Что такое игнитрон

Игнитрон это особый тип газоразрядного прибора. Он имеет ртутный катод и электрод, осуществляющий поджиг. При помощи него происходит управление дуговым разрядом.

Эти устройства могут использоваться как вентиль для устройств выпрямления переменного тока большой мощности, например аппаратов сварки или подстанциях. Был изобретен  игнитрон в 1922 году русским инженером Вологодиным В.П. Несмотря на то, что произошло это почти век назад, используются игнитроны и в настоящее время.

В данной статье пойдет речь об устройстве этого прибора, принципах его работы и сфере использования. Дополнена данная статья скачиваемым файлом с техническими особенностями этих приборов, а также двумя роликами на заданную тематику.

Схема с игнитроном

Игнитрон представляет собой электронную лампу, временем пребывания которой в открытом состоянии можно управлять. В игнитроне находится жидкая ртуть, контакт с которой имеет вывод во внешнюю цепь. Кроме того, в игнитроне находятся анод и электрод поджига; кончик электрода, изготовленный из карбида кремния или карбида бора,, погружен на небольшую глубину в ртуть.

Если между электродом поджига и ртутью есть некоторая разность потенциалов,, то образуется искра, в результате чего возникает электронная эмиссия. При положительном потенциале на аноде электроны,, двигаясь к аноду, будут сталкиваться с атомами газа в лампе,. т. е. начнется процесс ионизации.

Когда через игнитрон протекает ток, падение напряжения на нем невелико; следовательно, эта лампа имеет небольшое внутреннее сопротивление. Игнитрон обладает рядом преимуществ: опасность пробоя между анодом и катодом невелика, так как максимальное обратное напряжение имеет место только в интервалы времени, когда внутреннее сопротивление лампы имеет большую величину.

К тому же,  не требуется энергии для подогрева катода. Как и в случае тиристора, запуск игнитрона мо­жет производиться в любой точке периода переменного напряжения, что позволяет осуществлять управление выходной мощностью.

[stextbox id=’info’]Поскольку ртуть имеет неограниченный срок службы и может выдерживать большие перегрузки, игнитрон находит широкое применение в мощных промышленных установках. Вследствие присутствия ртути лампа должна работать в вертикальном положении.[/stextbox]

Диод с указанной на рисунке полярностью включен последова­тельно с ограничительным резистором Ri между анодом и элек­тродом поджига. Источник переменного тока соединен последо­вательно с нагрузкой R_н и игнитроном, т. е. так же, как и в схе­ме с тиристором.

Во время действия положительного полупе­риода переменного напряжения диод Д[ и игнитрон hi нахо­дятся в открытом состоянии. Однако игнитрон не может откры­ваться до тех пор, пока электрод поджига не вызовет электрон­ную эмиссию. Когда диод находится в открытом состоянии, про­исходит электрический разряд между электродом и ртутью, и возникающая в результате электронная эмиссия вызовет иони­зацию и протекание тока.

Игнитрон — управляемый ртутный вентиль, зажигание дуги в котором производится подачей импульса на электрод — зажигатель, опущенный в ртуть имеет только один анод, что практически исключает возможность обратного зажигания применяется в мощных управляемых выпрямителях, имеющих к. п. д. 90—95% .

Во время отрицательной полуволны переменного напряжения и игнитрон, и диод находятся в закры­том состоянии. Вместо диода Д( управляющее напряжение, как и в схеме с тиристором, может вырабатываться фазосдвигаю-щей цепью. Схема имеет невысокий к. п. д., так как в ней используется однополу-периодное выпрямление.

Полученное напряжение перед пода­чей в нагрузку для уменьшения пульсаций может быть отфильтровано. Для повышения к. п. д. можно применять схему с иг­нитронами, выполняющую двухполупериодное выпрямление, ко­торую и рассмотрим в следующем разделе.

Этот процесс представляет собой преобразование переменного тока в постоянный при помощи вентилей или коммутационных устройств, пропускающих ток только в одном направлении. Выпрямитель состоит из трансформатора, вентиля и электрического фильтра, сглаживающего пульсации выпрямленного тока.

