Общие сведения

Газоразрядными называют электровакуумные приборы, действие которых основано на электрическом разряде в газе.
При изготовлении этих приборов в баллоне создают вакуум, а затем его наполняют инертным газом (неоном, аргоном, гелием, криптоном, ксеноном) или парами ртути до давления порядка 10-3 гПа. В баллон помещают электроды (в простейшем случае два - катод и анод).
Под действием приложенного извне напряжения через ионный прибор проходит электрический ток. Совокупность явлений, происходящих в газе или парах ртути при прохождении через них электрического тока, называют электрическим разрядом в газе. При электрическом разряде в газе происходят ионизация и рекомбинация.

Ионизация газа осуществляется, если движущиеся к аноду электроны приобретают скорость, достаточную для того, чтобы при соударении с нейтральным атомом газа расщепить его на свободный электрон и положительный ион. Чтобы электрон атома газа мог перейти с энергетического уровня валентной зоны в зону проводимости, должна быть извне затрачена энергия.
Рекомбинация происходит при соединении положительного иона газа и свободного электрона в нейтральный атом. При этом электрон переходит с более высокого энергетического уровня, соответствующего зоне проводимости, на более низкий уровень, соответствующий валентной зоне. Избыток энергии, равный разности этих уровней, излучается в виде квантов света - фотонов.
При электрическом разряде в газе непрерывно происходят как ионизация, так и рекомбинация, поэтому наблюдается свечение газа.
Электроны, образовавшиеся в процессе ионизации, как и электроны, испускаемые катодом, движутся к аноду, ионизируя на своем пути газ. Процесс ионизации лавинообразно нарастает, увеличивая поток электронов на анод. Положительные ионы движутся к катоду. Таким образом, носителями заряда в ионных приборах наряду с электронами являются ионы газа. Ионы оказывают существенное влияние на процессы и явления в приборах, а следовательно, на их свойства, характеристики и параметры.
Помимо ионизации и рекомбинации при электрическом разряде в газе могут происходить и другие процессы, вызванные взаимодействием движущихся электронов с атомами газа. Если энергия свободного электрона недостаточна для ионизации атома, то в результате их соударения электрон внешней оболочки атома может перейти на более высокий энергетический уровень, оставаясь в атоме. Такой атом называют возбужденным. Это состояние неустойчивое и длится очень недолго: примерно через 10-8 с электрон возвращается на свой прежний уровень, атом переходит в нормальное состояние, а избыток энергии выделяется в виде кванта лучистой энергии; наблюдается свечение газа.
Иногда происходит ступенчатая ионизация: при последующем соударении возбужденного атома с электроном требуется меньшая дополнительная энергия, чтобы электрон, находящийся на уровне возбуждения, оторвался от атома.
Движущийся в газе электрон приобретает в электрическом поле между электродами энергию, величина которой определяется разностью потенциалов. Разность потенциалов, необходимая для возбуждения электроном атома, называется потенциалом возбуждения, а разность потенциалов, необходимая для ударной ионизации атома, - потенциалом ионизации. Их величина зависит от рода газа. Потенциал ионизации всегда выше потенциала возбуждения для данного газа.
Электрический разряд в газе может быть самостоятельным и несамостоятельным.
Самостоятельный разряд продолжается после удаления внешнего ионизатора. При этом носители заряда непрерывно образуются в процессе самого разряда. Это происходит за счет испускания электронов катодом под действием ионной бомбардировки.
Несамостоятельный разряд прекращается при отсутствии внешнего ионизатора.
Внешними факторами, необходимыми для поддержания несамостоятельного разряда, могут быть естественные ионизаторы: космические и солнечные лучи, электромагнитные излучения, радиация, а также накал или освещение катода для получения электронной эмиссии.
Обычно газоразрядные приборы, основанные на самостоятельном разряде, имеют холодный катод, а приборы с несамостоятельным разрядом - накаливаемый катод.
Отметим, что самостоятельный разряд не может самостоятельно возникнуть при подаче анодного напряжения, если в газе нет начальной ионизации атомов. В реальных условиях она всегда существует под воздействием естественных ионизаторов, и в газе есть какое-то количество свободных электронов и положительных ионов, необходимых для возникновения разряда. Таким образом, самостоятельный разряд может возникнуть только в процессе перехода из несамостоятельного.
Электрический разряд в газе прекращается при выключении напряжения или уменьшении его до определенного значения, когда прекращается ионизация газа движущимися электронами. При этом продолжаются процессы рекомбинации, приводящие к деионизации газа - уменьшению количества свободных электронов и положительных ионов.
Как самостоятельный, так и несамостоятельный разряды в зависимости от интенсивности ионизации и других условий могут быть разных видов: темный, тлеющий, дуговой, искровой.
Вольтамперная характеристика и виды электрического разряда в газе
Возникновение электрического разряда в газе и процессы, происходящие при разных видах разряда в зависимости от величины проходящего через прибор тока, можно рассмотреть на примере простейшего газоразрядного прибора с двумя одинаковыми электродами (рис.3.5, а).

