ЛАМПЫ С ХОЛОДНЫМ КАТОДОМ
Все рассмотренные выше электронные лампы имеют катоды, разогреваемые током от внешнего источника. Однако существует большая
группа ламп, наполненных газом, в которых ни один электрод не разогревается, а свободные электроны существуют и «работают».
Такие лампы называют лампами с холодным катодом (или, иначе, лампами с холодным или тлеющим разрядом). Они обладают
большой экономичностью.
Какие же физические процессы происходят в газонаполненных приборах?
Представим себе стеклянный баллон с двумя электродами, в котором создан обычный для радиоламп вакуум, а затем в него
введено небольшое количество газа (аргон, неон, водород): Если к электродам присоединить источник тока, то при некоторой
разности потенциалов между ними непроводящий газовый промежуток может резко изменить свои свойства и стать хорошим проводником:
произойдет так называемый холодный электрический разряд. При этом газовый промежуток освещается характерным цветом (например,
аргон — мертвенно-синим, неон — оранжево-красным и т. п.). Из-за этого светового эффекта, сопутствующего разряду,
напряжение, при котором он начинается, называют потенциалом зажигания. Остановимся подробно на сущности происходящих в
газонаполненной лампе процессов.
Атомы разреженного газа не имеют электрического заряда, но если с орбиты атома будет каким-то образом удален один электрон
(или несколько) или если атом приобретет дополнительный электрон, то атом превратится в ион (в первом случае — положительный,
во втором — отрицательный). В массе газа всегда имеется некоторое количество свободных электронов. Эти электроны при отсутствии
электрического поля в баллоне движутся по хаотическим траекториям. Но если к электродам газонаполненной лампы приложить
разность потенциалов, то свободные электроны, естественно, начнут двигаться по направлению к положительно заряженному электроду
— аноду. Встречая на своем пути атомы газа, эти электроны ударяются о них и меняют направление своего движения, хотя общий
их поток и сохраняет направленность к аноду. Чем меньше напряжение, приложенное к электродам газонаполненной лампы, т. е.
чем слабее электрическое поле в баллоне, тем труднее «пробираться» свободным электронам внутри массы газа. Разряда в газе,
следовательно, нет.
Но вот при увеличении напряжения энергия свободных электронов достигает такой величины, что они при соударении с атомами
газа будут выбивать с их орбит электроны и таким образом превращать атомы газа в положительные ионы. Выбитые из атомов электроны
также будут разгоняться электрическим полем и в свою очередь начнут выбивать из встречных атомов электроны. Такой процесс
нарастает мгновенно, газ из-за наличия большого числа электронов становится хорошо проводящим: в баллоне происходит вспышка,
начинается тлеющий разряд. Этот разряд может далее существовать длительное время, поддерживая сам себя. Происходит это по
следующей причине.
Положительные ионы, образовавшиеся при соударении атомов с электронами, движутся к отрицательному электроду-катоду и
образуют вблизи него положительно заряженное ионное «облачко». Ионы этого «облачка» с большой силой притягиваются катодом
и бомбардируют его, выбивая свободные электроны, а сами при ударе присоединяют электроны, имеющиеся в избытке на катоде,
и превращаются в нейтральные атомы. Такой процесс при определенных условиях происходит непрерывно, т. е. не происходит накопления
положительных ионов, а разряд поддерживается за счет выбиваемых вновь из катода электронов. Интересно отметить, что тлеющий
разряд продолжается при падении напряжения между электродами, меньшем, чем потенциал зажигания. Другим важным свойством
газонаполненной лампы с холодным катодом является способность пропускать при разряде ток различной величины без изменения
величины падения напряжения на лампе.
На рисунке графически показана зависимость тока, проходящего через лампы от напряжения на ее электродах. В области А
Б процессы в лампе происходят так, как. описано выше. Если же через лампу пойдет ток, меньший IА, то лампа
может погаснуть. Наоборот, увеличение тока свыше IБ означает увеличение эмиссии электронов с катода, причем
после того, как эмиссия охватит всю площадь катода, ее увеличение будет возможно только за счет увеличения скорости бомбардировки
ионами, т. е. потребуется повышение разности потенциалов на электродах. Увеличение энергии электронов, бомбардирующих катод,
приводит к его разогреву и появлению термоэлектронной эмиссии с катода. Значит, резко увеличится число электронов в баллоне,
а это приведет к лавинообразному переходу тлеющего разряда в дуговой, который может разрушить лампу. Поэтому рабочей областью
лампы с холодным катодом является участок АБ.
