Тиратроны: устройство и принцип работы, назначение прибора

Что такое тиратрон и где он применяется

Тиратрон – это особый тип триода, который внутри наполнен инертным газом либо их смесью. Стеклянная колба имеет внутри два электрода (положительный и отрицательный) и сетку из металла. При подаче напряжения на катод происходит его нагрев, анод подключается к положительному источнику питания. Сетка же имеет отрицательный заряд, что удерживает электроны между катодом и сеткой.

Тиратроновая сетка, в отличии от триодной не изменяет анодный ток, он остается постоянным. Таким образом, из-за инертного газа его можно только зажечь, но не возможно погасить. Более подробная информация о тиратроне содержится в настоящей статье. Также здесь описано его использование, разновидности, технические характеристики. Дополнениями служат два видеоролика и одна научная статья.

Импульсный тиратрон
Импульсный тиратрон

Тиратроны с накаливаемым катодом

Тиратроном называют газоразрядный выпрямитель, имеющий анод, катод и один или несколько добавочных электродов-сеток. Тиратроны с накаливаемым катодом являются, большей частью, мощными газоразрядными управляемыми приборами и, аналогично газотронам, принадлежат к приборам несамостоятельного дугового разряда в инертных газах.

Предназначены для выпрямления и преобразования переменного тока промышленной частоты 50 Гц. Кроме выпрямления и преобразования некоторые типы тиратронов применяются (в зависимости от мощности) в электроприводе, релаксационных схемах, в релейных, инверторных, контролирующих, защитных и сварочных устройствах.

Интересно почитать: что такое клистроны.

Первые образцы газотронов были разработаны в 1929 году в США, Хэллом в исследовательской лаборатории фирмы General Electric в Скенектеди.

Баллоны тиратронов, как и газотронов, наполняются инертными газами (низковольтные приборы), ртутными парами (высоковольтные) или водородом (импульсные тиратроны).

Представляет собой электронный трехэлектродный или четырехэлектродный прибор. Соответственно имеет одну или две сетки, выполненных в виде пластин с круглыми отверстиями. Кроме того, тиратроны имеют анод и холодный катод. Все электроды помещены в миниатюрный стеклянный баллон, заполненный инертным газом при давлении порядка 103 Па. Катод изготавливается из молибдена или никеля, активированного материалом с малой работой выхода (цезий, барий и др.), и имеет большую поверхность по сравнению с анодом, выполненным обычно из молибденовой проволоки. Анодные характеристики тиратронов Uа.= f(Iа) представляют собой обычную характеристику нормального тлеющего разряда 

В некоторых случаях мощный тиратрон можно использовать в газотронном режиме, для чего сетку соединяют с катодом через активное сопротивление или на сетку подают небольшой положительный потенциал относительно катода.

Старые модели тиратронов
Старые модели тиратронов

Как работает тиратрон

В тиратроне используется электростатическое управление возникновением разряда на анод. В запертом состоянии на сетку подается значительное отрицательное смещение. Так как электроны, эмиттируемые катодом, имеют среднюю энергию в несколько электрон-вольт, то указанного отрицательного смещения достаточно для торможения даже самых быстрых из них. В пространстве сетка-анод существует сильное ускоряющее электрическое поле, однако, поскольку через отверстия сетки электроны почти не проходят, разряд в этом пространстве развиться не может.

При уменьшении абсолютного значения потенциала тормозящее поле сетки ослабевает и все большее число электронов начинает проникать в пространство сетка—анод. Ускоряясь, эти электроны приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов или молекул газа.

В результате появившиеся вторичные электроны вместе с первичными уходят на анод, а ионы, двигаясь по направлению к катоду и попадая в сеточные отверстия, экранируют поле сетки, вызывая тем самым приток новых электронов и лавинообразное нарастание тока.

В конечном счете формируется плазма, возникающая сначала в области анода, а затем постепенно заполняющая все пространство анод—катод, за исключением катодной области. Поскольку плазма обладает высокой проводимостью, тиратрон отпирается.

