Gasentladungsrohre

Wenn Sie jemals einen Gewittersturm erlebt haben, haben Sie elektrische Hysterese in Aktion gesehen (und wahrscheinlich nicht gemerkt, was Sie sehen). Die Einwirkung von starkem Wind und Regen akkumuliert enorme statische elektrische Ladungen zwischen Wolke und Erde und auch zwischen Wolken. Elektrische Ladungsungleichgewichte manifestieren sich als hohe Spannungen, und wenn der elektrische Widerstand der Luft diese hohen Spannungen nicht mehr in Schach halten kann, wandern riesige Stromstöße zwischen entgegengesetzten Polen elektrischer Ladung, die wir „Blitze“ nennen.

Der Aufbau hoher Spannungen durch Wind und Regen ist ein ziemlich kontinuierlicher Prozess, wobei die Ladungsakkumulationsrate unter den richtigen atmosphärischen Bedingungen zunimmt. Blitze sind jedoch alles andere als kontinuierlich:Sie existieren eher als relativ kurze Überspannungen als als kontinuierliche Entladungen. Warum ist das? Warum sehen wir nicht weiche, leuchtende Blitzbögen statt heftig kurzer Blitze Blitze ? Die Antwort liegt im nichtlinearen (und hysteretischen) Luftwiderstand.

Unter normalen Bedingungen hat Luft einen extrem hohen Widerstand. Tatsächlich ist er so hoch, dass wir seinen Widerstand normalerweise als unendlich und die elektrische Leitung durch die Luft als vernachlässigbar betrachten. Das Vorhandensein von Wasser und Staub in der Luft verringert den Widerstand etwas, aber für die meisten praktischen Zwecke ist es immer noch ein Isolator. Wenn jedoch über eine Luftstrecke genügend Hochspannung angelegt wird, ändern sich seine elektrischen Eigenschaften:Elektronen werden von ihrer normalen Position um ihre jeweiligen Atome „abgestreift“ und freigesetzt, um einen Strom zu bilden. In diesem Zustand gilt Luft als ionisiert und wird eher Plasma als Gas genannt. Diese Verwendung des Wortes „Plasma“ ist nicht mit dem medizinischen Begriff zu verwechseln (was den flüssigen Anteil des Blutes bedeutet), sondern ist ein vierter Aggregatzustand, die anderen drei sind fest, flüssig und dampfförmig (gasförmig). Plasma ist ein relativ guter Stromleiter, sein spezifischer Widerstand ist viel niedriger als der der gleichen Substanz im gasförmigen Zustand.

Wenn sich elektrischer Strom durch das Plasma bewegt, wird Energie in Form von Wärme im Plasma abgegeben, genauso wie Strom durch einen Festwiderstand Energie in Form von Wärme abgibt. Bei Blitzschlag sind die Temperaturen extrem hoch. Hohe Temperaturen reichen auch aus, um gasförmige Luft in ein Plasma umzuwandeln oder das Plasma in diesem Zustand ohne das Vorhandensein von Hochspannung zu halten. Wenn die Spannung zwischen Wolke und Erde oder zwischen Wolke und Wolke abnimmt, während das Ladungsungleichgewicht durch den Strom des Blitzes neutralisiert wird, hält die vom Blitz abgeleitete Wärme den Luftweg in einem Plasmazustand und hält seinen Widerstand niedrig. Der Blitz bleibt ein Plasma, bis die Spannung auf ein zu niedriges Niveau abfällt, um genügend Strom zu halten, um genügend Wärme abzuleiten. Schließlich kehrt die Luft in einen gasförmigen Zustand zurück und leitet keinen Strom mehr, wodurch sich wieder Spannung aufbauen kann.

Beachten Sie, wie die Luft während dieses Zyklus eine Hysterese aufweist. Wenn es keinen Strom leitet, neigt es dazu, ein Isolator zu bleiben bis sich die Spannung über einen kritischen Schwellenwert aufbaut. Wenn es dann seinen Zustand ändert und ein Plasma wird, neigt es dazu, Leiter zu bleiben bis die Spannung unter einen unteren kritischen Schwellenwert fällt. Einmal „angeschaltet“ bleibt es „an“ und einmal „ausgeschaltet“ bleibt es „aus“. Diese Hysterese, kombiniert mit einem stetigen Spannungsaufbau aufgrund der elektrostatischen Wirkung von Wind und Regen, erklärt die Blitzwirkung als kurze Ausbrüche.