Прибор подключают к источнику постоянного напряжения E через балластное сопротивление Rб, необходимое для ограничения тока. При этом на приборе действует напряжение Uа, равное разности напряжения источника и падения напряжения на балластном сопротивлении.
В баллоне находится разряженный газ, в котором имеется некоторое количество свободных электронов и положительных ионов в результате естественной ионизации. При включении источника питания между электродами создается электрическое поле, под действием которого электроны движутся к положительному аноду, а ионы - к катоду. Через прибор от источника питания потечет очень малый ток Iа, поскольку количество носителей заряда невелико. Ток создается в основном движением электронов, так как ионы имеют гораздо большую массу и значительно меньшие скорости, чем электроны, и их роль в переносе заряда невелика. Подавая на схему все большее напряжение Еа, можно постепенно увеличивать ток в цепи. Пока ток очень мал, падение напряжения на балластном сопротивлении ничтожно мало; все напряжение источника питания приложено к прибору: Uа = Еа.
Зависимость между напряжением на газоразрядном приборе и проходящим через него током называется вольтамперной характеристикой электрического разряда в газе (рис.3.5, б).
С увеличением напряжения питания при малых токах на участке ОА растет напряжение на приборе. Пока оно не достигнет величины потенциала ионизации Uи (точка Б), ток остается очень малым. С ростом напряжения возрастает количество ударных ионизации атомов электронами, увеличивается общее число электронов, приходящих на анод, и ток растет (участок БВ). Ионы сравнительно медленно движутся к катоду и рекомбинируют на нем с электронами, приходящими из внешней цепи. Рекомбинация в междуэлектродном пространстве практически отсутствует, и свечение не наблюдается. Такой разряд требует постоянного образования носителей заряда за счет естественной ионизации; электрический разряд, соответствующий этому режиму, называют темным несамостоятельным разрядом (область).
Когда напряжение на приборе достигает значения, при котором ионы движутся к катоду с достаточно большими скоростями, чтобы, бомбардируя его, вызвать электронную эмиссию, разряд переходит в самостоятельный (точка В на характеристике). Он поддерживается за счет того, что катод под ударами ионов испускает достаточное количество электронов, которые по пути к аноду ионизируют атомы газа. При этом поток электронов на анод лавинообразно нарастает; действие внешних факторов для поддержания разряда уже не требуется. Напряжение, соответствующее моменту перехода несамостоятельного разряда в самостоятельный, называется напряжением возникновения разряда Uвр. При этом напряжении сопротивление прибора уменьшается, а ток резко возрастает (участок ВГ). Однако процессы рекомбинации еще незначительны, свечение не заметно, поэтому разряд называют темным самостоятельным (областьIÌ).
Если увеличить напряжение источника Еа, то лавинообразное нарастание процессов ионизации приводит к резкому уменьшению сопротивления прибора и напряжения на нем при значительном увеличении тока; темный разряд переходит в тлеющий (участок ГД}. Переход происходит мгновенно как неуправляемый процесс (переходная область III).
Возникновение тлеющего разряда сопровождается свечением газа. Цвет свечения определяется наполнителем; например, неон дает красно - оранжевое свечение, аргон - синее, гелий - желтое, пары ртути - сине-зеленое. Переход к тлеющему разряду совершается при значительном увеличении интенсивности ионизации газа. Это приводит к резкому уменьшению сопротивления прибора и возрастанию тока через него. В результате возрастает падение напряжения на балластном сопротивлении Rб, а напряжение на приборе резко понижается:

Uа = Еа – IаRб.

