Ionisationsröhren (gasgefüllt)

Bisher haben wir Röhren untersucht, die vollständig von Gas und Dampf in ihren Glashüllen „evakuiert“ sind, richtig bekannt als Vakuumröhren . Durch die Zugabe von bestimmten Gasen oder Dämpfen nehmen Röhren jedoch deutlich andere Eigenschaften an und können in elektronischen Schaltungen gewisse Sonderfunktionen erfüllen.

Wenn über eine Strecke, die von einem Gas oder Dampf eingenommen wird, eine ausreichend hohe Spannung angelegt wird oder wenn dieses Gas oder dieser Dampf ausreichend erhitzt wird, werden die Elektronen dieser Gasmoleküle von ihren jeweiligen Kernen abgestreift, wodurch ein Zustand der Ionisation entsteht . Nachdem die Elektronen von ihren elektrostatischen Bindungen an die Atomkerne befreit wurden, können sie in Form eines Stroms frei wandern, wodurch das ionisierte Gas zu einem relativ guten Stromleiter wird. In diesem Zustand wird das Gas besser als Plasma bezeichnet .

Ionisiertes Gas ist kein perfekter Leiter. Als solcher neigt der Elektronenfluss durch ionisiertes Gas dazu, Energie in Form von Wärme abzugeben, wodurch dazu beigetragen wird, das Gas in einem ionisierten Zustand zu halten. Das Ergebnis ist eine Röhre, die unter bestimmten Bedingungen zu leiten beginnt und dann dazu neigt, in einem leitenden Zustand zu bleiben, bis die an das Gas angelegte Spannung und/oder der wärmeerzeugende Strom auf ein Minimum sinkt.

Der aufmerksame Beobachter wird feststellen, dass dies genau die Art von Verhalten ist, die eine Klasse von Halbleiterbauelementen zeigt, die als „Thyristoren“ bezeichnet werden und dazu neigen, „an“ zu bleiben, wenn sie „an“ sind, und dazu neigen, „aus“ zu bleiben, wenn sie „ausgeschaltet“ sind. Man kann sagen, dass gasgefüllte Röhren dieselbe Eigenschaft der Hysterese aufweisen .

Im Gegensatz zu ihren Vakuum-Pendants wurden Ionisationsröhren oft ohne Glühfaden (Heizung) hergestellt. Diese wurden Kaltkathode genannt Röhren, wobei die beheizten Versionen als Heißkathode bezeichnet werden Rohre. Ob das Rohr eine Wärmequelle enthielt oder nicht, beeinflusste offensichtlich die Eigenschaften eines gasgefüllten Rohrs, jedoch nicht in dem Maße, wie ein Mangel an Wärme die Leistung eines harten Vakuumrohrs beeinträchtigen würde.

Die einfachste Art von Ionisationsgerät ist nicht unbedingt eine Röhre; es besteht vielmehr aus zwei Elektroden, die durch einen gasgefüllten Spalt getrennt sind. Einfach Funkenstrecke genannt , kann der Abstand zwischen den Elektroden durch Umgebungsluft oder ein spezielles Gas eingenommen werden. In diesem Fall muss das Gerät eine versiegelte Hülle haben.

Eine Hauptanwendung für Funkenstrecken ist der Überspannungsschutz. Die Funkenstrecke ist so konstruiert, dass sie bei normaler Systemspannung an den Elektroden nicht ionisiert oder „durchbricht“ (mit dem Leiten beginnt). Die Funktion der Funkenstrecke besteht darin, im Falle eines signifikanten Spannungsanstiegs zu leiten. Sobald es leitend ist, wirkt es als schwere Last und hält die Systemspannung durch seine große Stromaufnahme und den nachfolgenden Spannungsabfall entlang der Leiter und anderer Reihenimpedanzen niedrig. In einem richtig konstruierten System hört die Funkenstrecke auf zu leiten („erlöschen“), wenn die Systemspannung auf ein normales Niveau absinkt, deutlich unter die Spannung, die zum Auslösen der Leitung erforderlich ist.

Eine wichtige Einschränkung von Funkenstrecken ist ihre im Wesentlichen endliche Lebensdauer. Die von einer solchen Vorrichtung erzeugte Entladung kann ziemlich heftig sein und neigt daher dazu, die Oberflächen der Elektroden durch Lochfraß und/oder Schmelzen zu beschädigen.