Entspannungsoszillatoren

In elektronischer Hinsicht haben wir hier in der Wirkung des Blitzes einen einfachen Entspannungsoszillator . Oszillatoren sind elektronische Schaltungen, die eine oszillierende (AC) Spannung aus einer konstanten Gleichstromversorgung erzeugen. Ein Relaxationsoszillator arbeitet nach dem Prinzip eines Ladekondensators, der sich jedes Mal schlagartig entlädt, wenn seine Spannung einen kritischen Schwellenwert erreicht. Einer der einfachsten existierenden Relaxationsoszillatoren besteht aus drei Komponenten (die Gleichstromversorgung nicht mitgezählt):einem Widerstand, einem Kondensator und einer Neonlampe in Abbildung unten.

Neonlampen sind nichts anderes als zwei Metallelektroden in einem versiegelten Glaskolben, die durch das Neongas im Inneren getrennt sind. Bei Raumtemperatur und ohne angelegte Spannung hat die Lampe einen nahezu unendlichen Widerstand. Sobald jedoch eine bestimmte Schwellenspannung überschritten wird (diese Spannung hängt vom Gasdruck und der Geometrie der Lampe ab), wird das Neongas ionisiert (in ein Plasma umgewandelt) und sein Widerstand verringert sich dramatisch. Tatsächlich zeigt die Neonlampe die gleichen Eigenschaften wie die Luft bei einem Gewitter, komplett mit der Lichtemission als Ergebnis der Entladung, wenn auch in einem viel kleineren Maßstab.

Der Kondensator in der oben gezeigten Relaxationsoszillatorschaltung lädt sich mit einer umgekehrt exponentiellen Rate auf, die durch die Größe des Widerstands bestimmt wird. Wenn ihre Spannung die Schwellenspannung der Lampe erreicht, "schaltet" sich die Lampe plötzlich ein und entlädt den Kondensator schnell auf einen niedrigen Spannungswert. Nach der Entladung „schaltet“ die Lampe aus und ermöglicht dem Kondensator, sich wieder aufzuladen. Das Ergebnis ist eine Reihe kurzer Lichtblitze von der Lampe, deren Geschwindigkeit von der Batteriespannung, dem Widerstandswiderstand, der Kondensatorkapazität und der Lampenschwellenspannung bestimmt wird.

Thyratronröhren

Während Gasentladungslampen häufiger als Beleuchtungsquellen verwendet werden, wurden ihre Hystereseeigenschaften in etwas ausgefeilteren Varianten, die als Thyratronröhren bekannt sind, ausgenutzt . Im Wesentlichen eine gasgefüllte Triodenröhre (eine Triode ist eine Drei-Element-Vakuum-Elektronenröhre, die eine ähnliche Funktion wie der N-Kanal-IGFET vom D-Typ hat), könnte die Thyratronröhre mit einer kleinen Steuerspannung zwischen dem Gitter eingeschaltet werden und Kathode, und ausgeschaltet, indem die Spannung von Platte zu Kathode reduziert wird.

Einfache Thyratron-Steuerschaltung

Im Wesentlichen wurden Thyratronröhren gesteuert Versionen von Neonlampen, die speziell zum Schalten von Strom zu einer Last gebaut wurden. Der Punkt innerhalb des Kreises des schematischen Symbols zeigt eine Gasfüllung an, im Gegensatz zum harten Vakuum, das normalerweise bei anderen Elektronenröhrenkonstruktionen zu sehen ist. In der oben gezeigten Schaltung lässt die Thyratronröhre Strom durch die Last in eine Richtung (beachten Sie die Polarität über dem Lastwiderstand), wenn sie durch die kleine DC-Steuerspannung zwischen Gitter und Kathode ausgelöst wird. Beachten Sie, dass die Stromquelle der Last Wechselstrom ist, was einen Hinweis darauf gibt, wie sich das Thyratron nach dem Einschalten ausschaltet:Da Wechselspannung zwischen Halbzyklen periodisch einen Zustand von 0 Volt durchläuft, muss der Strom durch eine mit Wechselstrom betriebene Last auch regelmäßig anhalten. Diese kurze Strompause zwischen den Halbzyklen gibt dem Gas der Röhre Zeit zum Abkühlen und lässt sie in ihren normalen "Aus"-Zustand zurückkehren. Die Leitung darf nur wieder aufgenommen werden, wenn von der Wechselstromquelle genügend Spannung angelegt wird (zu einem anderen Zeitpunkt im Wellenzyklus) und wenn die Gleichstromsteuerspannung dies zulässt.

