Тиратроны с накаливаемым катодом

Оценка раздела:

Тиратроны с накаливаемым катодом

- Пассив - Тиратроны с накаливаемым катодом Тиратроны с накаливаемым катодом Тиратроном называют газоразрядный выпрямитель, снабженный одним или несколькими добавочными электродами-сетками. Тиратроны с накаливаемым катодом являются, большей частью, мощными газоразрядными управляемыми приборами и, аналогично газотронам , принадлежат к приборам несамостоятельного дугового разрядав инертных газах. Предназначены для выпрямления и преобразования переменного тока промышленной частоты 50 Гц.Кроме выпрямления и преобразования некоторые типы тиратронов применяются (в зависимости от мощности)в электроприводе, релаксационных схемах, в релейных, инверторных, контролирующих, защитных и сварочных устройствах. Мощный тиратрон с накаливаемым катодом — это трехэлектродный выпрямительный прибор,имеющий анод, катод и сетку (управляющий электрод), предназначенную для управления зажиганием. Работа тиратрона Конструктивные особенности Управление мощными тиратронами Импульсные тиратроны : Конструкция Параметры и характеристики Особенности эксплуатации Использование тиратронов в настоящее время Система обозначения тиратронов Образцы тиратронов Баллоны тиратронов, как и газотронов, наполняются инертными газами (низковольтные приборы),ртутными парами (высоковольтные) или водородом (импульсные тиратроны). В некоторых случаях мощный тиратрон можно использовать в газотронном режиме, для чего сетку соединяютс катодом через активное сопротивление или на сетку подают небольшой положительный потенциал относительно катода. В тиратроне используется электростатическое управление возникновением разряда на анод.В запертом состоянии на сетку подается значительное отрицательное смещение. Так как электроны, эмиттируемые катодом,имеют среднюю энергию в несколько электрон-вольт, то указанного отрицательного смещения достаточно для торможения дажесамых быстрых из них. В пространстве сетка-анод существует сильное ускоряющее электрическое поле, однако,поскольку через отверстия сетки электроны почти не проходят, разряд в этом пространстве развиться не может. При уменьшении абсолютного значения потенциала тормозящее поле сетки ослабевает и все большее число электронов начинаетпроникать в пространство сетка—анод. Ускоряясь, эти электроны приобретают энергию, достаточную для ионизацииатомов или молекул газа. В результате появившиеся вторичные электроны вместе с первичными уходят на анод, а ионы,двигаясь по направлению к катоду и попадая в сеточные отверстия, экранируют поле сетки, вызывая тем самымприток новых электронов и лавинообразное нарастание тока. В конечном счете формируется плазма,возникающая сначала в области анода, а затем постепенно заполняющая все пространство анод—катод, за исключением катодной области.Поскольку плазма обладает высокой проводимостью, тиратрон отпирается. Электрическое поле сетки при развившейся плазмеполностью экранировано ионной оболочкой, так что сеточный потенциал никак не влияет на протекание тока в тиратроне.Для свободного прохождения тока толщина ионной оболочки вокруг отверстия сетки должна быть незначительна,так чтобы центральные участки отверстий сеток были свободны от действия поля сетки. При выключении тиратрона путем снятия напряжения с анода постепенно происходит распад плазмы - заряженные частицы плазмысоединяются друг с другом (рекомбинируют) на стенках или в объеме. По мере уменьшения концентрации зарядовтолщина сеточных оболочек падает до тех пор, пока не наступает момент их смыкания. Этот момент соответствуетначалу восстановления управляющего действия сетки. При дальнейшем спаде концентрации заряженных частицдействие электрического поля сетки нарастает до тех пор, пока ее управляющие свойства не восстановятся полностью. Из проведенного описания можно сделать вывод, что по сравнению с газотроном тиратроны с накаленным катодомдолжны иметь две важные характеристики. Первая из них - анодно-сеточная пусковая характеристика связывает между собойанодные Ua и сеточные Uc напряжения, соответствующие возникновению разряда. Очевидно, что областьвыше этой характеристики является областью зажигания. При нагрузке анодным током происходит смещение характеристики вниз - "разбежка".