Тиратроны
Тиратроны

Электрическое поле сетки при развившейся плазме полностью экранировано ионной оболочкой, так что сеточный потенциал никак не влияет на протекание тока в тиратроне. Для свободного прохождения тока толщина ионной оболочки вокруг отверстия сетки должна быть незначительна, так чтобы центральные участки отверстий сеток были свободны от действия поля сетки.

При выключении тиратрона путем снятия напряжения с анода постепенно происходит распад плазмы – заряженные частицы плазмы соединяются друг с другом (рекомбинируют) на стенках или в объеме. По мере уменьшения концентрации зарядов толщина сеточных оболочек падает до тех пор, пока не наступает момент их смыкания. Этот момент соответствует началу восстановления управляющего действия сетки.

При дальнейшем спаде концентрации заряженных частиц действие электрического поля сетки нарастает до тех пор, пока ее управляющие свойства не восстановятся полностью. Из проведенного описания можно сделать вывод, что по сравнению с газотроном тиратроны с накаленным катодом должны иметь две важные характеристики.

Технические характеристики

Для лучшего понимания роли кривой восстановления сеточного запирания на том же графике показаны кривые нарастания реального анодного напряжения на тиратроне Ua (t). В режиме, соответствующем кривой 1, пересекающейся с кривой восстановления сеточного запирания, тиратрон даже при отрицательном напряжении на сетке повторно зажигается в момент времени Θ1 т.е. теряет управляемость по сетке. В режиме, соответствующем кривой 2, характеризуемой меньшей скоростью нарастания анодного напряжения, этого не происходит и режим можно рассматривать как нормальный.

Это интересно! Все о полупроводниковых диодах.

Тиратроны с газовым наполнением имеют характеристики, мало зависящие от температуры окружающей среды, что является их главным преимуществом перед ртутными тиратронами, для которых внешняя температура должна быть ограничена определенными пределами. Превышение этой температуры приводит к росту давления и понижению пробивной прочности. При температурах ниже допустимой затрудняется возникновение разряда.

Таблица основных параметров тиратрона
Таблица основных потенциальных и токовых параметров тиратрона.

В тиратронах с газовым наполнением выделяющийся в оксидных катодах барий не амальгамируется, как это происходит в ртутных тиратронах. Для разложения амальгамы бария ртутным тиратронам необходим восстановительный разогрев (режим) длительностью от 0,5 до 2 ч в зависимости от мощности прибора.

Будет интересно➡  Что такое пентоды и где они применяются

Конструкция тиратрона

Тиратроны с газовым наполнением эксплуатируются в любом положении. Ртутные — только в вертикальном, горловиной вниз, чтобы стекающая в нее ртуть имела температуру, мало зависящую от изменения режима работы тиратрона. В первом случае электроды располагаются один над другим по вертикали в различных горизонтальных плоскостях. Такая конструкция типична для тиратронов средней и большой мощности с выводом анода на верхнюю часть баллона. При больших размерах электродов и баллона такое расположение конструктивно более удобно и механически более жестко.

Во втором случае электроды располагаются по сечению в одной горизонтальной плоскости, аналогично электродам электровакуумных ламп. Такая конструкция используется в маломощных тиратронах, наполняемых инертными газами и имеющих стандартную октальную цоколевку. Сетки тиратронов выполняются чаще всего в виде никелевых, молибденовых или графитовых дисков с отверстиями разной формы и величины.

Наиболее выгодное использование однощелевой сетки получается при выполнении электродной системы аналогично электровакуумным приборам, в горизонтальной плоскости. В тиратронах малой и средней мощности (до 3-5 а) применяется однодырчатая сетка, которая имеет сравнительно малую приемную поверхность, что обусловливает и малые сеточные токи. Достоинством конструкции сетки является то, что она частично защищена от попадания продуктов испарения катода. Однако через однодырчатую сетку нельзя пропустить значительные токи из-за возможного разрыва дуги, значительных потерь в сетке и локализации мощного разряда на относительно небольшом участке поверхности анода. Поэтому в мощных тиратронах применяется многодырчатая сетка.