Eine Oszilloskopanzeige der Lastspannung in einer solchen Schaltung würde etwa wie in Abbildung unten aussehen.

Thyratron-Wellenformen

Wenn die AC-Versorgungsspannung von null Volt auf ihren ersten Spitzenwert ansteigt, bleibt die Lastspannung bei null (kein Laststrom), bis die Schwellenspannung erreicht ist. An diesem Punkt schaltet die Röhre „ein“ und beginnt zu leiten, wobei die Lastspannung nun während der restlichen Halbwelle der Wechselspannung folgt. Lastspannung (und damit Laststrom) ist auch dann vorhanden, wenn die Wechselspannungswellenform unter den Schwellenwert der Röhre gefallen ist. Hier ist Hysterese am Werk:Die Röhre bleibt über den Punkt, an dem sie zuerst eingeschaltet wurde, in ihrem leitenden Modus und leitet weiter, bis dort die Versorgungsspannung auf fast null Volt abfällt. Da Thyratronröhren Einweg-(Dioden-)Geräte sind, entwickelt sich während der negativen Halbwelle des Wechselstroms keine Spannung an der Last. In praktischen Thyratron-Schaltungen sind mehrere Röhren in einer Form einer Vollwellen-Gleichrichterschaltung angeordnet, um eine Vollwellen-Gleichstromversorgung der Last zu ermöglichen.

Die Thyratronröhre wurde auf einen Relaxationsoszillatorkreis angewendet. Die Frequenz wird durch eine kleine Gleichspannung zwischen Gitter und Kathode gesteuert. (Siehe Abbildung unten) Dieser spannungsgesteuerte Oszillator wird als VCO bezeichnet. Relaxationsoszillatoren erzeugen einen sehr nicht-sinusförmigen Ausgang und sie existieren meistens als Demonstrationsschaltungen (wie hier der Fall ist) oder in Anwendungen, bei denen eine oberwellenreiche Wellenform erwünscht ist.

Spannungsgesteuerter Thyratron-Relaxationsoszillator

Ich spreche aus gutem Grund in der Vergangenheitsform von Thyratronröhren:Moderne Halbleiterbauelemente haben die Thyratronröhren-Technologie für alle bis auf wenige ganz spezielle Anwendungen überholt. Es ist kein Zufall, dass das Wort Thyristor hat so viel Ähnlichkeit mit dem Wort thyratron , macht für diese Klasse von Halbleiterbauelementen ungefähr dasselbe:Verwenden Sie hysteretisch Strom ein- und ausschalten. Es sind diese modernen Geräte, denen wir jetzt unsere Aufmerksamkeit widmen.

RÜCKBLICK:

• Elektrische Hysterese , die Tendenz einer Komponente, „an“ (leitend) zu bleiben, nachdem sie zu leiten beginnt, und „aus“ (nicht leitend), wenn sie aufhört zu leiten, hilft zu erklären, warum Blitze als kurzzeitige Stromstöße und nicht als kontinuierliche Entladungen existieren durch die Luft.
• Einfache Gasentladungsröhren wie Neonlampen weisen eine elektrische Hysterese auf.
• Fortschrittlichere Gasentladungsröhren wurden mit Steuerelementen ausgestattet, so dass ihre "Einschalt"-Spannung durch ein externes Signal eingestellt werden konnte. Die gebräuchlichste dieser Röhren wurde als Thyratron bezeichnet .
• Einfache Oszillatorschaltungen namens Relaxationsoszillatoren kann mit nichts anderem als einem Widerstands-Kondensator-Ladenetzwerk und einer Hysteresevorrichtung, die über den Kondensator geschaltet ist, erstellt werden.

VERWANDTES ARBEITSBLATT:

• Thyristoren-Arbeitsblatt