Ionisatie (met gas gevulde) buizen

Tot nu toe hebben we buizen onderzocht die volledig zijn "geëvacueerd" van alle gas en damp in hun glazen omhulsels, ook wel bekend als vacuümbuizen . Met de toevoeging van bepaalde gassen of dampen krijgen buizen echter aanzienlijk andere kenmerken en kunnen ze bepaalde speciale rollen vervullen in elektronische circuits.

Wanneer een voldoende hoog voltage wordt aangelegd over een afstand die wordt ingenomen door een gas of damp, of wanneer dat gas of die damp voldoende wordt verwarmd, zullen de elektronen van die gasmoleculen worden weggestript van hun respectieve kernen, waardoor een toestand van ionisatie ontstaat . Nadat ze de elektronen hebben bevrijd van hun elektrostatische bindingen met de atoomkernen, kunnen ze vrij migreren in de vorm van een stroom, waardoor het geïoniseerde gas een relatief goede geleider van elektriciteit is. In deze toestand wordt het gas beter een plasma genoemd .

Geïoniseerd gas is geen perfecte geleider. Als zodanig zal de stroom van elektronen door geïoniseerd gas de neiging hebben om energie in de vorm van warmte af te voeren, waardoor het gas in een staat van ionisatie wordt gehouden. Het resultaat hiervan is een buis die onder bepaalde omstandigheden begint te geleiden en vervolgens de neiging heeft om in een geleidingstoestand te blijven totdat de aangelegde spanning over het gas en/of de warmtegenererende stroom tot een minimum daalt.

De scherpzinnige waarnemer zal opmerken dat dit precies het soort gedrag is dat wordt vertoond door een klasse van halfgeleiderapparaten die "thyristors" worden genoemd, die de neiging hebben om "aan" te blijven als ze eenmaal zijn ingeschakeld en de neiging hebben om "uit" te blijven als ze eenmaal zijn uitgeschakeld. Met gas gevulde buizen, zo kan worden gezegd, vertonen dezelfde eigenschap van hysterese .

In tegenstelling tot hun vacuüm-tegenhangers, werden ionisatiebuizen vaak vervaardigd zonder gloeidraad (verwarmer). Deze werden koude kathode genoemd buizen, met de verwarmde versies aangeduid als hete kathode buizen. Of de buis al dan niet een warmtebron bevatte, had duidelijk invloed op de kenmerken van een met gas gevulde buis, maar niet in die mate dat een gebrek aan warmte de prestaties van een hardvacuümbuis zou beïnvloeden.

Het eenvoudigste type ionisatieapparaat is helemaal niet per se een buis; het is eerder geconstrueerd uit twee elektroden gescheiden door een met gas gevulde opening. Gewoon een vonkgap genoemd , kan de opening tussen de elektroden worden ingenomen door omgevingslucht, soms door een speciaal gas, in welk geval het apparaat een of andere verzegelde envelop moet hebben.

Een eerste toepassing voor vonkbruggen is in overspanningsbeveiliging. Ontworpen om niet te ioniseren of "af te breken" (beginnen met geleiden), met normale systeemspanning die over de elektroden wordt aangelegd, is de functie van de vonkbrug om te geleiden in het geval van een aanzienlijke toename van de spanning. Eenmaal geleidend, zal het fungeren als een zware belasting, waardoor de systeemspanning laag wordt gehouden door zijn grote stroomafname en daaropvolgende spanningsval langs geleiders en andere serie-impedanties. In een goed ontworpen systeem stopt de vonkbrug met geleiden ("doof") wanneer de systeemspanning daalt tot een normaal niveau, ruim onder de spanning die nodig is om geleiding te initiëren.

Een belangrijk voorbehoud van vonkbruggen is hun aanzienlijk eindige levensduur. De ontlading die door een dergelijk apparaat wordt gegenereerd, kan behoorlijk gewelddadig zijn en zal als zodanig de neiging hebben de oppervlakken van de elektroden te verslechteren door putjes en/of smelten.

