Тиратроны. Виды и устройство. Работа и применение

Тиратроны представляют собой выпрямительные лампы особой конструкции, наполняемые при изготовлении каким-либо инертным газом (иногда – в смеси с ртутью). Эти приборы выполняют примерно ту же функцию, что и более современные диодные элементы. В отличие от своих электронных и полупроводниковых аналогов они функционируют с использованием газового разряда.

Как устроены и работают типовые тиратроны

Основа прибора – это стеклянная колба, внутри которой в смеси из инертных газов размещены три электрода (положительный анод, отрицательный катод и «зажигающая» разряд сетка). При подаче накального напряжения на катод он сильно раскаляется и испускает наружу свободные электроны.

Под воздействием подаваемого на анод положительного напряжения заряженные частицы разгоняются до высоких скоростей. Переводят инертный газ в состояние полной ионизации и после этого тиратроны «зажигаются».

Сетка в данном случае выполняет несколько иную функцию, чем в обычном триоде. Она не управляет потоком разогнанных частиц, а только способствует удержанию электронов в промежутке между ней и испускающим их электродом (катодом).

Tiratrony 2

Физические принципы, используемые при работе тиратрона

Функционирование устройств основано на принципе электростатического управления моментом возникновения разрядного пробоя на анод. В этих приборах в закрытом состоянии на сетку подается большой по величине отрицательный потенциал (смещение). Поскольку электроны, излучаемые «горячим» катодом, отличаются сравнительно низкой кинетической энергией – они тормозятся находящейся на их пути сеткой. В результате такого замедления тиратроны остаются в закрытом состоянии и не «зажигаются».

С другой стороны в промежутке сетка-анод действует значительное по величине ускоряющее поле, способное изменить поведение заряженных частиц при приближении потенциала сетки к нулевому значению. Если это происходит – все большее количество электронов проникает в пространство, расположенное за сеткой ближе к аноду. После ускорения электрическим полем подвижные частицы приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газовой смеси.

В результате начавшегося процесса вторичные электроны вместе с эмиссионными частицами достигают анода, а ионы противоположного знака попадают на сетку и увеличивают ее положительный потенциал. Это приводит к возрастанию потока электронов с катода и началу лавинообразного процесса. В итоге всех этих превращений образуется плазма, сначала появляющаяся в районе анода, а затем постепенно заполняющая все внутреннее пространство лампы. Из-за высокого показателя проводимости этого состояния сопротивление промежутка резко падает, после чего тиратрон сразу же «зажигается». При развившейся и «устоявшейся» плазме электрическое поле сетки экранировано оболочкой из ионов, исключающей влияние ее потенциала на величину тока в тиратроне.

При выключении прибора снятием напряжения с его анода начинается постепенный распад плазмы. Частицы противоположного заряда нейтрализуются, что приводит к резкому уменьшению количества свободных зарядов оболочки, защищающей сетку (этот слой постепенно истончается). Такой процесс происходит до момента, пока не наступит их полное смыкание.

При дальнейшем снижении концентрации зарядов потенциал сетки нарастает до момента, пока ее управляющие функции полностью не восстановятся. Однако в отсутствие напряжения на аноде эта ее способность уже не помогает поддерживать разряд, который постепенно затухает.

Известные разновидности тиратронов

К числу разновидностей относятся следующие его исполнения:

Устройства (приборы) тлеющего разряда или ТТР.
Тиратроны с раскаленным катодом.
Изделия с водородным наполнителем.

Первая разновидность характеризуется тем, что ионизация газа внутри баллона вызывает появление тлеющего разряда. Анод в этих приборах выполнен в виде стального цилиндра, внутри которого размещена петля из тонкой проволоки, называемой «катодом».

На катодный электрод при производстве наносится особое активное покрытие, улучшающее условия зажигания разряда. Добавим к этому, что поверх катода имеется меньший по размеру электрод, выполняющий функцию сетки. В этих изделиях излучающая часть лампы не нагревается, поскольку для ионизации достаточно специального напыления и разгоняющего напряжения на аноде. Это и послужило основанием для того, чтобы назвать их «тиратроны с холодным катодом».