Она связана с появлением падения напряжения на сеточном резисторе Rc из-за протекания тока термоэлектронной эмиссии сетки.При этом фактический потенциал сетки оказывается выше, чем напряжение подключенного к ней источника. Вторая характеристика - восстановления во времени сеточного запирания, т.е.изменения во времени электрической прочности анодного промежутка. Она представляет собой зависимость допустимого напряжения, которое можно приложить к аноду тиратронабез возбуждения основного разряда (отпирания), от времени, прошедшего после прекращения тока основного разряда,Uв = f(t). Горизонтальный участок кривой длительностью Θ 0 соответствуетинтервалу времени до смыкания ионных оболочек вокруг сетки. Для того чтобы в этот период в тиратронене существовал основной разряд, к его аноду нужно прикладывать напряжение, меньшее напряжения поддержания дугового разряда. Для лучшего понимания роли кривой восстановления сеточного запирания на том же графике показаныкривые нарастания реального анодного напряжения на тиратроне Ua (t). В режиме, соответствующем кривой 1,пересекающейся с кривой восстановления сеточного запирания, тиратрон даже при отрицательном напряжении на сеткеповторно зажигается в момент времени Θ 1 т.е. теряет управляемость по сетке. В режиме, соответствующем кривой 2,характеризуемой меньшей скоростью нарастания анодного напряжения, этого не происходит и режим можно рассматриватькак нормальный. Тиратроны с газовым наполнением имеют характеристики, мало зависящие от температуры окружающей среды,что является их главным преимуществом перед ртутными тиратронами, для которых внешняя температура должна бытьограничена определенными пределами. Превышение этой температуры приводит к росту давления и понижению пробивной прочности.При температурах ниже допустимой затрудняется возникновение разряда. В тиратронах с газовым наполнением выделяющийся в оксидных катодах барий не амальгамируется,как это происходит в ртутных тиратронах. Для разложения амальгамы бария ртутным тиратронам необходимвосстановительный разогрев (режим) длительностью от 0,5 до 2 ч в зависимости от мощности прибора. Тиратроны с газовым наполнением эксплуатируются в любом положении. Ртутные — только в вертикальном, горловиной вниз,чтобы стекающая в нее ртуть имела температуру, мало зависящую от изменения режима работы тиратрона. Конструктивно тиратроны изготовляют либо по типу, показанному на рис. а , либо по типу на рис. б . В первом случае электроды располагаются один над другим по вертикали в различных горизонтальных плоскостях.Такая конструкция типична для тиратронов средней и большой мощности с выводом анода на верхнюю часть баллона.При больших размерах электродов и баллона такое расположение конструктивно более удобно и механически более жестко. Во втором случае электроды располагаются по сечению в одной горизонтальной плоскости, аналогично электродам электровакуумных ламп.Такая конструкция используется в маломощных тиратронах, наполняемых инертными газами и имеющих стандартную октальную цоколевку. Сетки тиратронов выполняются чаще всегов виде никелевых, молибденовых или графитовых дисков с отверстиями разной формы и величины. Наиболее выгодное использование однощелевой сетки (а) получается при выполнении электродной системы аналогичноэлектровакуумным приборам, в горизонтальной плоскости. В тиратронах малой и средней мощности (до 3-5 а)применяется однодырчатая сетка (б) , которая имеет сравнительно малую приемную поверхность, чтообусловливает и малые сеточные токи. Достоинством конструкции сетки является то, что она частично защищенаот попадания продуктов испарения катода. Однако через однодырчатую сетку нельзя пропустить значительные токииз-за возможного разрыва дуги, значительных потерь в сетке и локализации мощного разряда наотносительно небольшом участке поверхности анода. Поэтому в мощных тиратронах применяется многодырчатая сетка (в) . Большое число сравнительно небольших отверстий на большой площади позволяет сохранить высокие управляющие свойстватакой сетки и одновременно предотвратить значительное повышение напряжения или разрыв дуги с ростом тока.