Vonkbruggen kunnen op commando worden geleid door een derde elektrode (meestal met een scherpe rand of punt) tussen de andere twee te plaatsen en een hoogspanningspuls aan te leggen tussen die elektrode en een van de andere elektroden. De puls zal een kleine vonk tussen de twee elektroden veroorzaken, waardoor een deel van het pad tussen de twee grote elektroden wordt geïoniseerd en geleiding tussen de twee elektroden mogelijk wordt gemaakt als de aangelegde spanning hoog genoeg is:

Vonkgaten van zowel de getriggerde als niet-getriggerde variant kunnen worden gebouwd om enorme hoeveelheden stroom aan te kunnen, sommige zelfs in het bereik van mega-versterkers (miljoenen versterkers)! Fysieke grootte is de belangrijkste beperkende factor voor de hoeveelheid stroom die een vonkbrug veilig en betrouwbaar aankan.

Wanneer de twee hoofdelektroden in een afgesloten buis met een speciaal gas worden geplaatst, wordt een ontladingsbuis is gevormd. Het meest voorkomende type ontladingsbuis is het neonlicht, dat in de volksmond wordt gebruikt als een bron van kleurrijke verlichting, waarbij de kleur van het uitgestraalde licht afhankelijk is van het type gas dat de buis vult.

De constructie van neonlampen lijkt sterk op die van vonkbruggen, maar de operationele kenmerken zijn heel anders:

Door de afstand tussen de elektroden en het type gas in de buis te regelen, kunnen neonlichten geleid worden zonder de buitensporige stromen te trekken die vonkbruggen veroorzaken. Ze vertonen nog steeds hysterese omdat er een hogere spanning nodig is om geleiding te initiëren dan om ze te laten "doven", en hun weerstand is absoluut niet-lineair (hoe meer spanning over de buis wordt aangelegd, hoe meer stroom, dus meer warmte, dus lagere weerstand ). Gezien deze niet-lineaire neiging mag de spanning over een neonbuis een bepaalde limiet niet overschrijden, om te voorkomen dat de buis door te hoge temperaturen wordt beschadigd.

Deze niet-lineaire neiging geeft de neonbuis een andere toepassing dan kleurrijke verlichting:hij kan een beetje werken als een zenerdiode, waarbij de spanning erover wordt "geklemd" door steeds meer stroom te trekken als de spanning daalt. Bij gebruik op deze manier staat de buis bekend als een gloeibuis , of spanningsregelaar buis , en was een populair middel voor spanningsregeling in de dagen van het ontwerp van elektronenbuiscircuits.

Let op de zwarte stip in het hierboven weergegeven buissymbool (en in het neonlampsymbool daarvoor). Die markering geeft aan dat de buis met gas is gevuld. Het is een veelgebruikte markering die wordt gebruikt in alle symbolen van met gas gevulde buisjes.

Een voorbeeld van een gloeibuis ontworpen voor spanningsregeling was de VR-150, met een nominale regelspanning van 150 volt. De weerstand ervan over de toegestane stroomlimieten kan variëren van 5 kΩ tot 30 kΩ, een spanwijdte van 6:1. Net als de zenerdiode-regelaarcircuits van tegenwoordig, kunnen gloeibuisregelaars worden gekoppeld aan versterkingsbuizen voor een betere spanningsregeling en hogere belastingsstroombereiken.

Als een gewone triode gevuld zou zijn met gas in plaats van een hard vacuüm, zou het alle hysterese en niet-lineariteit van andere gasbuizen vertonen met één groot voordeel:de hoeveelheid spanning die wordt aangelegd tussen het rooster en de kathode zou de minimale plaat-naar-kathode-spanning bepalen die nodig is geleiding op gang te brengen. In wezen was deze buis het equivalent van de halfgeleider SCR (Silicon-Controlled Rectifier) ​​en werd de thyratron genoemd. .

Opgemerkt moet worden dat het hierboven getoonde schema sterk vereenvoudigd is voor de meeste doeleinden en thyratronbuisontwerpen. Sommige thyratrons vereisten bijvoorbeeld dat de polariteit van de netspanning tussen hun "aan" en "uit" -statussen om goed te werken. Sommige thyratrons hadden ook meer dan één rooster!

Thyratrons werden op vrijwel dezelfde manier gebruikt als SCR's die tegenwoordig worden gebruikt:het regelen van gelijkgerichte wisselstroom voor grote belastingen zoals motoren. Thyratron-buizen zijn vervaardigd met verschillende soorten gasvullingen voor verschillende kenmerken:inert (chemisch niet-reactief) gas, waterstofgas en kwik (verdampt in een gasvorm wanneer geactiveerd). Deuterium, een zeldzame isotoop van waterstof, werd gebruikt in enkele speciale toepassingen die het schakelen van hoge spanningen vereisten.