Существовавшие до того времени выпрямители не могли обеспечить надлежащей работы трансформаторов. В 1919 г. В.П. Вологдин решил использовать для получения постоянного тока вып-рямитель с жидким (ртутным) катодом в стеклянном исполнении (в виде колбы). В этом устройстве два нулевых трехфазных выпрямителя были соединены параллельным способом.

В.П. Вологдин сделал свои ртутные выпрямители однополупериодными и двухполупериодными. В первых использовалась только одна полуволна переменного тока, выпрямленный ток сильно пульсировал (возникали остаточные вихревые токи), что заставляло использовать дорогостоящие и громоздкие фильтры. При двухполупериодном выпрямлении постоянная составляющего тока увеличивалась вдвое, а пульсации соответственно уменьшались.

Поэтому ртутный выпрямитель, предложенный В.П. Вологдиным, получил высокую оценку специалистов. Он предназначался для питания анодных ламп радиотелефонных передатчиков. Оригинальный прибор мощностью 10 кВт позволял получить постоянный ток с напряжением более 3500 В. Коэффициент полезного действия (КПД) при этом достигал 99 %, а напряжение внутри колбы падало незначительно.

Это интересно! Все о полупроводниковых диодах.

Ртутный выпрямитель, созданный В.П. Вологдиным, предназначался в первую очередь для радиотелефонных и радиотелеграфных станций. В 1930 г. В.П. Вологдину удалось создать более мощные ртутные выпрямители в металлическом исполнении.

Самый первый из них достигал мощности в 1000 кВт (при напряжении 12 ООО В). Он изготавливался на ленинградском заводе «Электросила» под руководством В.П. Волошина. Изобретение В.П. Вологдина практически в неизмененном виде используется на современных электростанциях и в трансформаторах большого масштаба. Этого человека заслуженно называют пионером высокочастотных технологий в отечественной энергетике.

Технологические особенности игнитронов

В отличие от обычных ртутных вентилей, в которых для поддержания горения дуги служат аноды возбуждения, в игнитроне «поджигание» дуги происходит во время каждого положительного полупериода анодного напряжения с помощью вспомогательного электрода, называемого игнитором или зажигателем.

Игнитрон представляет собой стеклянный или металлический баллон, в котором создан вакуум и расположены ртутный катод, анод и зажигатель, являющийся наиболее ответственным элементом игнитрона.

Он имеет форму конического стержня, изготовленного из намачиваемого ртутью полупроводникового материала, например корунда или карбида бора, погруженного на 3+5 мм в ртутный катод. Между зажигателем и катодом образуется изоляционная микропленка. На зажигатель подаются импульсы напряжения порядка 170+200 В при токе до 30 А.

[stextbox id=’warning’]На границе между зажигателем и ртутью образуется электрическое поле напряженностью порядка 10⁶ В/см, достаточное для появления электростатической эмиссии с поверхности катода. Если поджигающий импульс подается при положительном напряжении на аноде, то в игнитроне начинается дуговой разряд и образуется плазма, а на поверхности ртути — катодное пятно.[/stextbox]

При отрицательном полупериоде напряжения на аноде происходит деионизация паров ртути, поэтому во время каждого следующего положительного полупериода анодного напряжения необходимо подавать на зажигатель очередной поджигающий импульс.

Они должны подаваться синхронно с анодным напряжением. Изменяя фазу поджигающих импульсов можно изменить длительность горения дуги, а следовательно, и величину выпрямленного напряжения, если игнитрон работает в выпрямительной схеме. Роль зажигателя в игнитроне подобна роли управляющей сетки и тиратроне.

Стеклянный игнитрон типа И-100/1000, рассчитанный на выпрямленный ток 100 А при допустимом обратном напряжении 1000 В, изготовляют в виде сварной конструкции из медного цилиндра, охлаждаемого водой и являющегося выводом катода, и стеклянного (молибденовое стекло) цилиндра — анодной камеры. Графитовый анод имеет форму цилиндра или полусферы. Вывод зажигателя сделан в боковой части стеклянного цилиндра.

