Игнитроны. Устройство и работа. Плюсы и минусы. Особенности

Газоразрядные приборы под названием «игнитроны» – это особые элементы запуска цепей управления дуговым разрядом. Помимо этого они нередко используются в качестве вентилей в составе мощных выпрямителей переменного тока. Эти устройства чаще всего устанавливаются в аппаратуре, эксплуатируемой на силовых подстанциях или в энергоемких сварочных агрегатах. Этот прибор был изобретен в начале прошлого века (в 1922 году) российским инженером В. П. Вологодиным.

Краткий исторический экскурс

Созданный В. П. Вологдиным ртутный выпрямитель предназначался первоначально для работы в составе оборудования радиотелефонных и телеграфных станций. В дальнейшем область его применения существенно расширилась. В 1930 году инженер разработал более совершенную и мощную лампу с корпусом в металлическом исполнении. Первые усовершенствованные игнитроны имели мощность порядка 1000 кВт и работали при напряжениях до 12 кВ.

Ignitrony 2

Новые модели все последующие годы изготавливались в городе на Неве на заводе «Электросила». Сегодня изобретение инженера В.П. Вологдина практически в первоначальном виде применяется только на электростанциях и в трансформаторах очень крупных размеров.

Устройство прибора и особенности его работы

Типовые игнитроны представляют собой выпрямительную электронную лампу с регулируемым моментом отсечки анодного тока. Это означает, что ее открытым состоянием можно управлять по своему усмотрению, подавая напряжение на соответствующий электрод.

В состав «классического» игнитрона входят следующие обязательные элементы:

Анод.
Электрод «поджига».
Катод, залитый жидкой ртутью.

Ignitrony 3

Электрод «поджига» изготавливается из карбида кремния или бора. Внутри игнитрона он контактирует с жидкой ртутью, от которой сделан отвод для соединения с внешней электрической цепью.

Когда между катодом и внешним управляющим контактом (электродом поджига) имеется достаточная разность потенциалов – в этом промежутке формируется искра, а в самой лампе начинается электронная эмиссия. При этом двигающиеся в сторону анода электроны под воздействием ускоряющего напряжения начнут сталкиваться с атомами газа, стимулируя процесс его ионизации. При протекании через игнитроны рабочего тока, падение напряжения на разрядном промежутке относительно невелико, что объясняется его низким внутренним сопротивлением.

Преимущества и недостатки ртутных ламп

Игнитроны отличаются целым рядом достоинств, основные из которых это:

Безопасность работы.
Экономичность.
Большой выбор моментов запуска лампы.

Реальная опасность пробоя между анодом и катодом этого прибора невелика, поскольку обратное напряжение достигает максимума только в короткие промежутки времени.

Экономичность прибора объясняется тем, что из-за особенностей конструкции ему не требуется значительная энергия для подогрева катода. Кроме того, по аналогии с тиристорными полупроводниковыми элементами запуск игнитрона производится в произвольной точке кривой переменного тока. Эта его особенность позволяет гибко управлять отдаваемой в нагрузку мощностью.

Добавим к этому, что игнитроны обладают всеми достоинствами тиратронов, также относящихся к категории управляемых выпрямителей. У них имеется только один существенный недостаток, состоящий в ограниченном сроке службы ртутного электрода.

Как игнитроны включаются в электрическую цепь

Для задания рабочего режима этого прибора потребуются дополнительные навесные элементы в виде выпрямительного диода и ограничительного резистора R1. Полупроводниковый прибор Д1 в нужной полярности включается последовательно с ограничителем тока.

Skhema

При этом резистор и диод своими вторыми концами подсоединяются к аноду и электроду поджига соответственно. Питающее напряжение переменного тока подается в цепочку последовательно с обслуживаемой игнитроном нагрузкой Rн (по аналогии с тиристорными схемами).

Принцип управления

В течение положительного полупериода подаваемого в цепь переменного напряжения диод Д1 и сам управляющий прибор находятся в проводящем ток состоянии. При этом игнитрон не открывается до конца до тех пор, пока на электроде поджига не появится потенциал, достаточный для начала электронной эмиссии. При полностью открытом диоде Д1 создаются условия для формирования электрического разряда между катодом и жидкой ртутью.

