В ионном приборе с тлеющим разрядом за счет большого количества положительных ионов создается положительный объемный заряд. Он вызывает изменение потенциала в пространстве «анод – катод» в положительную сторону.
В ионном приборе распределение потенциала таково, что почти все анодное напряжение падает в тонком слое газа около катода. Эта область называется катодной частью разрядного промежутка. Ее толщина не зависит от расстояния между электродами.
Около катода создается сильное ускоряющее поле. Анод как бы приближается к катоду. Роль анода выполняет «нависшее» над катодом ионное облако с положительным зарядом. В результате действие отрицательного объемного заряда компенсируется и потенциального барьера около катода нет.
Вторая часть разрядного промежутка характеризуется небольшим падением напряжения. Напряженность поля в ней мала. Ее называют областью газовой, или электронно-ионной, плазмы. Из нее выделяют часть, прилегающую к аноду и вызываемую анодной частью разрядного промежутка, или областью анодного падения потенциала. Область между катодной и анодной частями называют столбом разряда. Анодная часть не имеет важного значения, и можно рассматривать столб разряда и анодную часть как одну область плазмы.
Плазма – это сильно ионизированный газ, в котором количество электронов и ионов практически одинаково. В плазме беспорядочное движение частиц преобладает над их направленным движением. Но все же электроны движутся к аноду, а ионы – к катоду.
Силы поля, действующие на электроны и ионы, одинаковы и лишь противоположны по направлению, так как заряды этих частиц равны, но обратны по знаку. Но масса иона в тысячи раз больше массы электрона. Поэтому ионы получают соответственно меньшие ускорения и приобретают относительно малые скорости. По сравнению с электронами ионы почти неподвижны. Следовательно, ток в ионных приборах практически является перемещением электронов. Доля ионного тока весьма мала и ее можно не принимать во внимание. Ионы выполняют свою задачу. Они создают положительный объемный заряд, который значительно превышает отрицательный объемный заряд и уничтожает потенциальный барьер около катода.
Область катодного напряжения играет важную роль. Проникшие из плазмы в эту область ионы получают здесь ускорение. Ударяя в катод с большой скоростью, ионы выбивают из него электроны. Этот процесс необходим для поддержания разряда. Если скорость ионов недостаточна, то электронной эмиссии не получится и разряд прекратится. Вылетевшие из катода электроны в области катодного падения также ускоряются и влетают в плазму со скоростью, значительно большей, чем необходимо для ионизации атомов газа. Электроны сталкиваются с атомами газа в различных частях плазмы. Поэтому ионизация проходит во всем объеме. В плазме совершается также и рекомбинация.
Только малая часть ионов, возникших в плазме, участвует в создании электронной эмиссии катода. Большинство ионов рекомбинирует с электронами и не доходит до катода.
Приборами тлеющего, или коронного, разряда являются стабилитроны. Наиболее широко распространены стабилитроны тлеющего разряда, работающие в режиме нормального катодного напряжения.
Поскольку темный разряд, предшествующий тлеющему разряду, не используется, не представляет интереса, его не показывают на вольт-амперной характеристике стабилитрона. Точку возникновения разряда показывают на вертикальной оси. Практически так и получается, потому что миллиамперметр для измерения тока тлеющего разряда не покажет ничтожно малого тока темного разряда.
Область нормального катодного падения, пригодная для стабилизации, ограничена минимальным и максимальным токами. При токе, меньшем минимального, разряд может прекратиться. Максимальный ток либо соответствует началу режима аномального катодного падения, либо при нем достигается предельный нагрев электродов.
Скачок тока при возникновении разряда может быть различным в зависимости от сопротивления резистора. Если оно большое, то появляется сравнительно небольшой ток, а если взять малое, то возникает большой ток. Для стабилизации это невыгодно, так как участок стабилизации напряжения сокращается. При малом сопротивлении может даже произойти скачок тока в область аномального катодного падения, и стабилизации вообще не получится. Таким образом, ограничительный резистор с достаточным сопротивлением необходим по двум причинам: чтобы не произошло чрезмерного возрастания тока (короткого замыкания) и чтобы мог существовать режим стабилизации напряжения.