В некоторых случаях для получения малой проницаемости сеток целесообразно применять двойную многодырчатую сетку,что уменьшает напыление оксида на ответственные участки сетки и увеличивает пробивное напряжение. К недостаткам многодырчатых сеток следует отнести большую приемную поверхность, что обусловливает большие сеточные токии повышает вероятность загрязнения сетки продуктами испарения катода. С ростом мощности прибора увеличивается число отверстий, а следовательно, и площадь сетки.Поэтому в мощных высоковольтных и импульсных приборах, рассчитанных на токи в сотни ампер,применяются многощелевые или решетчатые сетки (г, д) . Многощелевую сетку получают из многодырчатой,соединяя ряд отверстий щелью. Это уменьшает плотность тока, приходящуюся на отверстие, и увеличивает допустимый токна прибор при той же общей поверхности сетки. С увеличением тока и напряжения тиратрона возрастают требования к обезгаживанию сетки, чистоте ее поверхности иуменьшению поверхностей жестчения. В этом случае наряду с многощелевой применяется решетчатая сетка, масса которой невелика.Последнее облегчает обезгаживание сетки. В тиратронах при достаточно больших анодных напряжениях может возникнуть самостоятельный тлеющий разрядмежду сеткой и анодом. Чтобы устранить это вредное явление и повысить предельное напряжение,в тиратрон вводится еще одна — экранирующая сетка. Она позволяет также расширить частотный диапазон.Двухсеточные тиратроны работают на частотах до 500 Гц. Уменьшение времени восстановления может быть достигнуто за счет уменьшения расстояния между электродамии развитием их поверхности. Этот путь привел к созданию экранированных тиратронов. В них весь газоразрядный объем,включая анод и катод, ограничен металлическим экраном. Экран у сеточного электрода имеет две диафрагмы,разделяющие межэлектродное пространство на три секции: катодную, сеточную и анодную.Экран с диафрагмами представляет собой экранирующую сетку тиратрона, на которую относительно катода может подаватьсятот или другой потенциал. В зависимости от потенциала экранирующей сетки пусковые характеристики тиратронамогут смещаться из области отрицательных напряжений Uc в область положительных значений Uc.Это значительно расширяет возможности тиратрона как управляемого прибора. Экранирующая сетка своими диафрагмами осуществляет электростатическую экранировку управляющей сетки от поля катодаи анода и ограничивает объем деионизации, в основном, сеточной секцией. Такая конструкция сеточного узлапозволяет уменьшить габариты управляющей сетки, снизить ее предразрядный ток до сотых и тысячных долей микроампера,повысить рабочие напряжения тиратрона и расширить его частотный диапазон. Катоды мощных тиратронов подогревные с оксидным покрытием. Аноды выполнены из никеля или графита. Конструктивно мощные тиратроны сходны с газотронами за исключением дополнительного электрода — управляющей сетки.Эксплуатируются тиратроны аналогично газотронам. В режиме выпрямления управление величиной анодного тока осуществляется изменением напряженияна управляющей сетке или изменением фазы между сеточным напряжением и анодным, чем достигается регулировкадлительности прохождения тока тиратрона в течение положительного полупериода анодного напряжения.Существуют три метода управлений анодным током тиратрона: амплитудный, фазовый и импульсный. При амплитудном управлении к сетке тиратрона подводится переменное напряжение, совпадающее по фазе с анодным.В зависимости от величины сеточного напряжения изменяется зажигание тиратрона, а следовательно,и величина среднего значения анодного тока. Недостатком этого метода является невозможностьплавно регулировать величину анодного тока в широких пределах. При фазовом управлении можно изменять сдвиг фаз между переменным сеточным и переменным анодным напряжениями,что изменяет момент зажигания в течение положительного полупериода, а также изменяет среднее значение выпрямленного тока. При импульсном управлении на сетку тиратрона подается кратковременный импульс напряжения величиной,достаточной для зажигания. Кратковременность импульса на сетке позволяет тиратрону срабатыватьточно в определенный момент (фазу) полупериода. Момент подачи импульса можно изменять в пределах всего полупериода,чем регулируется среднее значение выпрямленного тока. Наиболее стабильным и надежным является импульсный метод управления. Отдельную группу тиратронов составляют импульсныетиратроны. Они предназначены для получения кратковременных электрических импульсов большой мощности и применяютсяв радиолокационных устройствах в цепях модуляторов, генераторов развертки, датчиков импульсов, формирующих устройств идругих схемах. Работа в этих устройствах характеризуется значительной импульсной нагрузкой при малых значениях средних токов анода.В импульсном режиме ток анода может достигать значений в несколько сотен ампер, тогда как средний ток анодане превышает одного ампера. При этом длительность импульсов колеблется в пределах от 0,15 до 30 мксекпри частоте повторения импульсов от десятков до нескольких тысяч герц. Особенности работы. Для возникновения разряда между анодом и катодом необходимо вначале подать между сеткой и катодомположительный импульс напряжения, создающий вспомогательный разряд в этом промежутке;затем разряд возникает в основном промежутке. Время запаздывания тока анода по отношению к импульсу напряжения сетки зависит от параметров сеточной цепи,напряжения накала, напряжения анода, тока анода и частоты повторения импульсов.Чтобы уменьшить время запаздывания и сделать его более стабильным, нужно повысить крутизну фронта напряжения сеткии значение импульсного тока сетки. Зажигание тиратрона должно происходить на фронте сеточного импульса, а не на его плоской части.Это ограничивает периодическую нестабильность (разброс фронта импульса тока анода от импульса к импульсу). Периодическая нестабильность уменьшается с ростом напряжения анода, тока сетки и крутизны фронта импульса напряжения сетки. После прохождения импульса тока необходимо задержать появление на аноде положительного напряжения до тех пор,пока восстановится электрическая прочность тиратрона. С этой целью при эксплуатации обычно предусматривается небольшое(около 5%) рассогласование сопротивления нагрузки с волновым сопротивлением формирующей линии.Благодаря этому вслед за прохождением импульса тока на аноде тиратрона кратковременно создаетсяобратное (отрицательное) напряжение, задерживающее появление положительного напряжения. При импульсной работе необходимо минимальное время возникновения разряда тиратрона,поэтому баллоны импульсных тиратронов наполнены водородом, характерным высокой подвижностью ионов,в связи с чем обеспечена высокая скорость деионизации (времени восстановления управляющих свойств сетки).Некоторые импульсные тиратроны, как исключение, наполняются инертными газами. Характерной особенностью импульсных тиратронов с водородным наполнением является жестчение водорода,т. е. поглощение его продуктами испарения и распыления оксидного катода и остальных электродов.Испаряющиеся с оксидного катода барий и стронций сильно поглощают водород, в связи с чем в тиратроне меняется давление газаи изменяются пусковые характеристики. Поэтому мощные импульсные тиратроны имеют внутри баллона так называемый генератор водорода,поддерживающий давление водорода в колбе практически неизменным в течение всего срока службы тиратрона. Генератор водорода выполнен в виде металлической ампулы из тонкой никелевой жести с порошком гидрата титана,внутри которой помещается подогреваемая электрическим током алундированная бифилярная спираль.Водород, обильно выделяющийся из гидрата титана при его нагреве, через щель в никелевом цилиндрике поступает в тиратрон.В нерабочем состоянии или после выключения накала водород, находящийся в баллоне, поглощается гидратом титана,и в баллоне создается высокий вакуум. Накал водородного импульсного тиратрона включается на 3—5 миндо подачи анодного напряжения, после чего давление водорода в баллоне достигает необходимой величины. Напряжение накала в процессе эксплуатации не должно изменяться больше, чем на 5%,во избежание нарушения правильного режима работы вследствие отклонения давления газа от нормального значения.