Когато токът протича през плазмата, енергията се разсейва под формата на топлина, точно както токът разсейва енергията в резистора под формата на топлина. В случай на мълния температурата ще бъде много висока. Високата температура също може да преобразува газ в плазма или да поддържа плазмата дори в неяняма високо напрежение. Тъй като напрежението между облака и земята или два облака намалява, тъй като дисбалансът на зарядите се компенсира от тока на мълнията, топлината, разсейвана от мълнията, поддържа въздуха в състояние на плазма, така че съпротивлението остава ниско. Светкавицата, която виждаме, остава в състояние на плазма, докато напрежението падне под необходимото за създаване на ток и разсейване на енергия като топлина. Накрая въздухът се връща в газообразно състояние и вече не провежда електричество, след което зарядът започва да се натрупва отново.
Обърнете внимание на наличието на хистерезис през целия цикъл. Когато въздухът не провежда електричество, той има тенденция да останенепроводник, докато напрежението достигне определен критичен праг. След това, след промяна в състоянието на агрегиране, има тенденцияда остане проводникдокато напрежението падне под определена критична точка. След "включване" въздухът има тенденция да остане в състояние "включено", а след "изключване" има тенденция да остане в състояние "изключено". Хистерезисът и постоянното натрупване на напрежение, причинено от вятър и дъжд, обясняват защо светкавиците са толкова кратки.
От гледна точка на електрониката, явлението, което разглеждаме, е подобно на действието нагенератор на релаксация. Генераторите са електронни схеми, които създават осцилиращо (променливо) напрежение, захранвано от източник на постоянен ток. Осцилаторът за релаксация работи на принципа на зареждащ кондензатор, който се разрежда, когато напрежението достигне критичен праг. Една от най-лесните релаксацииГенераторите се състоят от три компонента (без да се брои захранването с постоянен ток): резистор, кондензатор и неонова лампа (вижте фигурата по-долу).
Прост генератор за релаксация
Неоновите лампи се състоят от два електрода в запечатана стъклена колба, пълна с неон. При стайна температура и при липса на напрежение съпротивлението на лампата е практически безкрайно. Въпреки това, когато се превиши определена прагова стойност на напрежението (тази стойност зависи от температурата на газа и геометрията на лампата), настъпва йонизация на газа (трансформация в плазма) и съпротивлението намалява драстично. Всъщност неонова лампа има същите характеристики като въздуха при гръмотевична буря, включително светлината, излъчвана от разряда, макар и в много по-малък мащаб.
Кондензаторът на релаксиращия осцилатор, показан на фигурата по-горе, се зарежда със скорост, съответстваща на реципрочната стойност на степента, определена от стойността на резистора. Когато напрежението достигне прага, лампата внезапно "се включва" и кондензаторът бързо се разрежда до ниска стойност. След разреждане лампата "изгасва", след което натрупването на заряд върху кондензатора започва отново. В резултат на това ще получим поредица от мигания на лампата, чиято скорост зависи от напрежението на батерията, съпротивлението на резистора, капацитета на кондензатора и стойността на праговото напрежение.
Въпреки че газоразрядните лампи се използват най-често за осветителни цели, техните хистерезисни свойства също са били използвани в устройство, нареченотиратрон, използвано за изпълнение на малко по-сложни функции. Всъщност триод с йонна тръба (триодът е вакуумна тръба с три електрода, която изпълнява функция, почти идентична с изолиран транзисторпорта с n-канал), тиратронът може да бъде включен чрез ниско управляващо напрежение, приложено между решетката и катода, и изключен чрез намаляване на напрежението анод-катод.
Проста верига за управление на тиратрон
По същество тиратроните саконтролиранаверсия на неоновите лампи за превключване на тока на натоварване. Точката в кръга на диаграмата показва наличието на газ, което отличава тиратрона от обикновените вакуумни тръби, вътре в които се създава вакуум. С тиратрон е възможно да се осигури ток към товара в една посока (обърнете внимание на полярността на товарния резистор), когато към него се приложи малък управляващ постоянен ток между решетката и катода. Обърнете внимание, че захранването на товара доставя променлив ток, което ни дава представа как тиратронът се изключва, след като вече е бил включен: тъй като променливотоковото напрежение периодично пресича точката 0 волта в половин цикъл, токът през захранвания с променлив ток товар също трябва периодично да спира. Когато няма ток, лампата се охлажда и преминава в изключено състояние. Провеждането може да се възобнови само ако има достатъчно напрежение от захранванетои, ако е осигурено DC управляващо напрежение.
На екрана на осцилоскопа напрежението на натоварване на такава верига ще изглежда така:
Когато захранващото напрежение се повиши от нула до първия пик, напрежението на товара остава нула (ток без товар), докато се достигне прага на напрежението. В този момент лампата "се включва" и започва да провежда, а напрежението на товара ще следва променливотоковото напрежение заостаналата част от половин цикъл. Товарното напрежение (и следователно товарният ток) съществува дори когато кривата на променливотоковото напрежение падне под прага. Това е ефектът на хистерезис: лампата провежда дори в момента, когато захранващото напрежение падне почти до нула. Тъй като тиратронът е устройство с едно действие (като диод), няма напрежение в товара по време на отрицателния полупериод на променливотоковото напрежение. В практически схеми с тиратрон няколко лампи са разположени по такъв начин, че да образуват пълновълнов токоизправител за подаване на коригиран ток към товара.
Тиратроните се използват във вериги на релаксиращи осцилатори. Честотата се контролира от малко постоянно напрежение между мрежата и катода (вижте фигурата по-долу). Този управляван от напрежение осцилатор е известен накратко катоVCO. На изхода на генераторите за релаксация формата на ЕМП има форма, която се различава значително от обичайната синусоидална форма. Най-често релаксационните осцилатори се използват под формата на демонстрационни схеми (както в нашия случай) или в случаите, когато са необходими сигнали, богати на хармоници.
Тиратрон - Релаксационен осцилатор с контролирано напрежение
Понастоящем полупроводниковите компоненти практически изместиха тиратроните и значително стесниха обхвата си. Неслучайно думататиристоре толкова подобна на думататиратрон, тъй като и двете устройства изпълняват подобни функции: техните свойстваrustepesis се използват за включване и изключване на тока.
Електрическихистерезис,тенденцията на компонент да остане в проводящо състояние, след като е започнал да провежда, и в непроводимо състояние, след като е започнал да провежда.престанал да провежда - дава обяснение защо мълнията е единичен, а не непрекъснат разряд на ток.
Обикновените газоразрядни лампи (като неоновите) проявяват свойствата на електрически хистерезис.
В газоразрядни лампи с по-сложна структура има управляващи елементи, поради които тяхното "включено" напрежение може да се контролира чрез външен сигнал. Най-често срещаният тип такива лампи бешетиратрон.
Вериги от прости осцилатори, нареченирелаксационни осцилатори,могат да бъдат сглобени въз основа на проста схема за зареждане резистор-кондензатор и устройство, което проявява хистерезисни свойства, свързано последователно с резистора.