가스 배출 튜브

번개 폭풍을 목격했다면 전기 히스테리시스가 작동하는 것을 보았을 것입니다(그리고 아마도 보고 있는 것을 깨닫지 못했을 것입니다). 강한 바람과 비의 작용으로 구름과 땅, 구름 사이에도 엄청난 정전기가 축적됩니다. 전하 불균형은 고전압으로 나타나며, 공기의 전기 저항이 더 이상 이러한 고전압을 억제할 수 없을 때 전류의 엄청난 서지가 반대 전하 극 사이를 이동하며 이를 "번개"라고 부릅니다.

바람과 비에 의한 고전압 축적은 상당히 연속적인 과정이며 적절한 대기 조건에서 전하 축적 속도가 증가합니다. 그러나 번개 볼트는 연속적이지 않습니다. 연속 방전이 아니라 비교적 짧은 서지로 존재합니다. 왜 이런거야? 격렬하게 짧은 번개 볼트 대신 부드럽고 빛나는 번개 아크가 보이지 않는 이유는 무엇입니까? ? 답은 공기의 비선형(및 히스테리시스) 저항에 있습니다.

일반적인 조건에서 공기는 매우 큰 저항을 받습니다. 실제로 너무 높아서 우리는 일반적으로 저항을 무한대로 취급하고 공기를 통한 전기 전도는 무시할 수 있는 것으로 취급합니다. 공기 중의 물과 먼지의 존재는 저항을 다소 낮추지만 여전히 가장 실용적인 목적을 위한 절연체입니다. 그러나 충분한 고전압이 공기의 거리를 가로질러 가해지면 전기적 특성이 변합니다. 전자는 각각의 원자 주위의 정상 위치에서 "제거"되어 방출되어 전류를 구성합니다. 이 상태에서 공기는 이온화된 것으로 간주됩니다. 가스라기 보다는 플라즈마라고 합니다. "플라즈마"라는 단어의 이러한 용법은 의학 용어(혈액의 액체 부분을 의미)와 혼동되어서는 안 되며, 물질의 네 번째 상태이며, 나머지 세 가지는 고체, 액체 및 증기(기체)입니다. 플라즈마는 상대적으로 우수한 전기 전도체이며 기체 상태의 동일한 물질의 비저항보다 훨씬 낮습니다.

전류가 플라즈마를 통해 이동함에 따라 고체 저항기를 통한 전류가 열의 형태로 에너지를 소산시키는 것처럼 플라즈마에서 열의 형태로 에너지가 소산됩니다. 번개의 경우 관련된 온도가 매우 높습니다. 고온은 또한 기체 공기를 플라즈마로 변환하거나 고전압이 존재하지 않는 상태에서 플라즈마를 유지하기에 충분합니다. 번개의 전류에 의해 전하 불균형이 중화되면서 구름과 땅 사이 또는 구름과 구름 사이의 전압이 감소함에 따라 번개가 발산하는 열은 번개의 공기 경로를 플라즈마 상태로 유지하여 저항을 낮게 유지합니다. 번개는 전압이 너무 낮아서 충분한 열을 발산하기에 충분한 전류를 유지할 수 있을 때까지 플라즈마 상태를 유지합니다. 마지막으로, 공기는 ​​기체 상태로 돌아가 전류 전도를 중지하여 전압이 다시 한 번 축적되도록 합니다.

이 주기 동안 공기가 어떻게 히스테리시스를 나타내는지 주목하십시오. 전기를 전도하지 않을 때 절연체로 유지하는 경향이 있습니다. 전압이 임계 임계값을 넘어 증가할 때까지. 그런 다음 상태가 바뀌고 플라즈마가 되면 도체로 유지하는 경향이 있습니다. 전압이 더 낮은 임계 임계값 아래로 떨어질 때까지. 일단 "켜짐" 상태로 유지되는 경향이 있고, "꺼짐" 후에는 "꺼짐" 상태를 유지하는 경향이 있습니다. 바람과 비의 정전기 효과로 인한 전압의 꾸준한 증가와 결합된 이 히스테리시스는 번개의 작용을 짧은 폭발로 설명합니다.

릴랙션 오실레이터

전자적 용어로 여기에서 번개의 작용은 단순한 이완 발진기입니다. . 발진기는 안정적인 DC 전원 공급에서 발진(AC) 전압을 생성하는 전자 회로입니다. 이완 발진기는 전압이 임계 임계값에 도달할 때마다 갑자기 방전되는 충전 커패시터의 원리에 따라 작동하는 발진기입니다. 존재하는 가장 간단한 이완 발진기 중 하나는 아래 그림의 저항, 커패시터 및 네온 램프의 세 가지 구성요소(DC 전원 공급 장치 제외)로 구성됩니다.

네온 램프는 밀폐된 유리 전구 안에 있는 두 개의 금속 전극에 불과하며 내부의 네온 가스로 분리되어 있습니다. 실온에서 전압이 인가되지 않은 상태에서 램프는 거의 무한대의 저항을 갖습니다. 그러나 특정 임계값 전압이 초과되면(이 전압은 가스 압력과 램프의 기하학적 구조에 따라 다름) 네온 가스는 이온화되고(플라즈마로 전환) 저항이 크게 감소합니다. 실제로 네온 램프는 번개 폭풍의 공기와 동일한 특성을 나타내며 방전의 결과로 빛을 완전히 방출하지만 규모는 훨씬 작습니다.