Возникающая после этого электронная эмиссия вызывает ионизацию рабочего промежутка вплоть до анода, что приводит к протеканию через прибор выпрямленного тока. В течение действия отрицательной полуволны не только полупроводниковый диод, но и сам игнитрон полностью закрыты. То есть прибор, включенный по этой схеме, работает как управляемый однополупериодный выпрямитель. В нем используется только одна полуволна входного сигнала, что приводит к появлению сильных пульсаций и к необходимости их сглаживания.

А это в свою очередь вынуждает инженеров использовать дорогостоящие и громоздкие фильтрующие схемные элементы. Улучшить рабочие показатели игнитрона и сэкономить на комплектующих изделиях позволяет его включение в более сложную цепочку.

2-хполупериодная схема включения

Рассмотренная выше схема, по которой включались игнитроны сразу после их изобретения, имела сравнительно низкий показатель КПД. Это объяснялось тем, что в полезную мощность здесь превращалась энергия только одного полупериода входных колебаний. Для повышения эффективности управления нагрузкой возникла потребность в более сложных 2-хполупериодных схемах выпрямления. Особенность этих схемных решений состоит в том, что в данном случае используются обе полуволны входного напряжения. Это приводит к тому, что постоянная токовая составляющая увеличивается вдвое, а нежелательные и «вредные» пульсации резко снижаются.

Разработанные инженером В. П. Вологодиным 2-хполупериодные схемы включения игнитронов предназначались для установки в радиотелефонные передатчики, где они обеспечивали питанием аноды электронных ламп. Благодаря усилиям российского инженера были получены уникальные ртутные приборы с заявленной мощностью до 10 кВт. При их применении удавалось получить постоянное напряжение, превышающее 3500 В. Коэффициент полезного действия этих изделий, достигал показателя в 99%, а падение напряжения на ламповом промежутке было совсем незначительно.

Особенности работы игнитронов

К специфике работы ртутных ламп относят их поведение во время смены полярности напряжения, подаваемого на вход прибора. Дело в том, что за время действия отрицательного полупериода часть паров ртути у анода рассеивается, вследствие чего концентрация заряженных частиц (ионов) резко снижается. Именно поэтому в начале каждого последующего положительного полупериода нужно вновь подавать на электрод поджига «запускающие» импульсы. Они должны быть синхронизированы с питающим лампу анодным напряжением.

Если искусственно изменять фазу поджигающих импульсов – можно без труда регулировать время горения дуги и величину выходного напряжения в выпрямительной схеме. По управлению фазовыми параметрами функция ртутного электрода в игнитронах аналогична управляющей сетке в тиратронах.

Особенности эксплуатации игнитронов и перспективы их использования

Со временем обнаружилось, что электрод поджига сильно нагревается при работе прибора, а его поверхность быстро загрязняется из-за появления налета ртути. Этот недостаток со временем приводит к пропускам в зажигании лампы и к резкому увеличению потребления тока (к бесполезному рассеянию мощности). Кроме того, оказалось, что игнитроны нуждаются в эффективном охлаждении, что существенно усложняет их конструкцию.

Отмечается, что при работе этих приборов потребляются довольно значительные по величине токи. Для предотвращения утечек в обратном направлении в схему в некоторых случаях приходится включать специальный защитный диод.

Помимо всего перечисленного к особенностям эксплуатации игнитронов относят необходимость периодической замены электрода зажигателя. Это связано с предельно «тяжелыми» условиями его работы и с возможностью пропуска некоторых импульсов из-за износа материала.

Благодаря повышенной мощности ртутных ламп (если сравнивать их с тиратронами) – эти приборы отличаются лучшими анодными характеристиками. Игнитроны обычно применяются там, где их газоразрядные аналоги не способны длительно «держать» нагрузку.

Эти приборы широко используются для управления работой следующих электротехнических агрегатов и электрооборудования:

Аппараты точечной электрической сварки.
Асинхронные электродвигатели.
Линейные преобразователи напряжения и т.п.

В ряде областей электротехники и электроники эти приборы успешно замещаются новыми видами мощных полупроводниковых управляемых диодов (тиристорами).

Помимо этого к особенностям применения игнитронов относят возможность их установки в мощных электросварочных станциях, отличающихся значительными по величине импульсными токами. Кроме того, хорошие переключающие характеристики допускают использование этих приборов в качестве быстродействующих реле или мощных силовых контакторов.