Funkenstrecken können auf Befehl geschaltet werden, indem eine dritte Elektrode (normalerweise mit einer scharfen Kante oder Spitze) zwischen die beiden anderen gelegt und ein Hochspannungsimpuls zwischen dieser Elektrode und einer der anderen Elektroden angelegt wird. Der Impuls erzeugt einen kleinen Funken zwischen den beiden Elektroden, der einen Teil des Weges zwischen den beiden großen Elektroden ionisiert und die Leitung zwischen ihnen ermöglicht, wenn die angelegte Spannung hoch genug ist:

Sowohl getriggerte als auch ungetriggerte Funkenstrecken können gebaut werden, um große Strommengen zu bewältigen, einige sogar im Bereich von Mega-Amps (Millionen von Ampere)! Die physische Größe ist der primäre limitierende Faktor für die Strommenge, die eine Funkenstrecke sicher und zuverlässig handhaben kann.

Wenn die beiden Hauptelektroden in einem mit einem speziellen Gas gefüllten, verschlossenen Röhrchen platziert werden, wird ein Entladungsrohr gebildet. Die gebräuchlichste Art von Entladungsröhre ist das Neonlicht, das im Volksmund als Quelle für farbige Beleuchtung verwendet wird, wobei die Farbe des emittierten Lichts von der Art des Gases abhängt, das die Röhre füllt.

Der Aufbau von Neonlampen ähnelt stark dem von Funkenstrecken, aber die Betriebseigenschaften sind ganz anders:

Durch die Steuerung des Elektrodenabstands und der Gasart in der Röhre können Neonlichter leiten, ohne die übermäßigen Ströme zu ziehen, die Funkenstrecken verursachen. Sie weisen immer noch Hysterese auf, da eine höhere Spannung erforderlich ist, um die Leitung zu initiieren, als sie zum „Erlöschen“ zu bringen, und ihr Widerstand ist definitiv nichtlinear (je mehr Spannung an der Röhre anliegt, desto mehr Strom, also mehr Wärme, also niedrigerer Widerstand) ). Aufgrund dieser nichtlinearen Tendenz darf die Spannung an einer Neonröhre einen bestimmten Grenzwert nicht überschreiten, damit die Röhre nicht durch zu hohe Temperaturen beschädigt wird.

Diese nichtlineare Tendenz gibt der Neonröhre eine andere Anwendung als die bunte Beleuchtung:Sie kann etwas wie eine Zenerdiode wirken und die Spannung daran „klemmen“, indem sie immer mehr Strom zieht, wenn die Spannung abnimmt. Bei dieser Verwendung wird die Röhre als Glühröhre bezeichnet , oder Spannungsreglerröhre , und war in den Tagen des Designs von Elektronenröhrenschaltungen ein beliebtes Mittel zur Spannungsregelung.

Bitte beachten Sie den schwarzen Punkt im oben abgebildeten Röhrensymbol (und im davor abgebildeten Neonlampensymbol). Diese Markierung zeigt an, dass das Röhrchen mit Gas gefüllt ist. Es ist ein allgemeiner Marker, der in allen gasgefüllten Röhrensymbolen verwendet wird.

Ein Beispiel für eine Glühröhre zur Spannungsregelung war der VR-150 mit einer Nennregelspannung von 150 Volt. Sein Widerstand innerhalb der zulässigen Stromgrenzen kann von 5 kΩ bis 30 kΩ variieren, eine Spanne von 6:1. Wie heutige Zenerdioden-Reglerschaltungen könnten Glühröhrenregler mit Verstärkerröhren gekoppelt werden, um eine bessere Spannungsregelung und höhere Laststrombereiche zu erzielen.

Wenn eine normale Triode mit Gas anstelle eines harten Vakuums gefüllt wäre, würde sie die gesamte Hysterese und Nichtlinearität anderer Gasröhren mit einem großen Vorteil manifestieren:Die Höhe der zwischen Gitter und Kathode angelegten Spannung würde die minimal erforderliche Spannung von Platte zu Kathode bestimmen Leitung zu initiieren. Im Wesentlichen war diese Röhre das Äquivalent des Halbleiter-SCR (Silicon-Controlled Rectifier) ​​und wurde Thyratron genannt .

Es sollte beachtet werden, dass das oben gezeigte Schema für die meisten Zwecke und Konstruktionen von Thyratronröhren stark vereinfacht ist. Einige Thyratrons erforderten beispielsweise, dass die Netzspannung die Polarität zwischen ihrem „Ein“- und „Aus“-Zustand wechselt, um richtig zu funktionieren. Außerdem hatten einige Thyratrons mehr als ein Gitter!

Thyratrons wurden in ähnlicher Weise verwendet wie SCRs heute:Steuerung von gleichgerichtetem Wechselstrom für große Lasten wie Motoren. Thyratron-Röhren wurden mit verschiedenen Arten von Gasfüllungen für unterschiedliche Eigenschaften hergestellt:Inertgas (chemisch nicht reaktives) Gas, Wasserstoffgas und Quecksilber (bei Aktivierung in eine Gasform verdampft). Deuterium, ein seltenes Wasserstoffisotop, wurde in einigen speziellen Anwendungen verwendet, die das Schalten hoher Spannungen erfordern.