Чем больше площадь катода, тем шире получается область стабилизации, так как минимальный ток остается неизменным, а максимальный ток возрастает пропорционально площади катода. Поэтому для стабилитронов характерен катод с большой поверхностью. Анод делают малых размеров, но он не должен перегреваться от максимального тока.
Наиболее распространены двухэлектродные стабилитроны тлеющего разряда с цилиндрическим катодом из никеля или стали. Анодом служит проволочка диаметром 1–1,5 мм. Баллон наполнен смесью инертных газов(неон, аргон, гелий) при давлении в десятки миллиметров ртутного столба.
Параметрами стабилитрона являются: нормальное рабочее напряжение или напряжение стабилизации, соответствующее средней точке области стабилизации, напряжение возникновения разряда, минимальный и максимальный ток, изменение напряжения стабилизации и внутреннее сопротивление переменному току. Применяя разные смеси газов, подбирают нужное значение напряжения стабилизации.
Для стабилитронов коронного разряда характерны высокие напряжения и малые токи. У таких стабилитронов электроды цилиндрической формы сделаны из никеля. Баллон наполнен водородом, причем напряжение стабилизации зависит от давления газа. Рабочие токи находятся в пределах 3-100 мкА. Внутреннее сопротивление переменному току этих стабилитронов составляет сотни килоом. Процесс возникновения разряда стабилитронов коронного разряда длится 15–30 с.
Стабилитроны наиболее часто работают в режиме, когда сопротивление нагрузки неизменно, а напряжение источника нестабильно.
Для стабилизации более высоких напряжений стабилитроны соединяют последовательно, обычно не более двух-трех. Они могут быть на разные напряжения, но на одинаковые минимальные и максимальные токи.
Газотроны – это ионные диоды с несамостоятельным дуговым разрядом, который поддерживается за счет термоэлектронной эмиссии катода. Назначением газотронов является выпрямление переменного тока. В настоящее время применяются газотроны с инертным газом в виде аргона или ксеноно-крипто-новой смеси при давлении порядка единиц миллиметров ртутного столба.
У большинства газотронов катод оксидный прямого или косвенного накала. В более мощных газотронах он имеет значительную поверхность. Анод в форме диска, полусферы или цилиндра имеет сравнительно небольшие размеры. Для газотронов характерно низкое напряжение накала, не более 5 В. Если применить более высокое напряжение, то может возникнуть дуговой разряд между концами подогревателя, на что будет бесполезно расходоваться энергия источника накала. При низком напряжении накала катоды мощных газотронов приходится питать большим током. Преимущество газотронов перед кенотронами заключается в малом падении напряжения на самом газотроне. Оно составляет примерно 15–20 В и почти не зависит от анодного тока. Поэтому КПД газотронных выпрямителей выше, чем кенотронных, и он тем больше, чем выше выпрямляемое напряжение. В высоковольтных выпрямителях на газотронах КПД бывает до 90 % и более.
До возникновения разряда в газотроне наблюдается электронный ток, который растет при увеличении напряжения так же, как в вакуумном диоде. Этот ток очень мал и практического значения не имеет.
Возникновение дугового разряда получается при напряжении, которое незначительно больше потенциала ионизации. Так как газотрон включается обязательно через ограничительный резистор, то после возникновения разряда появляется падение напряжения на резисторе и напряжение на газотроне несколько снижается.
При увеличении напряжения источника ток в газотроне растет, а падение напряжения на нем меняется незначительно, хотя не остается постоянным, как в стабилитронах. Об использовании газотрона для стабилизации не может быть и речи, так как невыгодно получать низкое напряжение при значительных затратах энергии на накал газотрона. Рабочее напряжение на газотроне такого же порядка, как потенциал ионизации, т. е. 15–25 В.
Относительное постоянство напряжения на газотроне получается не за счет режима катодного напряжения, характерного для приборов тлеющего разряда. В газотронах площадь катода не изменяется, но при возрастании тока сопротивление прибора постоянному току уменьшается, так как увеличиваются ионизация и соответственно количество электронов и ионов в единице объема. Кроме того, приближается к катоду положительный объемный заряд ионов, что равносильно уменьшению расстояния «анод – катод».