ТТР относятся к категории маломощных изделий, чаще всего используемых в качестве индикаторных лампочек на пультах управления и в составе других приборов. Отечественные тиратроны этого типа широко представлены распространенными образцами индикаторных изделий, среди которых особо выделяется МТХ-90.

Tiratrony 3

Приборы с раскаленным катодом по-другому называются «тиратронами дугового разряда» или ТДР. В отличие ТТР эта разновидность ламповых изделий содержит разогреваемый электрод из молибдена или никеля, излучающий электроны.

В качестве наполнителя в таких приборах используются следующие газы и их смеси:

Неон или ксенон.
Смесь аргона с ртутью.
Комбинация из криптона и ксенона.
Пары ртути.

Поддержание дугового разряда в тиратронах этого типа возможно лишь при пониженном давлении. В лампах ТДР, как правило, устанавливаются катоды прямого накала в виде стальной ленты с наконечником.

Tiratrony 4

Сегодня на смену типовым изделиям все чаще приходят тиратроны с водородным наполнителем, что объясняется требованиями техники безопасности. При случайном повреждении лампы с ртутной смесью возможно поражение человеческих органов, а отслужившие свой срок приборы нуждаются в обязательной утилизации. Все это вынудило производителей отказаться от опасных для здоровья человека приборов с ртутными парами.

Особенности эксплуатации тиратронов ТДР

Такие изделия отличаются достаточной мощностью, что позволяет использовать их для выпрямления значительных по величине токов. В свое время эти приборы широко применялись в электронных устройствах и на электротранспорте, где они входили в состав силовых коммутаторов и управляемых выпрямителей.

Сегодня в этих сферах повсеместно используются полупроводниковые тиристоры, отличающиеся универсальностью применения и более привлекательными характеристиками.

Разработка изделий с наполнителем из водорода позволила получить приборы, способные управлять токами значительно большей величины. Новые образцы тиратронов в свое время устанавливались в линейных модуляторах, где они выполняли функцию ключевых коммутаторов.

Области применения тиратронов

Основное назначение газонаполненных ламп, выпускаемых в различных исполнениях – выпрямление и преобразование мощных токов переменного напряжения стандартной частоты (50 Гц). Помимо этого, некоторые разновидности этих приборов применяются в следующих видах специального электрооборудования:

Электрические приводы.
Релаксационные схемы.
Релейное оборудование.

Нередко тиратроны устанавливаются в мощных инверторах и сварочных агрегатах. Среди областей применения этих изделий выделим их использование в качестве устройств защиты от сверхвысоких напряжений.

Особенности конструкции и условия эксплуатации тиратронов

Для изделий с различными показателями мощности типична конструкция, при которой электроды располагаются в одну линию (либо горизонтально, либо вертикально). Вертикальное расположение характерно для приборов повышенной отдачи, поскольку оно обеспечивает достаточную жесткость конструкции. У изделий малой и средней мощности электроды обычно располагаются по горизонтали.

Выбор рабочего положения прибора зависит от типа его наполнителя. Например, тиратроны с «чисто» газовым наполнением, могут эксплуатироваться в любом положении.

Их «ртутные» аналоги устанавливаются исключительно вертикально (горловиной вниз). Такое их положение позволяет поддерживать температуру стекающей внутри ртути на уровне, практически не зависящем от режима работы тиратрона.

Но чаще всего электроды в приборе расположены по сечению в одной горизонтали (подобно тому, как это делается в обычных электровакуумных лампах). Подобную конструкцию применяют, например, в тиратронах с невысоким показателем мощности, наполняемых инертными газами.

Сетка газонаполненных ламп также изготавливается в нескольких вариантах. Согласно техническим условиям она производится в виде небольших дисков из никеля, молибдена или графита с отверстиями различного размера и формы.

Наиболее распространенный вариант – щелевидная сетка, размещенная в горизонтальной плоскости. В тиратронах малой и средней мощности используется диск с небольшой поперечной щелью, имеющий ограниченную поверхность и способный регулировать сравнительно небольшие токи. Для более мощных тиратронов характерно наличие многодырчатой сетки, которая сможет пропускать значительное количество заряженных частиц. Соответственно этому такие приборы пригодны для управления большими рабочими токами газоразрядной лампы.