Gasafvoerbuizen

Als je ooit getuige bent geweest van een onweersbui, heb je elektrische hysterese in actie gezien (en realiseerde je je waarschijnlijk niet wat je zag). De werking van sterke wind en regen stapelt enorme statische elektrische ladingen op tussen wolk en aarde, en ook tussen wolken. Onevenwichtigheden in de elektrische lading manifesteren zich als hoge spanningen, en wanneer de elektrische weerstand van lucht deze hoge spanningen niet langer op afstand kan houden, reizen enorme stroomstoten tussen tegengestelde polen van elektrische lading die we 'bliksem' noemen.

De opbouw van hoge spanningen door wind en regen is een vrij continu proces, waarbij de snelheid van ladingsaccumulatie toeneemt onder de juiste atmosferische omstandigheden. Bliksemschichten zijn echter allesbehalve continu:ze bestaan ​​​​als relatief korte pieken in plaats van continue ontladingen. Waarom is dit? Waarom zien we geen zachte, gloeiende bliksembogen in plaats van heftig korte bliksemflitsen ? Het antwoord ligt in de niet-lineaire (en hysteretische) weerstand van lucht.

Onder normale omstandigheden heeft lucht een extreem hoge weerstand. Het is zelfs zo hoog dat we de weerstand ervan doorgaans als oneindig beschouwen en elektrische geleiding door de lucht als verwaarloosbaar. De aanwezigheid van water en stof in de lucht verlaagt de weerstand enigszins, maar het is nog steeds een isolator voor de meeste praktische doeleinden. Wanneer er echter voldoende hoogspanning wordt aangelegd over een afstand van lucht, veranderen de elektrische eigenschappen ervan:elektronen worden "gestript" van hun normale posities rond hun respectieve atomen en worden vrijgemaakt om een ​​stroom te vormen. In deze toestand wordt lucht beschouwd als geïoniseerd en wordt een plasma genoemd in plaats van een gas. Dit gebruik van het woord "plasma" moet niet worden verward met de medische term (wat het vloeibare deel van bloed betekent), maar is een vierde toestand van materie, de andere drie zijn vast, vloeibaar en damp (gas). Plasma is een relatief goede geleider van elektriciteit, de specifieke weerstand is veel lager dan die van dezelfde stof in gasvormige toestand.

Terwijl een elektrische stroom door het plasma beweegt, wordt er energie in het plasma gedissipeerd in de vorm van warmte, net zoals stroom door een vaste weerstand energie dissipeert in de vorm van warmte. Bij bliksem zijn de temperaturen extreem hoog. Hoge temperaturen zijn ook voldoende om gasvormige lucht in een plasma om te zetten of plasma in die toestand te houden zonder de aanwezigheid van hoogspanning. Naarmate de spanning tussen wolk en aarde, of tussen wolk en wolk, afneemt naarmate de onbalans in de lading wordt geneutraliseerd door de stroom van de bliksemschicht, houdt de warmte die door de bout wordt gedissipeerd het luchtpad in een plasmatoestand, waardoor de weerstand laag blijft. De bliksemschicht blijft een plasma totdat de spanning daalt tot een te laag niveau om voldoende stroom te ondersteunen om voldoende warmte af te voeren. Ten slotte keert de lucht terug naar een gasvormige toestand en stopt met het geleiden van stroom, waardoor er opnieuw spanning kan worden opgebouwd.

Merk op hoe de lucht gedurende deze cyclus hysterese vertoont. Wanneer het geen elektriciteit geleidt, heeft het de neiging om een isolator te blijven totdat de spanning zich boven een kritiek drempelpunt ophoopt. Dan, als het eenmaal van toestand verandert en een plasma wordt, heeft het de neiging om een geleider te blijven totdat de spanning onder een lager kritisch drempelpunt komt. Eenmaal "ingeschakeld" blijft het meestal "aan" en eenmaal "uitgeschakeld" blijft het meestal "uit". Deze hysterese, gecombineerd met een gestage opbouw van spanning als gevolg van de elektrostatische effecten van wind en regen, verklaart de werking van bliksem als korte uitbarstingen.

Ontspanningsoscillatoren

In elektronische termen, wat we hier hebben in de actie van bliksem is een eenvoudige ontspanningsoscillator . Oscillatoren zijn elektronische circuits die een oscillerende (AC) spanning produceren uit een constante toevoer van gelijkstroom. Een relaxatie-oscillator is er een die werkt volgens het principe van een oplaadcondensator die plotseling wordt ontladen telkens wanneer de spanning een kritische drempelwaarde bereikt. Een van de eenvoudigste relaxatie-oscillatoren die er bestaat, bestaat uit drie componenten (de gelijkstroomvoeding niet meegerekend):een weerstand, condensator en neonlamp in onderstaande afbeelding.

Neonlampen zijn niets meer dan twee metalen elektroden in een afgesloten glazen bol, gescheiden door het neongas binnenin. Bij kamertemperatuur en zonder aangelegde spanning heeft de lamp een bijna oneindige weerstand. Zodra echter een bepaalde drempelspanning wordt overschreden (deze spanning is afhankelijk van de gasdruk en de geometrie van de lamp), wordt het neongas geïoniseerd (veranderd in een plasma) en neemt de weerstand drastisch af. In feite vertoont de neonlamp dezelfde eigenschappen als lucht bij onweer, compleet met de emissie van licht als gevolg van de ontlading, zij het op veel kleinere schaal.