Устройство металлического игнитрона и его условное обозначение

Игнитроны широко применяют в мощных выпрямительных устройствах, промышленных преобразователях тока, электросварочных установках и ряде других схем промышленной электроники. Игнитроны типа И1 выпускают для контактной сварки металлов.

Особенности строения игнитрона

Игнитроны обладают не только важным достоинством ртутных вентилей – их способностью переносить перегрузки, но и всеми положительными свойствами тиратронов, как управляемых выпрямителей. Существенным недостатком игнитронов является ограниченный срок службы зажигателя.

Последний нагревается при работе, его поверхность с течением времени загрязняется и на ней образуются пятна ртути, что в конечном счете приводит к пропускам в зажигании дуги и к увеличенному потреблению тока. К недостаткам игнитронов относится также необходимость искусственного охлаждения, что значительно усложняет их конструкцию.

Игнитрон используется в устройствах, потребляющих токи до нескольких десятков ампер. Для исключения возможности возникновения обратного тока в цепи зажигателя в нее включают полупроводниковый или иной диод. Игнитрон имеет существенные недостатки, заключающиеся в ограниченном сроке службы зажигателя. Эти недостатки приводят к пропускам зажигания.

Игнитроны имеют анодные характеристики тиратронов, но обеспечивают большую мощность в нагрузке. Их применяют для управления точечной сваркой, электродвигателями, для преобразования больших мощностей постоянного тока в мощности переменного тока и для преобразования частоты мощных электрических устройств. В настоящее время мощные полупроводниковые управляемые диоды – тиристоры – начинают успешно заменять игнитроны.

Игнитрон представляет собой лампу с ртутным катодом. Прерывателем ( зажигате-лем) в лампе является стержень из тугоплавкого материала с большим электрическим сопротивлением, погружаемый в ртуть. При соответствующем напряжении порядка более 100 в / см, поданном на зажигатель, возникает дуговой разряд между стержнем и зеркалом ( поверхностью) ртути.

Дуга становится источником электронов для главного разряда между катодом и анодом, происходящего через несколько микросекунд после возникновения дуги. Дуга в цепи зажигателя может образоваться через цепь конденсатора.

Игнитрон запускается каждый раз при подаче на пусковой электрод положительного по отношению к катоду импульса порядка сотен вольт, если анодное напряжение в этс время также положительное. При отрицательном напряжении на основном аноде происходит деионизация паров ртути и игнитрон закрывается. Регулируя время поступления импульсов на пусковой электрод относительно момента появления положительного напряжения на аноде, можно управлять анодным током через игнитрон.

Игнитроны находят широкое применение: 1) в эле ктро-сварке, где требуются периодические и значительные по величине импульсы тока; 2) в качестве ионных выключателей, сочетающих высокую перегрузочную способность с большой скоростью включения и выключения; 3) в качестве реле, обладающего чувствительным элементом и в то же время мощными контактами для непосредственного включения больших сил токов.

Интересно почитать! Что такое варистор и где его применяют.

Разновидности ингитрона

Ведущей научно-исследовательской организацией по разработке новых типов преобразователей электрической энергии является Всесоюзный электротехнический институт имени Ленина (ВЭИ). В четвертой пятилетке в ВЭИ была разработана конструкция цельнометаллического запаянного ртутного выпрямителя с воздушным охлаждением, а в 1957 г. создана серия цельнометаллических запаянных игнитронов как с воздушным, так и с водяным охлаждением.

Все электровозы перечисленных серий предназначены для работы на постоянном токе. Но для продолжения опытов применения однофазного переменного тока, начатых еш,е перед войной, Новочеркасский завод построил в 1953—1954 гг. два опытных шестиосных грузовых электровоза серии НО, работавших на однофазном токе промышленной частоты и оборудованных игнитронными ртутными выпрямителями.

Кроме указанных сварочных машин промышленного типа для сварки сильфонов широко применяются более простые установки с игнитронными прерывателями типа ИП-5, ИП-7 и ИП-8. Эти установки чрезвычайно компактны, просты и могут быть изготовлены любой экспериментальной мастерской.