Как устроен тиратрон
Как устроен тиратрон

Большое число сравнительно небольших отверстий на большой площади позволяет сохранить высокие управляющие свойства такой сетки и одновременно предотвратить значительное повышение напряжения или разрыв дуги с ростом тока. В некоторых случаях для получения малой проницаемости сеток целесообразно применять двойную многодырчатую сетку, что уменьшает напыление оксида на ответственные участки сетки и увеличивает пробивное напряжение.

К недостаткам многодырчатых сеток следует отнести большую приемную поверхность, что обусловливает большие сеточные токи и повышает вероятность загрязнения сетки продуктами испарения катода. С ростом мощности прибора увеличивается число отверстий, а следовательно, и площадь сетки. Поэтому в мощных высоковольтных и импульсных приборах, рассчитанных на токи в сотни ампер, применяются многощелевые или решетчатые сетки. Многощелевую сетку получают из многодырчатой, соединяя ряд отверстий щелью. Это уменьшает плотность тока, приходящуюся на отверстие, и увеличивает допустимый ток на прибор при той же общей поверхности сетки.

С увеличением тока и напряжения тиратрона возрастают требования к обезгаживанию сетки, чистоте ее поверхности и уменьшению поверхностей жестчения. В этом случае наряду с многощелевой применяется решетчатая сетка, масса которой невелика. Последнее облегчает обезгаживание сетки.

В тиратронах при достаточно больших анодных напряжениях может возникнуть самостоятельный тлеющий разряд между сеткой и анодом. Чтобы устранить это вредное явление и повысить предельное напряжение, в тиратрон вводится еще одна — экранирующая сетка. Она позволяет также расширить частотный диапазон. Двухсеточные тиратроны работают на частотах до 500 Гц.

Особенности работы

Для возникновения разряда между анодом и катодом необходимо вначале подать между сеткой и катодом положительный импульс напряжения, создающий вспомогательный разряд в этом промежутке; затем разряд возникает в основном промежутке. Время запаздывания тока анода по отношению к импульсу напряжения сетки зависит от параметров сеточной цепи, напряжения накала, напряжения анода, тока анода и частоты повторения импульсов. Чтобы уменьшить время запаздывания и сделать его более стабильным, нужно повысить крутизну фронта напряжения сетки и значение импульсного тока сетки.

Зажигание тиратрона должно происходить на фронте сеточного импульса, а не на его плоской части. Это ограничивает периодическую нестабильность (разброс фронта импульса тока анода от импульса к импульсу). Периодическая нестабильность уменьшается с ростом напряжения анода, тока сетки и крутизны фронта импульса напряжения сетки.

После прохождения импульса тока необходимо задержать появление на аноде положительного напряжения до тех пор, пока восстановится электрическая прочность тиратрона. С этой целью при эксплуатации обычно предусматривается небольшое (около 5%) рассогласование сопротивления нагрузки с волновым сопротивлением формирующей линии. Благодаря этому вслед за прохождением импульса тока на аноде тиратрона кратковременно создается обратное (отрицательное) напряжение, задерживающее появление оложительного напряжения.

Свечение тиратрона
Свечение тиратрона

При импульсной работе необходимо минимальное время возникновения разряда тиратрона, поэтому баллоны импульсных тиратронов наполнены водородом, характерным высокой подвижностью ионов, в связи с чем обеспечена высокая скорость деионизации. Время восстановления управляющих свойств сетки в приборах с водородным наполнением приблизительно в 10 раз меньше, чем в приборах с ртутным, аргоновым или ксеноновым наполнением.

Другое преимущество водородного наполнения — высокое значение катодного потенциала, которое может быть допущено без опасности разрушения оксидного катода. Критический потенциал, т. е. напряжение, соответствующее скорости ионов, при которой они разрушают оксидное покрытие, для водорода составляет приблизительно 600 В, а для ртути и инертных газов не превышает 30 В.