Значение установивщегося на приборе напряжения Ua обеспечивает поддержание требуемой степени ионизации газа для продолжения разряда. При этом Uа приблизительно равно потенциалу ионизации газа.
Тлеющий разряд может быть двух видов: нормальный и аномальный. При переходе темного разряда в тлеющий (точка Д) сначала устанавливается нормальный тлеющий разряд (область IV). Он характеризуется тем, что с дальнейшим ростом тока Iа напряжение на приборе Uа остается постоянным (участок ДЕ). Это свойство используется в приборах для стабилизации напряжения.
При возникновении нормального тлеющего разряда свечение газа сначала наблюдается не у всей поверхности катода. По мере роста тока светящееся пятно увеличивается, а яркость свечения остается постоянной. Это означает, что плотность тока на катоде остается неизменной, а увеличивается площадь поверхности катода, испускающей электроны под действием ионной бомбардировки.
В режиме нормального тлеющего разряда величина тока составляет единицы и десятки миллиампер, а напряжение на приборе измеряется десятками и сотнями вольт.
Увеличение тока при неизменном напряжении Uа идет до тех пор, пока свечение не распространится на всю поверхность катода. Дальнейшее увеличение тока возможно только за счет более интенсивной бомбардировки катода ионами, а для этого требуется повышение напряжения на приборе. В этот момент (точка Е} разряд переходит в аномальный тлеющий (область V). На участке ЕЖ, соответствующем этому разряду, с ростом тока увеличиваются напряжение Uа и яркость свечения газа.
Лавинообразное нарастание процесса ионизации, а также увеличение скорости и энергии ионов, бомбардирующих катод, приводит к разогреву катода под их ударами и возникновению термоэлектронной эмиссии с его поверхности. Это вызывает значительный рост тока при резком уменьшении сопротивления прибора и напряжения на нем; разряд переходит в дуговой (область VI). Переход совершается самопроизвольно (участок ЖЗ) и является неуправляемым. Максимальное напряжение, вызывающее этот переход (точка Ж), называют напряжением возникновения дугового разряда.
Дуговой разряд (область VII} характеризуется очень большим током (десятки и сотни ампер) и низким напряжением между электродами - порядка 10…15 В. Значение тока через прибор ограничивается только балластным сопротивлением. Дуговой разряд используется в дуговых проекционных лампах, в мощных источниках света, в выпрямителях большой мощности.
Все газоразрядные приборы включают в цепь источника питания обязательно последовательно с балластным сопротивлением для ограничения тока, чтобы один вид разряда не переходил самопроизвольно в другой. При включении прибора без балластного сопротивления процессы лавинообразно проходят стадии всех видов разряда; мгновенно развивается дуговой разряд, разрушающий электроды и выводящий прибор из строя.

Неоновые лампы

Неоновая лампа - это газоразрядный прибор тлеющего разряда. Она представляет собой стеклянный баллон, наполненный после откачки воздуха неоном, который при разряде дает красно-оранжевое свечение. Внутри баллона помещены два электрода, которые в зависимости от назначения лампы могут иметь различную форму. При одинаковой конструкции обоих электродов процессы при разряде не зависят от направления тока. Это позволяет использовать лампу в цепях переменного тока; например, в качестве сигнальной при включении устройства в сеть или индикатора перегрузки на выходе усилителя. Если лампа рассчитана на применение в цепях постоянного тока, то электроды имеют разную конструкцию и различное назначение, один служит катодом, а второй - анодом. Такая лампа может служить стабилизатором или индикатором выпрямленного напряжения. На рис.3.6 показаны внешний вид неоновых ламп, их условные графические обозначения и схема включения.

Принцип действия неоновых ламп основан на процессах, происходящих при тлеющем разряде. В зависимости от назначения лампы может быть использован нормальный или аномальный тлеющий разряд. При тлеющем разряде все пространство между электродами заполняется газовой плазмой - смесью атомов, ионов газа и свободных электронов. Вблизи катода образуется избыточный положительный заряд ионов. Между ним и отрицательным катодом создается основная часть падения напряжения, действующего между электродами, которая называется катодным падением потенциала. На этом участке положительные ионы получают большое ускорение и бомбардируют катод, вызывая электронную эмиссию с его поверхности, а эмиттируемые катодом электроны приобретают необходимую скорость и энергию для ионизации атомов газа. В этой области происходят наиболее интенсивные процессы ионизации и рекомбинации, наблюдается свечение газа, которое воспринимается как светящееся пятно на поверхности катода.
Режим работы неоновой лампы выбирается по ее вольтамперной характеристике (рис.3.7). При увеличении напряжения питания Еа напряжение на лампе Uа быстро растет при очень малом токе. При Uа = Uвр возникает нормальный тлеющий разряд в соответствии с выбранным балластным сопротивлением. В этот момент миллиамперметр показывает появление тока в цепи, а напряжение на лампе уменьшается; на части поверхности катода появляется светящееся пятно. С дальнейшим увеличением Еа ток Iа растет, а напряжение Uа = Uст остается постоянным. Когда разряд переходит в аномальный, рост тока сопровождается повышением напряжения на лампе.