De condensator in het hierboven getoonde relaxatie-oscillatorcircuit laadt op met een inverse exponentiële snelheid die wordt bepaald door de grootte van de weerstand. Wanneer de spanning de drempelspanning van de lamp bereikt, gaat de lamp plotseling "aan" en ontlaadt de condensator snel tot een lage spanningswaarde. Eenmaal ontladen, gaat de lamp "uit" en laat de condensator opnieuw een lading opbouwen. Het resultaat is een reeks korte lichtflitsen van de lamp, waarvan de snelheid wordt bepaald door de batterijspanning, weerstandsweerstand, condensatorcapaciteit en lampdrempelspanning.

Thyratron-buizen

Terwijl gasontladingslampen vaker worden gebruikt als verlichtingsbronnen, werden hun hysteretische eigenschappen benut in iets geavanceerdere varianten die bekend staan ​​als thyratronbuizen . In wezen een met gas gevulde triodebuis (een triode is een vacuümelektronenbuis met drie elementen die vrijwel dezelfde functie vervult als de N-kanaal, D-type IGFET), de thyratronbuis kan worden ingeschakeld met een kleine stuurspanning tussen rooster en kathode, en uitgeschakeld door de plaat-naar-kathode spanning te verminderen.

Eenvoudig thyratron-regelcircuit

In wezen werden thyratron-buizen gecontroleerd versies van neonlampen die speciaal zijn gebouwd om stroom naar een belasting te schakelen. De stip binnen de cirkel van het schematische symbool geeft een gasvulling aan, in tegenstelling tot het harde vacuüm dat normaal wordt gezien in andere ontwerpen van elektronenbuizen. In het hierboven getoonde circuit laat de thyratronbuis stroom door de belasting in één richting toe (let op de polariteit over de belastingsweerstand) wanneer deze wordt geactiveerd door de kleine DC-stuurspanning die is aangesloten tussen het rooster en de kathode. Merk op dat de stroombron van de belasting wisselstroom is, wat een aanwijzing geeft over hoe de thyratron uitschakelt nadat deze is geactiveerd:aangezien wisselspanning periodiek door een toestand van 0 volt gaat tussen halve cycli, moet de stroom door een door wisselstroom gevoede belasting ook regelmatig stoppen. Deze korte stroomonderbreking tussen halve cycli geeft het gas van de buis de tijd om af te koelen, waardoor het terugkeert naar zijn normale "uit" -toestand. De geleiding kan alleen worden hervat als er voldoende spanning wordt aangelegd door de wisselstroombron (een andere keer in de golfcyclus) en als de gelijkstroomstuurspanning dit toelaat.

Een oscilloscoopweergave van de belastingsspanning in zo'n circuit zou er ongeveer zo uitzien als in onderstaande afbeelding.

Thyratron-golfvormen

Naarmate de AC-voedingsspanning stijgt van nul volt naar zijn eerste piek, blijft de belastingsspanning op nul (geen belastingsstroom) totdat de drempelspanning is bereikt. Op dat moment schakelt de buis "aan" en begint te geleiden, waarbij de belastingsspanning nu de wisselspanning volgt gedurende de rest van de halve cyclus. Er bestaat belastingsspanning (en dus belastingsstroom), zelfs wanneer de golfvorm van de wisselspanning onder de drempelwaarde van de buis is gedaald. Dit is hysterese aan het werk:de buis blijft in zijn geleidende modus voorbij het punt waar hij voor het eerst werd ingeschakeld, en blijft geleiden totdat de voedingsspanning daar daalt tot bijna nul volt. Omdat thyratron-buizen eenrichtings- (diode) apparaten zijn, ontwikkelt zich geen spanning over de belasting door de negatieve halve cyclus van wisselstroom. In praktische thyratron-circuits, meerdere buizen die zijn gerangschikt in een of andere vorm van een dubbelfasig gelijkrichtercircuit om het volledige golfgelijkstroomvermogen naar de belasting te vergemakkelijken.

De thyratronbuis is toegepast op een relaxatieoscillatorcircuit. De frequentie wordt geregeld door een kleine gelijkspanning tussen het rooster en de kathode. (Zie onderstaande afbeelding) Deze spanningsgestuurde oscillator staat bekend als een VCO. Ontspanningsoscillatoren produceren een zeer niet-sinusvormige output, en ze bestaan ​​meestal als demonstratiecircuits (zoals hier het geval is) of in toepassingen waar de harmonische rijke golfvorm wenselijk is.

Spanninggestuurde thyratron-relaxatieoscillator

Ik spreek niet voor niets van thyratron-buizen in de verleden tijd:moderne halfgeleidercomponenten hebben de thyratron-buistechnologie voor alle, op een paar zeer speciale toepassingen na, achterhaald. Het is geen toeval dat het woord thyristor lijkt zoveel op het woord thyratron , want deze klasse van halfgeleidercomponenten doet ongeveer hetzelfde:gebruik hysteretic stroom in- en uitschakelen. Het zijn deze moderne apparaten waar we nu onze aandacht op richten.

BEOORDELING:

• Elektrische hysterese , de neiging van een component om "aan" (geleidend) te blijven nadat het begint te geleiden en om "uit" (niet-geleidend) te blijven nadat het niet meer geleidt, helpt te verklaren waarom bliksemschichten bestaan ​​als tijdelijke stroomstoten in plaats van continue ontladingen door de lucht.
• Eenvoudige gasontladingsbuizen zoals neonlampen vertonen elektrische hysterese.
• Er zijn geavanceerdere gasontladingsbuizen gemaakt met bedieningselementen zodat hun "inschakel"-spanning door een extern signaal kan worden aangepast. De meest voorkomende van deze buizen heette de thyratron .
• Eenvoudige oscillatorschakelingen genaamd relaxatieoscillatoren kan worden gemaakt met niets meer dan een weerstand-condensator laadnetwerk en een hysteretisch apparaat dat over de condensator is aangesloten.

GERELATEERD WERKBLAD:

• Thyristors-werkblad