위에 표시된 완화 발진기 회로의 커패시터는 저항기의 크기에 따라 결정되는 역 지수 속도로 충전됩니다. 전압이 램프의 임계 전압에 도달하면 램프가 갑자기 "켜지고" 커패시터를 낮은 전압 값으로 빠르게 방전합니다. 방전되면 램프가 "꺼져" 커패시터가 다시 충전되도록 합니다. 그 결과 램프에서 일련의 짧은 빛이 깜박이며 그 비율은 배터리 전압, 저항기 저항, 커패시터 커패시턴스 및 램프 임계 전압에 의해 결정됩니다.

티라트론 관

가스 방전 램프는 조명 소스로 더 일반적으로 사용되지만 이력 특성은 thyratron 튜브로 알려진 약간 더 정교한 변형에 활용되었습니다. . 본질적으로 가스로 채워진 3극관(3극관은 N-채널, D형 IGFET과 매우 유사한 기능을 수행하는 3요소 진공 전자관임)인 사이라트론관은 그리드 사이에 인가된 작은 제어 전압으로 켤 수 있습니다. 및 음극, 그리고 판-음극 전압을 줄임으로써 꺼집니다.

간단한 사이라트론 제어 회로

본질적으로 사이라트론관은 통제되었습니다. 전류를 부하로 전환하기 위해 특별히 제작된 네온 램프 버전. 회로도 기호의 원 안의 점은 다른 전자관 설계에서 일반적으로 볼 수 있는 단단한 진공과 달리 가스 충전을 나타냅니다. 위에 표시된 회로에서 사이라트론 튜브는 그리드와 음극 사이에 연결된 작은 DC 제어 전압에 의해 트리거될 때 한 방향으로 부하를 통해 전류를 허용합니다(부하 저항 양단의 극성 참고). 부하의 전원은 AC이며, 이는 사이라트론이 작동된 후 어떻게 꺼지는지에 대한 단서를 제공합니다. AC 전압은 주기적으로 반주기 사이에 0볼트의 조건을 통과하기 때문에 AC 전원 부하를 통과하는 전류는 다음과 같아야 합니다. 또한 주기적으로 중단됩니다. 반주기 사이의 이 짧은 전류 일시 중지는 튜브의 가스가 냉각될 시간을 제공하여 정상적인 "꺼짐" 상태로 돌아갑니다. 전도는 AC 전원에 의해 충분한 전압이 인가되고(파동 주기의 다른 시간) DC 제어 전압이 허용하는 경우에만 재개될 수 있습니다.

이러한 회로에서 부하 전압의 오실로스코프 표시는 아래 그림과 같습니다.

티라트론 파형

AC 공급 전압이 0볼트에서 첫 번째 피크로 올라갈 때 부하 전압은 임계 전압에 도달할 때까지 0(부하 전류 없음)으로 유지됩니다. 그 지점에서 튜브가 "켜짐"으로 전환되고 전도되기 시작하며, 이제 부하 전압은 나머지 절반 주기 동안 AC 전압을 따릅니다. AC 전압 파형이 튜브의 임계값 아래로 떨어지는 경우에도 부하 전압이 존재합니다(따라서 부하 전류). 이것은 작동 중인 히스테리시스입니다. 튜브는 처음 켜진 지점을 지나 전도 모드를 유지하고 공급 전압이 거의 0볼트로 떨어질 때까지 전도를 계속합니다. 사이라트론관은 단방향(다이오드) 장치이기 때문에 AC의 음의 반주기를 통해 부하 전체에 전압이 발생하지 않습니다. 실제적인 사이라트론 회로에서, 부하에 대한 전파 DC 전력을 용이하게 하기 위해 전파 정류기 회로의 일부 형태로 배열된 다중 튜브.

이완 발진기 회로에 사이라트론관이 적용되었습니다. 주파수는 그리드와 음극 사이의 작은 DC 전압에 의해 제어됩니다. (아래 그림 참조) 이 전압 제어 발진기는 VCO로 알려져 있습니다. 이완 발진기는 매우 비정현파 출력을 생성하며 주로 데모 회로(여기의 경우와 같이) 또는 고조파 풍부한 파형이 바람직한 애플리케이션에 존재합니다.

전압 제어 사이라트론 이완 발진기

내가 사이라트론관을 과거 시제로 말하는 데는 그럴만한 이유가 있습니다. 현대의 반도체 부품은 아주 특별한 몇 가지 응용 분야를 제외하고는 모두 사이라트론관 기술을 구식으로 만들어 왔습니다. 사이리스터 라는 단어가 thyratron이라는 단어와 매우 유사합니다. , 이 클래스의 반도체 부품은 히스테리시스 를 사용하여 거의 동일한 작업을 수행합니다. 전류를 켜고 끕니다. 이제 우리가 주목하는 것은 이러한 최신 장치입니다.

검토:

<울>

전기적 히스테리시스 , 구성 요소가 전도를 시작한 후에는 "켜짐"(전도) 상태를 유지하고 전도가 중단된 후에는 "꺼짐"(비도전) 상태를 유지하는 경향은 번개가 연속 방전이 아니라 전류의 순간적인 서지로 존재하는 이유를 설명하는 데 도움이 됩니다. 공기를 통해.

네온 램프와 같은 단순한 가스 방전관은 전기적 히스테리시스를 나타냅니다.

보다 발전된 가스 방전관은 제어 요소로 만들어지므로 외부 신호에 의해 "켜짐" 전압을 조정할 수 있습니다. 이 튜브 중 가장 흔한 것은 thyratron .

완화 발진기라고 하는 간단한 발진기 회로 저항-커패시터 충전 네트워크와 커패시터 양단에 연결된 히스테리시스 장치만 있으면 만들 수 있습니다.

관련 워크시트:

<울>

사이리스터 워크시트