Некоторые импульсные тиратроны, как исключение, наполняются инертными газами. Характерной особенностью импульсных тиратронов с водородным наполнением является жестчение водорода, т. е. поглощение его продуктами испарения и распыления оксидного катода и остальных электродов. Испаряющиеся с оксидного катода барий и стронций сильно поглощают водород, в связи с чем в тиратроне меняется давление газа и изменяются пусковые характеристики. Поэтому в качестве электродов водородных приборов используется высококачественный электролитический никель, свободный от восстанавливаемых и вредных примесей; а мощные импульсные тиратроны имеют внутри баллона так называемый генератор водорода, поддерживающий давление водорода в колбе практически неизменным в течение всего срока службы тиратрона.

Интересно по теме: Как проверить стабилитрон.

Как используется тиратрон

Постепенное уменьшение запирающего отрицательного напряжения на сетке (путем перемещения движка потенциометра вправо) приведет к появлению небольшого тока в цепи анода тиратрона. При дальнейшем уменьшении этого напряжения большое количество электронов с высокой скоростью будут двигаться к аноду. На своем пути они станут ионизировать атомы газа. Движение ионов газа, в свою очередь, ускоряется электрическим полем анода и катода; при столкновениях с нейтральными атомами они образуют новые ионы в еще большем количестве. Такая лавинообразная ионизация сопровождается скачкообразным нарастанием силы анодного тока и зажиганием тиратрона.

Будет интересно➡  Что такое игнитрон

Для ограничения силы тока в цепи анода включается ограничительное сопротивление. С момента зажигания тиратрона и возникновения электрического разряда в нем сетка теряет свое управляющее свойство. Это связано с тем, что отрицательный заряд сетки оказывается окруженным оболочкой из положительных ионов, которые нейтрализуют его действие. Прекращение разряда в тиратроне можно осуществить двумя способами: уменьшением анодного напряжения или обрывом цепи анода. За время, которое длится до 1 мсек, в лампе происходит процесс рекомбинации, после чего сетка вновь приобретает управляющее действие.

Советская модель тиратрона
Советская модель тиратрона

В цепи сетки тиратрона образуется сеточный ток Ic, который является нежелательным. Этот ток создается электронами и положительно заряженными ионами. При положительном напряжении на сетке она притягивает к себе электроны и в ее цепи появляется электронный ток.

При отрицательном напряжении на сетке к ней притягивается некоторое количество положительных ионов и в цепи сетки возникает ионный сеточный ток. Так как ионы имеют большую, чем электроны массу, то они менее подвижны и поэтому ионный ток в цепи сетки меньше электронного сеточного тока. Для ограничения бесполезного сеточного тока в ее цепь включают ограничительное сопротивление. В практике применяют разнообразные марки тиратронов. Они отличаются: напряжением накала, напряжением возникновения электрического разряда, наибольшим отрицательным запирающим напряжением сетки, током накала, средним током анода, временем разогрева катода, сопротивлением в цепи сетки и размерами.

Так, тиратрон ТГ1-2,5/4 с оксидным катодом прямого накала имеет следующие основные данные: среднее значение тока анода 2,5 а, напряжение накала 5 в, напряжение возникновения электрического разряда 140 в, наибольшее отрицательное напряжение сетки 100 в, ток накала 142 а, время разогрева 1 мин, сопротивление в цепи сетки 0,001 — 0,1 Мом, длина 255 мм, диаметр 85 мм.

Материал по теме: Как подключить конденсатор

Генератор водорода выполнен в виде металлической ампулы из тонкой никелевой жести с порошком гидрата титана, внутри которой помещается подогреваемая электрическим током алундированная бифилярная спираль. С торцов ампула закрыта вакуумным цементом. Водород, обильно выделяющийся из гидрата титана при его нагреве до 350-450°С, через щель в никелевом цилиндрике поступает в тиратрон.

В нерабочем состоянии или после выключения накала водород, находящийся в баллоне, поглощается гидратом титана, и в баллоне создается высокий вакуум. Накал водородного импульсного тиратрона включается на 3—5 мин до подачи анодного напряжения, после чего давление водорода в баллоне достигает необходимой величины.