При уменьшении напряжения питания (нисходящая ветвь характеристики) ток и напряжение на лампе уменьшаются. Эта ветвь не совпадает с восходящей из-за инерционности процессов деионизации. Напряжение прекращения разряда Uп меньше Uвр.
Нормальный тлеющий разряд используют в неоновых лампах, которые применяют для стабилизации или ограничения напряжения, а аномальный - в лампах для индикации включения в сеть или перегрузки аппаратуры, в цифровых и знаковых индикаторах и индикаторных панелях, а также в газоразрядных источниках света.
Примеры обозначения неоновых ламп: МН-3; ТН-0,5; TН-0,2; ИН-3.

Знаковые индикаторы и индикаторные панели

Знаковым индикатором называют прибор тлеющего разряда, который высвечивает изображение цифр, букв или любых других знаков. Он представляет собой стеклянный баллон, внутри которого помещены анод и несколько катодов; выводы этих электродов подведены к штырькам цоколя. Баллон наполнен инертным газом. Анод выполнен в виде одной или двух электрически соединенных решеток из тонкой проволоки, а катоды - в виде цифр, букв или других знаков из нихромовой проволоки.

При подаче напряжения между анодом и одним из катодов в газе возникает электрический разряд; вокруг данного катода появляется яркое свечение, повторяющее форму этого катода, - высвечивается требуемый знак. Напряжение на катоды поступает из электронных блоков заданной информации.
Знаковые индикаторы используют в контрольно-измерительной и вычислительной технике, а также в автоматике. Наибольшее распространение получили цифровые индикаторы.
Устройство цифрового индикатора тлеющего разряда и его условное графическое обозначение на схемах показаны на рис.3.8. Он имеет десять катодов, выполненных из тонкой проволоки, в виде цифр 0, 1,2, 3...9, расположенных горизонтально на расстоянии 1 мм друг от друга. Перед ними и в середине между ними находятся две тонкие сетки, соединенные между собой и выполняющие роль анода. На анод подается постоянное напряжение со знаком «плюс», а на один из катодов - «минус». Напряжение возникновения разряда составляет 170…210В; напряжение при тлеющем разряде – 105…160В; ток разряда 2… 4 мА. Обычно цифровые индикаторы наполняют неоном.
Несколько цифровых индикаторов, смонтированных на панели, могут высветить любое число: два - двухзначное, три - трехзначное и т. д. Соответственно, определенное число буквенных индикаторов дает светящуюся надпись на табло, отображающем требуемую информацию. Для получения более сложного светящегося изображения - графиков, различных символов, фигур и т. п. - используют индикаторные панели тлеющего разряда (рис.3.9). В них применен точечно-растровый принцип получения изображения.

Индикаторная панель представляет собой прибор в герметичном корпусе с прозрачной передней стенкой, наполненном инертным газом. Основными элементами панели являются три пластины: с анодами, с катодами и изолирующая. В пазы первой стеклянной пластины горизонтально уложены проволочные аноды - до 100 штук - с шагом между ними 1мм. В пазы второй, расположенной параллельно первой, уложено вертикально столько же катодов, с таким же шагом между ними (рис.3.9, в). Эти пластины разделены изолирующей пластиной из диэлектрика с отверстиями против точек перекрещивания анодов с катодами (рис.3.9, б). Таким образом, создается точечный растр. При подаче напряжения между определенным анодом и катодом в точке их перекрещивания возникает тлеющий разряд, а в соответствующем отверстии видна яркая светящаяся точка. Выбор необходимых электродов, на которые подается напряжение для получения заданного светящегося изображения, осуществляет электронный блок в соответствии с заданной программой.