Поясним, почему лампа с холодным катодом светится. При ударе свободного электрона по атому может случиться, что энергии
«бомбардира» не хватает для выбивания электрона с орбиты атома. Но все-таки атому будет сообщено некоторое количество энергии,
и это выразится в том, что электрон атома перейдет на другую орбиту. Такое «возбужденное» состояние атома является ненормальным
и продолжается всего
около 1 / 100 000 000 сек, после чего электрон вернется на свою орбиту,
а излишек энергии выделится в виде света (газ светится). А так как в массе газа многие электроны не обладают достаточной
энергией для ионизации атомов, но лишь могут их возбудить, то при «тлеющем» разряде лампа с холодным катодом светится.
Описанные свойства ламп с холодным катодом (способность самостоятельно поддерживать тлеющий разряд, постоянство напряжения
при изменении в больших пределах величины пропускаемого тока и способность светиться ярким светом при разряде) используются
в самых разнообразных устройствах. Так, например, лампы с холодным катодом широко применяют в схемах стабилизации напряжения
(стабилитроны), причем существуют конструкции ламп, в которых одновременно осуществляется деление стабилизируемого напряжения.
Такие лампы имеют несколько последовательных газовых промежутков: электроды расположены так, что каждый из них, кроме крайних,
является анодом одного газового промежутка и катодом другого (рис. 2). Стабилитроны обеспечивают хорошее постоянство напряжения
на своих зажимах. Неоновые лампочки-индикаторы в радиоустройствах и длинные трубки, образующие буквы реклам, —все это в
принципе лампы с холодным катодом.
Существуют и трехэлектродные лампы с холодным катодом. В этих лампах в отличие от вакуумных триодов сетка служит для
иных целей: она облегчает зажигание тлеющего разряда в баллоне лампы. Для этого на сетку лампы подается относительно небольшое
напряжение, достаточное для пробоя маленького
промежутка сетка-катод. Разряд, начавшийся в этой области, немедленно распространится на весь баллон лампы: лампа зажигается.
Но после этого сетка теряет свои управляющие свойства, и никаким отрицательным потенциалом, поданным на нее, не удастся погасить
разряд в лампе. Действительно, заряжая сетку отрицательно, мы тем самым направим к ней поток положительных ионов. Они бомбардируют
сетку и создают значительный сеточный ток, что может привести к недопустимо большой термоэлектронной эмиссии с сетки и
разогреву вывода сетки. «Гасят» трехэлектродную лампу с холодным катодом снятием напряжения с анода. Трехэлектродные лампы
такого типа применяют в устройствах, где с помощью небольших напряжений нужно манипулировать большими токами.
Большое распространение начинают получать лампы с холодным катодом в электронной счетной технике. Так, например, любой
электронный счетчик нуждается в индикаторе, указывающем результат счисления. В настоящее время создана лампа с холодным катодом,
называемая дигитрон, заменяющая механические индикаторы и неоновые лампы, применяемые обычно в счетчиках.
По своему устройству дигитрон похож на обычную двухэлектродную лампу с холодным катодом, только имеет не один, а несколько
отдельных катодов и один общий анод. Анод дигитрона выполнен в виде сетки, окружающей катоды, а каждый из катодов имеет
очертания цифры, буквы или какого-либо знака. При подаче на соответствующий катод достаточного напряжения газ ионизируется
и вокруг катода возникает свечение. В зависимости от формы катода светящаяся зона принимает вид цифры, буквы или знака. Дигитроны
делают нескольких типов: для индикации букв, цифр и т. п. Они дают четкое изображение, хорошо видимое на большом расстоянии
от прибора, и устойчиво работают при высокой скорости счета.
Часть [1]
[2]
[3]
[4]
[5]
|