Три тиратрона
Три тиратрона

Напряжение накала в процессе эксплуатации не должно изменяться больше, чем на 5%, во избежание нарушения правильного режима работы вследствие отклонения давления газа от нормального значения. Для компенсации воздействия температуры окружающей среды и стабилизации накала генератора водорода последовательно с подогревателем генератора водорода включается проволочный резистор с высоким температурным коэффициентом сопротивления, размещаемый вне оболочки прибора (обычно в цоколе). Подогреватель генератора водорода с компенсирующим сопротивлением включается параллельно накалу тиратрона либо имеет отдельный вывод, что позволяет осуществлять питание генератора от отдельного стабилизированного источника.

Сетка тиратрона имеет малую проницаемость, так что поле анода практически не действует в прикатодной области. Поэтому без подачи отрицательного смещения при нулевом потенциале сетки тиратроны выдерживают высокие напряжения между анодом и катодом. Большие значения анодных токов обусловливают применение либо многодырчатого либо многорешетчатого типа сетки. При этом последний тип сетки более характерен для приборов большой мощности, в то время как многодырчатые сетки применяются, в основном, в тиратронах малой и средней мощности.

Четыре одинаковых тиратрона
Четыре одинаковых тиратрона

Преимущества многорешетчатых сеток заключаются в меньшей массе сетки, в меньших пусковых токах, в меньших падениях напряжения в сетке, а следовательно, в меньшем нагреве сетки в разряде и, наконец, в более равномерной загрузке анода. Такие сетки представляют собой никелевое или молибденовое полотно, приваренное к никелевому кольцу сетки. При этом должны быть приняты меры к тому, чтобы полотно не прогибалось, а сварка каждой нити полотна была надежной. В противном случае при малых расстояниях возможны короткие замыкания между сеткой и анодом. В тиратронах большой мощности с большим диаметром сеточного кольца допускается укрепление полотна никелевыми уголками, привариваемыми крест-накрест.

Для получения соответствующей правой пусковой характеристики тиратрона при сетке со сравнительно большими отверстиями перед ней помещается экранирующий диск, размеры которого таковы, что он несколько перекрывает отверстия в управляющей сетке. Этот диск электрически связан с сеткой и выполняет роль пускового электрода. От его расположения относительно сетки во многом зависит анодный ток зажигания и соответствующий ему пусковой ток сетки. Аноды импульсных тиратронов выполняются из молибдена и никеля. Катоды — оксидные, косвенного накала, допускают кратковременный отбор тока больших величин.

Работа импульсных тиратронов характеризуется импульсной мощностью, наибольшей частотой повторения импульсов, крутизной нарастания переднего фронта импульса анодного тока и его возможной минимальной длительностью. Качество импульсного тиратрона тем выше, чем больше значение этих параметров.

Важным параметром тиратрона является запаздывание анодного тока по отношению к импульсу напряжения на сетке, выражающееся в нескольких десятых долей микросекунды, необходимых для развития ионизационных процессов в разрядном пространстве и для перемещения положительных ионов в область электронного объемного заряда у катода для его нейтрализации. Импульсные тиратроны имеют положительную пусковую область зажигания, обусловленную особенностью конструкции управляющих электродов (сеток).

Размеры тиратрона
Размеры тиратрона

Особенности эксплуатации импульсных водородных тиратронов

Тиратроны нуждаются в жесткой стабилизации напряжения накала. В связи с этим необходимо предусматривать ограничение броска тока накала при включении. В тех случаях, когда имеется отдельный вывод подогревателя генератора водорода, следует стабилизировать напряжение его накала в пределах до ±2%. Рекомендуется, чтобы амплитуда прямого напряжения анода была на уровне 85—90% предельной эксплуатационной величины для повышения надежности тиратрона.

Будет интересно➡  Что такое клистрон и как он работает

В то же время снижение амплитуды более чем на 70% недопустимо, так как приводит к увеличению времени запаздывания тока анода и росту периодической нестабильности. Для повышения надежности желательно также снижать амплитуду импульса тока анода. Минимальное значение амплитуды тока анода не ограничивается.

Не рекомендуется уменьшать длительность импульса тока анода до величин, соизмеримых с временем коммутации. Превышение установленной частоты повторения и длительности импульсов не допускается. Допустимая амплитуда обратного напряжения анода зависит от времени приложения (после прохождения импульса тока), формы и длительности импульса обратного напряжения.