Для компенсации воздействия температуры окружающей среды и стабилизации накала генератора водородапоследовательно с подогревателем генератора водорода включается проволочный резисторс высоким температурным коэффициентом сопротивления, размещаемый вне оболочки прибора (обычно в цоколе).Подогреватель генератора водорода с компенсирующим сопротивлением включается параллельно накалу тиратроналибо имеет отдельный вывод, что позволяет осуществлять питание генератора от отдельного стабилизированного источника. Сетка тиратрона имеет малую проницаемость, так что поле анода практически не действует в прикатодной области.Поэтому без подачи отрицательного смещения при нулевом потенциале сетки тиратроны выдерживаютвысокие напряжения между анодом и катодом. Большие значения анодных токов обусловливают применениелибо многодырчатого либо многорешетчатого типа сетки. При этом последний тип сетки более характерендля приборов большой мощности, в то время как многодырчатые сетки применяются, в основном,в тиратронах малой и средней мощности. Преимущества многорешетчатых сеток заключаются в меньшей массе сетки, в меньших пусковых токах,в меньших падениях напряжения в сетке, а следовательно, в меньшем нагреве сетки в разрядеи, наконец, в более равномерной загрузке анода.Такие сетки представляют собой никелевоеили молибденовое полотно, приваренное к никелевому кольцу сетки. При этом должны быть приняты меры к тому,чтобы полотно не прогибалось, а сварка каждой нити полотна была надежной. Впротивном случае при малых расстояниях возможны короткие замыкания между сеткой и анодом.В тиратронах большой мощности с большим диаметром сеточного кольца допускается укрепление полотна никелевыми уголками,привариваемыми крест-накрест. А - анод; К - катод; 1 - управляющий электрод; 2 - экранирующий диск Для получения соответствующей правой пусковой характеристики тиратрона при сеткесо сравнительно большими отверстиями перед ней помещается экранирующий диск,размеры которого таковы, что он несколько перекрывает отверстия в управляющей сетке.Этот диск электрически связан с сеткой и выполняет роль пускового электрода.От его расположения относительно сетки во многом зависит анодный ток зажигания и соответствующий ему пусковой ток сетки. Аноды импульсных тиратронов выполняются из молибдена и никеля.Катоды — оксидные, косвенного накала, допускают кратковременный отбор тока больших величин. Работа импульсных тиратронов характеризуется импульсной мощностью,наибольшей частотой повторения импульсов, крутизной нарастания переднего фронта импульса анодного токаи его возможной минимальной длительностью. Качество импульсного тиратрона тем выше, чем больше значение этих параметров. Важным параметром тиратрона является запаздывание анодного тока по отношению к импульсу напряжения на сетке,выражающееся в нескольких десятых долей микросекунды, необходимых для развития ионизационных процессовв разрядном пространстве и для перемещения положительных ионов в область электронного объемного заряда у катодадля его нейтрализации. Импульсные тиратроны имеют положительную пусковую область зажигания, обусловленную особенностьюконструкции управляющих электродов (сеток). Особенности эксплуатации импульсных водородных тиратронов Тиратроны нуждаются в жесткой стабилизации напряжения накала. В связи с этим необходимо предусматривать ограничение броска тока накала при включении.В тех случаях, когда имеется отдельный вывод подогревателя генератора водорода,следует стабилизировать напряжение его накала в пределах до ±2%. Рекомендуется, чтобы амплитуда прямого напряжения анода была на уровне 85—90%предельной эксплуатационной величины для повышения надежности тиратрона. В то же время снижение амплитудыболее чем на 70% недопустимо, так как приводит к увеличению времени запаздывания тока анода и роступериодической нестабильности. Для повышения надежности желательно также снижать амплитуду импульса тока анода.Минимальное значение амплитуды тока анода не ограничивается. Не рекомендуется уменьшать длительность импульса тока анода до величин,соизмеримых с временем коммутации. Превышение установленной частоты повторения и длительности импульсов не допускается. Допустимая амплитуда обратного напряжения анода зависит от времени приложения(после прохождения импульса тока), формы и длительности импульса обратного напряжения.