Игнитрон (Ртутный выпрямитель) устройство, принцип работы, характеристики

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.

Ингитроны
Игнитроны

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.

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.

Диод с указанной на рисунке полярностью включен последова­тельно с ограничительным резистором Ri между анодом и элек­тродом поджига. Источник переменного тока соединен последо­вательно с нагрузкой Rн 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.

Игнитрон с металлическим корпусом
Игнитрон с металлическим корпусом

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.

Будет интересно➡  Что такое клистрон и как он работает

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.

Схема устройства игнитрона
Схема устройства игнитрона

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.

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.

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.

Эксплуатационные параметры игнитронов

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.

Будет интересно➡  Что такое триоды и где они применяются

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.

Советский игнитрон
Советский игнитрон

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.

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 .  

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.

Будет интересно➡  Как устроен магнетрон: принцип работы и применение в микроволновой печи

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.

Игнитрон
Игнитрон

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

Рейтинг автора
Автор статьи
Лагутин Виталий Сергеевич
Инженер по специальности "Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем", МИФИ, 2005–2010 гг.
Написано статей
74

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

Предыдущая
Вакуумные приборыУстройство и применение кенотрона
Следующая
Вакуумные приборыЧто такое кинескоп и как он устроен
Ссылка на основную публикацию
Мы используем cookie-файлы для наилучшего представления нашего сайта. Продолжая использовать этот сайт, вы соглашаетесь с использованием cookie-файлов.
Принять