Лабораторная работа № 6 Тиратронный генератор релаксационных колебаний

1.Основные понятия

Тиратроном называется газоразрядная лампа с накаленным или холодным катодом, в которой кроме анода и катода имеется один или несколько дополнительных управляющих электродов – сеток. Наполняется тиратрон парами ртути или инертными газами (криптоноксеноновые смеси, аргон, ксенон). Среди нейтральных молекул газа всегда имеется некоторое количество свободных электронов. При выполнении условия

,

(1)

где – масса электрона,– энергия ионизации молекул газа-наполнителя, в тиратроне лавинообразно размножаются носители зарядов, т.е. происходит газовый разряд – тиратрон «зажигается».

Энергию, необходимую для ионизации молекул, электроны получают в электрическом поле:

,

(2)

где – напряженность поля в тиратроне,– длина пробега электрона до столкновения с нейтральной молекулой,– заряд электрона. Если энергия электрона недостаточна для ионизации, то возможен переход нейтральных атомов в возбужденное состояние. При возвращении в исходное состояние излишняя энергия излучается в виде кванта определенной частоты. Другой источник свечения – рекомбинация ионов, которая всегда проходит вместе с ионизацией. При встрече свободного электрона с ионом происходит деионизация (рекомбинация), причем «лишняя» энергия также излучается.

2.Тиратроны с холодным катодом

Сетка располагается гораздо ближе к катоду, чем анод, и поэтому разряд в промежутке катод-сетка начинается при существенно меньшем напряжении, чем в промежутке катод-анод. На этом основано управляющее действие сетки. Анодное напряжение , необходимое для возникновения разряда между катодом и анодом, зависит от тока сетки – чем больше сеточный ток, тем при меньшихтиратрон зажигается. Это объясняется тем, что при большем токе сетки в промежутке сетка-катод возникает больше ионов и электронов и это облегчает возникновение разряда с катода на анод. При отсутствии сеточного токамаксимально. Тиратроны с холодным катодом можно использовать в качестве переключающих элементов (реле). Схема включения тиратрона в качестве реле приведена на рис. 1.

Рис. 1.

Сопротивление ограничивает сеточный ток до величины порядка единиц и десятков микроампер,ограничивает анодный ток, который может быть напорядка больше сеточного.берут немного меньшим, чем необходимо для зажигания разряда между сеткой и катодом, а.

Если больше напряжения зажигания, то между сеткой и катодом возникает разряд, и при достаточно большом токе сетки разряд перейдет на анод - тиратрон «зажжется» (идет разряд в тиратроне, часть области, близкой к аноду, тиратрона начинает светится). Погасить анодный разряд уменьшением сеточного напряжения нельзя, для его прекращения нужно уменьшитьдо величины ниже напряжения гашения.

3.Тиратроны с накаленным катодом

Существенно большие рабочие анодные токи имеют тиратроны с накаленным катодом, т.к. в них имеется дополнительный источник свободных зарядов - электронов, которые возникают за счет термоэлектронной эмиссии катода. Анодно - сеточные характеристики такого тиратрона приведены на рис. 2 (напряжения и– относительно катода):

Рис. 2.	Рис. 3.

При больших отрицательных напряжениях на сетке количество электронов, приходящих на анод, мало. При этом величина анодного тока меняется с изменением сеточного напряжения. При некотором возникает ионизация – тиратрон «зажигается». Вследствие того, что сетку окружают положительные ионы, и в толще этой ионной оболочки теряется вся разность потенциалов между сеткой и катодом (рис. 3), сетка теряет свое управляющее действие, ибольше не зависит от(у тиратронов с холодным катодом сетку экранируют свободные электроны).

Пусковая характеристика тиратрона показывает зависимость напряжения на аноде, необходимого для зажигания, от величины сеточного напряжения:

	1-пусковая характеристика тиратрона с редкой сеткой; 2-пусковая характеристика тиратрона с густой сеткой.
Рис. 4.

После того, как тиратрон зажжется, напряжение на его аноде уменьшается от напряжения зажигания до напряжения горящего тиратрона. Анодное напряжение, при котором разряд прекращается, называется напряжением гашения. После прекращения разряда тиратрон еще некоторое время сохраняет способность проводить ток, пока не закончится рекомбинация.

Определение напряжения зажигания и гашения разряда, среднего времени рекомбинации ионов и времени релаксации тиратрона (уменьшение анодного тока враз (– показатель экспоненты), при уменьшении анодного напряжения до) можно осуществить с использованием релаксационного генератора пилообразных колебаний на тиратроне (схема приведена на рис. 5).

Рис. 5.

Осциллограф подключается к схеме через делитель , имеющий высокое входное сопротивление (), при этом можно пренебречь падением части напряжениянапри отсутствии разряда в тиратроне. При включении напряжения питания конденсаторначнет заряжаться через резистор. Когда напряжение на конденсаторе станет равным, тиратрон «зажжется», и конденсатор практически мгновенно разрядится через его малое сопротивление до напряжения; тиратрон погаснет, и конденсатор снова начнет заряжаться. График зависимости напряжения на конденсаторе от времени приведен на рис. 6.

Рис. 6.

Для возникновения и поддержания колебаний необходимо, чтобы

, ,

(3)

где – ток через сопротивление при горящем тиратроне.

Рассчитаем период колебаний генератора. Второй закона Кирхгофа при погашенном тиратроне:

,

(4)

По определению силы тока и емкости:

,

(5)

тогда , откуда; и получаем:

, т.к. ; откуда интегрируя получаем период колебаний (при пренебрежении временем деионизации и предразрядными токами – см. ниже):

, (6)

У реальных генераторов всегда больше вычисленного по формуле (6), из-за влияния конечности времени рекомбинации и предразрядных токов. Когдастановится близким к, через тиратрон начинает протекать небольшой предразрядный ток, поэтому заряд конденсатора замедляется.

Выполнение работы

ВНИМАНИЕ! Все изменения в схеме производить только при отключенном источнике питания.

1. Снятие пусковой характеристики тиратрона.

Соединить тиратронный генератор с осциллографом и источником питания УИП-2 согласно схеме. Включить конденсатор . Установить напряжение на сетке порядка. Постепенно повышая напряжение анода, зафиксировать момент возникновения колебаний. Это и будет величиной напряжения зажигания при данном сеточном напряжении. Измерения повторить для ряда других напряжений на сетке, вплоть до(напряжения на сетке отрицательные). По полученным данным построить пусковую характеристику тиратрона.

2. Определение периода колебаний.

Чтобы рассчитать период колебаний, используем формулу

,

(7)

где – минимальное напряжение на конденсаторе. Измерив с помощью осциллографа амплитуду колебаний, найдем

,

(8)

Установить отрицательное напряжение на сетке порядка . Уточнить напряжение зажигания для выбранного сеточного напряжения. Установить напряжение питания анода набольше, чем напряжение зажигания. По формуле (7) вычислить период колебаний и сравнить его с измеренным с помощью осциллографа.

3. Определение времени деионизации.

Переключатель перевести в положение 2 (). При такой емкости период колебаний станет одного порядка с, иможно будет измерить). Получить устойчивое изображение полебаний. Зарисовать осциллограмму и определить по ней время деионизации: