Tuburi electronice cu descarcare in gaze

Tuburi electronice cu descarcare in gaze

Inainte de a studia insa dispozitivele multijonctiune, este indicat sa luam in considerare si predecesorul tehnologic al acestora, si anume, tuburile electronice cu descarcare in gaze.

Fulgerele si histereza

Putem observa histereza electrica pe viu in cazul fulgerelor. Actiunea vantului puternic si a ploii duce la acumularea de sarcini electrice imense intre nori si intre nori si pamant. Dezechilibrul de sarcina electrica se manifesta sub forma de diferenta de potential, sau tensiune electrica, iar cand rezistenta electrica a aerului nu mai poate face fata acestor tensiuni inalte, vor aparea cantitati mari si de scurta durata de curent electric intre polii opusi ai sarcinilor electrice, fenomen ce poarta numele de fulger.

Acumularea tensiunilor inalte sub actiunea vantului si a ploii este un proces aproximativ continuu, rata acumularilor de sarcina crescand atunci cand conditiile atmosferice sunt prielnice. Cu toate acestea, fulgerele nu sunt un fenomen continuu: acestea exista sub forma curentilor mari si de scurta durata. De ce se intampla acest lucru? De ce nu vedem arcuri electrice de lunga durata dar de o intensitate mai redusa? Raspunsul se regaseste in rezistenta neliniara a aerului.

Formarea plasmei

In conditii normale, aerul poseda o rezistenta electrica extrem de mare, atat de mare incat o consideram de obicei ca fiind infinita iar conductivitatea prin aer aproape neglijabila. Prezenta apei si a prafului scade rezistenta acestuia, dar practic, acesta ramane tot un dielectric. Atunci cand se aplica o tensiune suficient de mare intre doua puncte separate de aer, proprietatile electrice ale acestuia sufera unele modificari: electronii sunt "smulsi" de pe pozitiile lor normale si de pe atomii lor respectivi, eliberarea lor constituind un curent. In aceasta stare, aerul este considerat ca fiind ionizat si poarta numele de plasma si nu de gaz, a patra stare a materiei, pe langa cea solida, lichida si gazoasa. Plasma este un conductor relativ bun de electricitate, rezistivitatea acesteia fiind mult mai mica decat cea a aceleiasi substante sub forma gazoasa.

Mentinerea plasmei si revenirea la forma gazoasa

Pe masura ce curentul trece prin plasma, va exista o energie disipata prin plasma sub forma de caldura, la fel ca si in cazul curentului printr-un rezistor solid. In cazul fulgerelor, temperaturile sunt extrem de mari. Aceste temperaturi ridicate sunt la randul lor suficiente pentru transformarea aerului din forma gazoasa in plasma sau pentru mentinerea plasmei in acea stare fara prezenta tensiunilor inalte. Pe masura ce diferenta de potential dintre nori sau dintre nor si pamant scade datorita echilibrarii sarcinilor electrice, caldura degajata de fulger mentine drumul dintre cele doua acumulari de sarcina in stare de plasma, iar rezistenta este prin urmare scazuta. Fulgerul ramane sub forma de plasma pana in momentul in care tensiunea scade suficient de mult incat sa nu mai poata sustine un curent necesar disiparii unei calduri suficient de mari. In final, aerul se reintoarce in starea sa gazoasa iar curentul inceteaza; din acest moment, va reincepe acumularea sarcinilor.

Histereza aerului

Putem observa ca in acest caz, aerul prezinta histereza. Atunci cand nu conduce electricitate, tinde sa ramana un dielectric pana in momentul in care acumularea de sarcini (tensiunea) trece de un anumit prag critic. Dupa acest punct, aerul tinde sa ramana un conductor (sub forma de plasma) pana cand tensiune scade sub un anumit prag critic minim. Acest histerezis, combinat cu acumularea de tensiune datorita efectelor electrostatice ale vantului si ploii, explica in mare comportamentul de scurta durata si intensitate mare a fulgerelor.

Circuite oscilatoare

Din punct de vedere electronic, avem de a face cu un oscilator dinte de fierastrau. Oscilatoarele sunt circuite electronice ce produc o tensiune alternativa dintr-o sursa de tensiune continua. Un oscilator dinte de fierastrau functioneaza pe principiul incarcarii unui condensator si descarcarii bruste ale acestuia de fiecare data cand tensiunea atinge un prag critic. Printre cele mai simple astfel de oscilatoare se numara un oscilator compus din trei componente (fara a include sursa de putere de c.c): un rezistor, un condensator si o lampa cu neon.

Lampile cu neon nu sunt altceva decat doi electrozi metalici intr-un tub de sticla etans, separati de neonul din interior. La temperatura camerei, fara existenta niciunei tensiuni aplicate pe cei doi electrozi, lampa prezinta o rezistenta infinita. Totusi, daca se depaseste o anumita tensiune de prag (aceasta tensiune depinzand de presiunea gazului si de geometria tubului), neonul se va ioniza (transforma in plasma) iar rezistenta sa va scadea brusc. In principiu, lampa cu neon prezinta aceleasi caracteristici precum aerul in cazul fulgerelor.

Condensatorul din circuitul de mai sus se incarca cu o rata exponentiala inversa, rata determinata de marimea rezistorului. Atunci cand tensiunea atinge pragul critic de tensiune al lampii, lampa se va "aprinde" brusc si va duce la descarcarea rapida a condensatorului spre o tensiune mica. Odata descarcat, lampa se va "stinge" si va permite reincarcarea condensatorului. Rezultatul este o serie de "fulgere" de scurta durata pe lampa, rata acestora fiind determinata de tensiunea bateriei, rezistenta rezistorului, capacitatea condensatorului si pragul critic de tensiune al lampii.

Tiratronul

Desi lampile cu descarcari in gaze, de genul celei de mai sus, sunt folosite de obicei ca si surse de iluminat, proprietatile lor de histereza pot fi folosite sub variante mult mai sofisticate, si anume tuburile tiratron. Fiind de fapt o trioda, tiratronul poate fi pornit cu ajutorul unei tensiuni de control mici aplicate intre grila si catod, si poate fi oprit prin reducerea tensiunii dintre anod si catod.

In principiu, tiratroanele erau versiuni controlate ale lampilor cu neon, proiectate special pentru comutarea curentului pe sarcina. Punctul din interiorul simbolului indica faptul ca acest dispozitiv este umplut cu gaz, spre deosebire de celelalte tuburi cu vid. In circuitul de sus tiratronul permite trecerea curentului prin sarcina intr-o singura directie (observati polaritatea rezistorului) atunci cand este pornit de catre o tensiune de comanda de c.c. dintre grila si catod. Sursa de putere a sarcinii este in c.a., indicand modul in care dispozitivul este oprit: din moment ce tensiunea de c.a. trece periodic printr-o conditie de 0 V, curentul prin sarcina alimentata in c.a. va atinge periodic o valoarea de 0 A. Aceasta pauza scurta dintre semi-perioade permite tubului sa se raceasca si sa se reintoarca in starea "oprit". Conductia va reincepe doar daca va exista o tensiune suficient de mare aplicata de sursa de putere in c.a. si daca sursa de c.c. o va permite.

Tensiunea de sarcina intr-un astfel de circuit va arata aproximativ precum in figura alaturata.

Pe masura ce tensiunea de c.a. creste de la zero volti spre primul varf, tensiunea pe sarcina ramane de zero volti (curent de sarcina zero) pana cand este atinsa valoarea tensiunii de prag. In acel moment, tubul trece in starea "pornit" si incepe sa conduca, tensiunea de sarcina fiind aceeasi cu tensiunea sursei de alimentare in c.a. pentru restul perioadei. Chiar si dupa ce forma de unda de c.a. scade sub valoarea tensiunii de prag, va mai exista tensiune pe sarcina, si prin urmare si curent. Acest lucru se datoreaza histerezei: dispozitivul ramane in starea de conductie (pornit) dincolo de punctul de pornire initial, continuand sa conduca pana in momentul in care tensiunea de alimentare scade spre aproximativ zero volti. Datorita faptului ca tiratroanele sunt dispozitive uni-directionale (precum diodele), caderea de tensiune pe sarcina in cazul semi-perioadei negative a semnalului de c.a. este zero. In circuitele practice, se vor folosi mai multe dispozitive aranjate sub forma unei punti redresoare pentru a permite trecerea intregii forme de unda spre sarcina.

Tuburile tiratron au fost inlocuite complet de catre componentele semiconductoare moderne, exceptand cateva aplicatii speciale. Dispozitivele multijonctiune moderne realizeaza insa acelasi lucru precum dispozitivul prezentat mai sus: pornirea si oprirea curentilor prin intermediul histerezei.