Для случаев работы в схемах линейных модуляторов в справочнике сообщается максимальное значение обратного напряжения в течение определенного времени (обычно первые 25 мкс) после прохождения импульса тока. Время запаздывания импульса тока анода по отношению к импульсу напряжения сетки зависит от режима применения. Оно растет с уменьшением напряжения накала, напряжения и тока анода, частоты повторения импульсов.

Появление тиристоров, выполняющих те же функции, что и тиратроны, но являющихся твердотельными приборами со всеми присущими им достоинствами, привело к резкому ограничению применения тиратронов. В связи с этим оказалось целесообразным использовать тиратроны только для выпрямления высоких рабочих напряжений (десятки—сотни киловольт).

Однако применение здесь газонаполненных тиратронов невозможно из-за интенсивно происходящего в процессе эксплуатации поглощения инертного газа, которое приводит к быстрому выходу приборов из строя. В настоящее время в качестве высоковольтных вентилей применяются только ртутные тиратроны. Однако ртутные тиратроны способны работать в диапазоне температур 15—40 °С, что существенно ограничивает область их применений.

В то же время тиратроны выгодно отличаются от тиристоров такими достоинствами, как большие допустимые импульсные токи и напряжения и более высокое быстродействие. Поэтому в настоящее время в качестве импульсных коммутаторов широко используются водородные тиратроны. Система обозначения мощных тиратронов многократно менялась. Первые образцы имели название, состоящее из букв “ТГ” (“ТГИ” для импульсных тиратронов) и номера разработки (через дефис; подозреваю, что нумерация разработок была сквозная для всех типов ламп).

Чуть позже вместо номера разработки стали указывать дробное число, числитель – амплитуда выпрямленного тока в импульсе (в Амперах), а знаменатель – амплитуда допустимого прямого и обратного напряжений, в единицах В. В 1940-ые годы ввели иную систему. Первым элементом в ней были буквы, характеризующие область применения прибора: РТ – релейный тиратрон, ВТ – выпрямительный тиратрон, МТИ – импульсный модуляторный тиратрон. Далее ставился номер разработки, причем по каждой группе была отдельная нумерация, т.е. были РТ1, ВТ1, МТИ1 и т.п.

Система эта не прижилась, и вскоре вернулись к предыдущему варианту, слегка модернизировав его. Эта система дожила до наших дней. В ней обозначение мощных тиратронов состоит из трех элементов. Первый элемент — буквы: ТР — тиратрон с ртутным наполнением, ТГ — тиратрон с газовым наполнением, ТГР – тиратрон со смешанным наполнением, ТГИ – тиратрон с газовым наполнением импульсный; второй элемент — номер, присвоенный данному типу тиратрона (первоначально, короткое время, этот номер не указывали); третий элемент — дробное число, в котором числитель обозначает наибольшее среднее значение выпрямленного тока (для импульсных – наибольший ток в импульсе), а знаменатель — наибольшее допустимое обратное напряжение в кВ.

Обозначение маломощных тиратронов состоит из четырех элементов:

  • Первый элемент — буквы ТГ — тиратрон с горячим катодом (ТГИ – импульсный).
  • Второй элемент — номер разработки.
  • Третий элемент — буква в конце обозначения, определяющая конструкцию баллона: Б – сверхминиатюрное стеклянное оформление с диаметром баллона от 8 до 10 мм; П – стеклянный баллон диаметром 19 или 22,5 мм с пальчиковым цоколем и т д.
  • Четвертый элемент (необязательный) – индекс, указывающий на принадлежность к той или иной категории ламп повышенной надежности. Он аналогичен такому же у приемно-усилительных ламп. Так, буква В обозначает тиратроны с повышенной механической прочностью и надежностью.

Встречаются и тиратроны с обозначениями, принятыми для приемно-усилительных ламп (1Т1А).

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 подробную информацию о тиратронах можно узнать из статьи Технические характеристики тиратрона. 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.tehinfor.ru

www.155la3.ru

www.dmitry-emelyanov.blogspot.com

www.foez.narod.ru

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