[stextbox id=’warning’]Весь комплект оборудования состоит из простого игнитронного прерывателя, сварочного трансформатора и устройства для крепления и вращения свариваемых изделий. Практически может быть использован любой сварочный трансформатор с сечением сердечника не менее 100 см . Вторичная обмотка трансформатора состоит из шины сечением 6—10 см .  [/stextbox]

Поскольку время разряда конденсатора зависит от величины сопротивления 5 в его цепи, то оказывается возможным регулировать и частоту зажигания игнитрона в пределах от 2 до 20 гц.  Благодаря регулировке угла отсечки длительность горения (импульса) игнитрона составляет 0,01—0,003 сек.

Как видно из схемы, сеть замыкается через игнитрон и сварочный трансформатор накоротко. Однако время замыкания настолько мало, что любая из имеющихся защит сработать не успевает. Мощные импульсные токи, протекающие через игнитрон и сварочный трансформатор, и служат для сварки сильфонов с арматурой.

Область применения

Игнитроны находят широкое применение

• в электросварке, где требуются периодические и значительные по величине импульсы тока
• в качестве ионных выключателей, сочетающих высокую перегрузочную способность с большой скоростью включения и выключения
• в качестве реле, обладающего чувствительным элементом и в то же время мощными контактами для непосредственного включения больших сил токов.

Ионный электропривод постоянного тока и его механические характеристики. Электропривод этого типа состоит из ионных выпрямляющих аппаратов и двигателя постоянного тока. Для выпрямления переменного тока при больших мощностях двигателей используются ртутные выпрямители с регулируемой сеткой, при меньших мощностях — тиратроны (стеклянные или металлические) и игнитроны.

Подводимое к двигателю напряжение ионных аппаратов можно регулировать в широких пределах, изменяя момент зажигания игнитронов посредством подачи соответствующих потенциалов на сетки ртутных выпрямителей или тиратронов. Этим создаётся возможность производить пуск и широко регулировать скорость так же, как и в системе Леонарда. Пределы регулирования скорости двигателя — от 1 20 и выше.

Автоматическая аппаратура состоит из различных контакторов, реле управления, реле защиты, командоаппаратов, путевых выключателей, тормозных электромагнитов, регуляторов, ионно-электронной аппаратуры, усилительных ламп, ртутных выпрямителей, тиратронов, игнитронов, неоновых ламп, фотоэлементов, электронно-лучевых трубок и т. д. Комплектные аппараты автоматического управления для различных электроприводов носят название станций управления.

Синхронный игнитронный прерыватель для точечной сварки дозирует время протекания тока с помощью силовых игнитронов, регулируемых конденсаторно-ламповыми и электромагнитными устройствами.  Замыкание и размыкание первичной цепи сварочного трансформатора осуществляются через силовые игнитроны I и II путём зажигания и гашения дуги в игнитроне.

Цепь управления игнитронами состоит из вспомогательных ламп (тиратронов) 1, 2, 3, 4 и 5, конденсаторов б и 7, пик-трансформатора 8, нормальных трансформаторов, серии регулируемых и нерегулируемых сопротивлений и специального асинхронного таймера, производящего в определённые моменты времени замыкание и размыкание цепи управления выключателя 9.

Синхронный игнитронный (электронно-ионный) прерыватель. В этом прерывателе периодическое замыкание и размыкание цепи первичной обмотки сварочного трансформатора осуществляются путём периодического зажигания и гашения дуги в игнитронах.

Моменты зажигания и гашения дуги и соответственно продолжительность импульсов тока и пауз между ними определяются настройкой цепи управления игнитронами. В цепь зажигания каждого игнитрона включены последовательно по два вспомогательных тиратрона. Управление тиратронами осуществляется двумя отдельными цепями, каждая из которых периодически меняет потенциал на сетке связанного с ней тиратрона.

Заключение

Более подробно о том, что такое игнитрон, рассказано в статье Гост на игнитроны. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. А также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов. Для этого приглашаем читателей подписаться и вступить в группу.

В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию во время подготовки материала:

www.nauchebe.net

www.ngpedia.ru

www.mash-xxl.info

www.bourabai.ru