Для случаев работы в схемах линейных модуляторов в справочнике сообщается максимальное значениеобратного напряжения в течение определенного времени (обычно первые 25 мкс) после прохождения импульса тока. Время запаздывания импульса тока анода по отношению к импульсу напряжения сетки зависит от режима применения.Оно растет с уменьшением напряжения накала, напряжения и тока анода, частоты повторения импульсов. Разогрев мощных импульсных тиратронов до рабочих температур требует значительного времени,что обусловлено инерционностью тепловых процессов. Появление тиристоров, выполняющих те же функции, что и тиратроны,но являющихся твердотельными приборами со всеми присущими им достоинствами, привело к резкому ограничению применения тиратронов.В связи с этим оказалось целесообразным использовать тиратроны только для выпрямления высоких рабочих напряжений(десятки—сотни киловольт). Однако применение здесь газонаполненных тиратронов невозможноиз-за интенсивно происходящего в процессе эксплуатации поглощения инертного газа,которое приводит к быстрому выходу приборов из строя. В настоящее время в качестве высоковольтных вентилейприменяются только ртутные тиратроны. Однако ртутные тиратроны способны работать в диапазоне температур 15—40 °С,что существенно ограничивает область их применений. В то же время тиратроны выгодно отличаются от тиристоров такими достоинствами,как большие допустимые импульсные токи и напряжения и более высокое быстродействие.Поэтому в настоящее время в качестве импульсных коммутаторов широко используются водородные тиратроны. Система обозначения мощных тиратронов многократно менялась. Первые образцы имелиназвание, состоящее из букв "ТГ" ("ТГИ" для импульсных тиратронов) и номераразработки (через дефис; подозреваю, что нумерация разработок была сквозная для всех типов ламп). Чуть позже вместо номера разработки стали указывать дробное число,числитель - амплитуда выпрямленного тока в импульсе (в Амперах), а знаменатель -амплитуда допустимого прямого и обратного напряжений, в единицах В. В 1940ые годы ввели иную систему. Первым элементом в ней были буквы, характеризующиеобласть применения прибора: РТ - релейный тиратрон, ВТ - выпрямительный тиратрон, МТИ -импульсный модуляторный тиратрон. Далее ставился номер разработки, причем по каждойгруппе была отдельная нумерация, т.е. были РТ1, ВТ1, МТИ1 и т.п. Система эта не прижилась, и вскоре вернулись к предыдущему варианту, слегкамодернизировав его. Эта система дожила до наших дней. В ней обозначение мощных тиратронов состоит из трех элементов.Первый элемент — буквы: ТР — тиратрон с ртутным наполнением, ТГ — тиратрон с газовым наполнением,ТГР - тиратрон со смешанным наполнением, ТГИ - тиратрон с газовым наполнением импульсный;второй элемент — номер, присвоенный данному типу тиратрона (первоначально, короткое время, этот номерне указывали); третий элемент — дробное число, в котором числитель обозначаетнаибольшее среднее значение выпрямленного тока (для импульсных – наибольший ток в импульсе),а знаменатель — наибольшее допустимое обратное напряжение в кВ. Обозначение маломощных тиратронов состоит из четырех элементов: Первый элемент — буквы ТГ — тиратрон с горячим катодом (ТГИ - импульсный). Второй элемент — номер разработки. Третий элемент — буква в конце обозначения, определяющая конструкцию баллона: Б - сверхминиатюрное стеклянное оформление с диаметром баллонаот 8 до 10 мм; П - стеклянный баллон диаметром 19 или 22,5 мм с пальчиковым цоколем и т д. Четвертый элемент (необязательный) - индекс, указывающий на принадлежность ктой или иной категории ламп повышенной надежности. Он аналогичен такому же уприемно-усилительных ламп. Так, буква В обозначает тиратроны с повышенной механической прочностью и надежностью. Встречаются и тиратроны с нестандартными обозначениями ( 1Т1А ). 1Т1А ТГ-5Р ТГ-212 ТГ-212М ТГ-213 ТГ-235 ТГ-885 ТГ-1577 * ТГ-2050 ТГ1Б-В ТГ1-0,02/0,5 ТГ1-0,1/0,3 ТГ1-0,1/1,3 ТГ1-1/0,8 ТГ1-1,6/1,3 ТГ1-2/8 ТГ1-2,5/4 ТГ1-2,5/10 ТГ1-12,5/1,3 ТГ2-0,1/0,1 ТГ3-0,1/1,3 ТГИ1-3/1 ТГИ1-10/1 ТГИ1-35/3 ТГИ1-50/5 ТГИ1-60/5 ТГИ1-100/8 ТГИ1-270/12 ТГИ1-325/16 ТГИ1-400/3,5 ТГИ1-700/25 ТГИ2-260/12 ТГР1-2,5/2 ТР1-5/2