Вольт-амперная характеристика тлеющего разряда

01.08.2023

Мы рассмотрели физические процессы электрического разряда в газах и проявление этих процессов в виде тлеющего разряда. Пришло время рассмотреть электрическую цепь с включенной в нее ячейкой с тлеющим разрядом. Давайте рассмотрим зависимость между протекающим через газоразрядную ячейку (заполненную газом с низким давлением трубку с двумя электродами) током и напряжением на ней. Мы не можем просто подать на электроды напряжение, так как возникающая между ними газоразрядная плазма обладает, как мы уже знаем из статьи Газоразрядная плазма, хорошей проводимостью и плотность тока в ней может быть очень высокой. А это может привести к разрушению электродов, если не ограничивать ток. Поэтому необходимо использовать балластный резистор для ограничения тока.

Балластный резистор оказывает существенное влияние на вид ВАХ, так как возрастание тока через ячейку с тлеющим разрядом приводит к снижению напряжения на ней. Строго говоря, мы рассматриваем не ВАХ собственно тлеющего разряда, а ВАХ разряда с балластным резистором в цепи.

Схема установки для снятия вольт-амперной характеристики (ВАХ) такая:

Здесь E - регулируемый источник постоянного напряжения. Rб -  балластный (ограничительный) резистор. Как я уже сказал, он оказывает существенное влияние на процессы в цепи и вид ВАХ. Сопротивление этого резистора выбирают исходя из максимально допустимого тока через ячейку. HL1 - газоразрядная ячейка, я использовал условное обозначение неоновой лампы с холодным катодом. Вольтметр измеряет напряжение между электродами, катодом и анодом, ячейки. Обозначим это напряжение Uа (напряжение на аноде). Амперметр измеряет ток через ячейку. Обозначим этот ток Ia (ток анода).

Мы можем записать уравнение, описывающее связь между Ua и Ia

Плавно повышая напряжение источника E можно снять ВАХ тлеющего разряда. Ось токов изображена горизонтально для удобства и наглядности, масштаб не соблюден

При малом напряжении E ток в цепи будет очень мал. Между началом координат и точкой (1) находится область темного разряда. При более внимательном рассмотрении можно увидеть, что эта область состоит из нескольких участков, которые мы сегодня не будем рассматривать, так как они не относятся к тлеющему разряду. В точке (1) возникает тлеющий разряд, что приводит к резкому увеличению, скачку, тока. Участок между (1) и (2) невозможно снять по точкам с помощью вольтметра и амперметра, так как возникновение разряда очень быстрый процесс. Резкое возрастание тока приводит к резкому увеличению падения напряжения на балластном резисторе, что и приводит к резкому снижению напряжения между электродами.

Напряжение Uв соответствует напряжению возникновения разряда. Это максимальное напряжение, которое удается наблюдать перед возникновением разряда. Напряжение в точке (2) уже является напряжением горения разряда и зависит от тока. А ток, в свою очередь, зависит от сопротивления Rб. Таким образом, положение точки (2) зависит не только от состава газа в ячейке и ее конструктивных особенностей, но и от сопротивления Rб.

Дальнейшее повышение напряжения E приводит к возрастанию тока через ячейку, но напряжение между электродами изменяется незначительно. Участок ВАХ между точками (2) и (3) называется режимом нормального катодного падения или нормального тлеющего разряда. В точке (3) ток через ячейку достигает некоторого максимального значения Iмакс и рост напряжения между электродами начинает ускоряться. Участок ВАХ между точками (3) и (4) соответствует режиму аномального катодного падения или аномального тлеющего разряда.

Если продолжить повышение напряжения E, то плотность тока в газовом разряде возрастает настолько, что аномальный тлеющий разряд скачком перейдет в дуговой. Переходу тлеющего разряда в дуговой на ВАХ соответствует точка (4). Но мы сегодня дуговой разряд не рассматриваем.

Чтобы понять различие между нормальным и аномальным тлеющим разрядом рассмотрим случай, когда площадь катода значительно превышает площадь анода

При малых токах рабочей поверхностью является лишь часть всей поверхности катода. На иллюстрации условно показаны рабочие поверхности катода для трех разных токов. Чем больше ток, тем большая часть поверхности катода становится рабочей. Область разряда расширяется. При этом средняя плотность тока в разряде остается практически неизменной. Это нормальный тлеющий разряд. При некотором токе I3 = Iмакс вся поверхность катода оказывается рабочей. Этот момент и соответствует точке (3) на ВАХ, переходу нормального тлеющего разряда в аномальный. Дальнейшее увеличение области разряда становится невозможным и начинает увеличиваться плотность тока. Это и является началом аномального тлеющего разряда.

Режим нормального катодного падения, нормального тлеющего разряда, используется в стабилитронах тлеющего разряда, так как значительное изменение тока разряда приводит к незначительному изменению падения напряжения на нем. Режим аномального катодного падения, аномального тлеющего разряда, используется работают индикаторные приборы и газосветные лампы, так как яркость свечения в этом режиме выше, чем в режиме нормального тлеющего разряда. Участок возникновения тлеющего разряда, между точками (2) и (3) ВАХ, используется при построении релаксационных генераторов.

Заключение

На этом мы заканчиваем рассматривать физические процессы в газовом разряде и сам газовый разряд. Далее мы займемся собственно электронными ионными приборами, которые используют тлеющий разряд. Рассмотрим, как они устроены и работают, разберемся с параметрами приборов и их применением. Так что статьи будут гораздо более практическими.

Вы можете обсудить данную статью или задать вопросы автору на форуме