Декатроны


(декатроны А101 в работе, фото SLvik)

В 50-60-х годах прошлого века для декадного (десятичного) пересчета импульсов, идущих с частотой до 20 кгц, применялись многоэлектродные газоразрядные приборы — декатроны. Это многоэлектродные газоразрядные электровакуумные приборы с холодным катодом, предназначенные для работы в дискретных схемах десятичного счета (в том числе и реверсивных), а также в схемах коммутации, делителях частоты и различной измерительной аппаратуре.

Применение декатронов
Виды декатронов
Принцип работы
Двухимпульсные декатроны
Одноимпульсные и прочие декатроны
Особенности работы
Образцы декатронов

Конструктивно декатрон выполнен в виде стеклянного газонаполненного баллона, в котором расположен анод в виде диска, по периферии его расположено 30 штырьков-катодов. При подаче серий импульсов разряд как бы пробегает по всем штырькам-катодам.

Особенности декатронов позволяли применять их в схемах автоматического управления, в схемах хранения информации, при преобразовании десятичной системы отсчета в двоичную, в счетчиках и распределителях импульсов, в делителях частоты, в переключателях сигналов высокой частоты, для коммутации электромагнитных реле вместо электромеханических шаговых искателей.
В контрольно-измерительной аппаратуре декатроны применялись:
1. В генераторах прямоугольных колебаний с точным соотношением полуволн.
2. Для деления частоты в схемах генерации меток времени и в схемах синхронизации на кратных частотах.
3. В кварцевых генераторах высокостабильных частот для получения стабильных более низких кратных и некратных частот.
4. В электронных и шлейфных осциллографах при получении сетки времени для определения временных параметров процессов.
5. В генераторах точной изменяемой частоты ступенчатой формы для получения колебаний звуковых и инфразвуковых частот.
6. В генераторах прямоугольных колебаний с точным соотношением полуволн.
7. В частотомерах-фазометрах: для определения разности фаз двух напряжений низкой частоты, для измерения времени между двумя электрическими импульсами, для измерения периода колебаний частоты с повышенной точностью.

Использование декатронов позволяло значительно упростить конструкцию счетных и других схем, причем результаты счета можно было прочитать непосредственно по положению разрядного сечения, видимого через стеклянный баллон прибора.

Схема расположения электродов в двухимпульсных декатронах Схема расположения электродов в одноимпульсных декатронах с симметричными катодами

По конструкции декатроны делятся на симметричные (катоды) и несимметричные. По способу управления — на одноимпульсные и двухимпульсные. По назначению — на счетные и коммутаторные. Схемы с одноимпульсным декатроном управляются одиночным импульсом и могут работать на сравнительно высоких частотах срабатывания. В схемах с двухимпульсным декатроном можно получить реверсивный отсчет при изменении временной последовательности управляющих импульсов на кольцах подкатодов, т. е. можно осуществлять сложение и вычитание импульсов.

Схема устройства декатрона изображена на рисунках. Вокруг дискового анода симметрично располагаются в виде штырьков катоды, число которых кратно десяти. Из них десять основных называют индикаторными катодами, а остальные, расположенные между ними, являются поджигающими (вспомогательными) катодами, и их обычно сокращенно называют подкатодами.

В двухимпульсных декатронах, начиная с нулевого индикаторного катода K0, по часовой стрелке располагаются 1-й подкатод (1ПК), 2-й подкатод (2ПК), 1-й индикаторный катод К1, опять 1-й и 2-й подкатоды, затем катод К2 и т. д. Между катодами K9 и K0 располагаются нулевые подкатоды (1ПК0, 2ПК0).
Одноименные подкатоды обычно соединены между собой, и каждая группа имеет общий электрический вывод. Среди индикаторных катодов один имеет самостоятельный вывод (нулевой катод), а остальные могут выводиться раздельно или быть соединены вместе в зависимости от назначения декатрона.

В одноимпульсных декатронах (в отличие от двухимпульсных) между соседними катодами располагаются три подкатода (декатроны с симметричными катодами) либо один подкатод (декатроны с направленными катодами). Существуют также одноимпульсные декатроны с триггерным запуском, где вообще нет подкатодов.

Принцип действия декатронов состоит в следующем.

На подкатод подается положительное относительно катодов напряжение смещения, вследствие чего (при отсутствии входных импульсов) напряжение между анодом и индикаторными катодами выше напряжения между анодом и подкатодами. При подаче напряжения питания на анод (превышающего напряжение возникновения разряда) между анодом и одним из индикаторных катодов возникает тлеющий разряд после чего напряжение между анодом и катодом падает и становится равным напряжению поддержания разряда. Ток разряда ограничивается сопротивлением резистора нагрузки R1.

В этих условиях (без входных импульсов) разряд не может перейти ни на соседние подкатоды, ни на остальные индикаторные катоды, так как требуемое напряжение возникновения разряда выше, чем установившееся напряжение поддержания разряда.
Процесс счета состоит в направленном последовательном перемещении разряда с одного индикаторного катода на другой под действием входных импульсов.

Для осуществления счета в двухимпульсном декатроне (например ОГ-4) входные импульсы должны иметь определенные форму и полярность, т. е. должны иметь отрицательную полярность и быть несколько сдвинутыми во времени. Оба импульса подводятся соответственно на 1-й и 2-й подкатоды (1ПК, 2ПК).
При подаче первого импульса напряжение между анодом и всеми первыми подкатодами возрастает. Однако разряд возникает только на вполне определенном подкатоде, ближайшем к горящему индикаторному катоду, так как этот подкатод находится в зоне, ионизированной горящим тлеющим разрядом, и его напряжение возникновения разряда меньше, чем у остальных одноименных подкатодов. После возникновения разряда на подкатод ток в новом промежутке возрастает, а потенциал анода соответственно уменьшается. Напряжение между анодом и ранее горевшим индикаторным катодом становится недостаточным для поддержания разряда, и этот индикаторный катод гаснет.
Когда импульс напряжения на электродах 1ПК заканчивается, а второй управляющий импульс приходит на электроды 2ПК, аналогично загорается 2-й подкатод, расположенный рядом с горевшим 1-м подкатодом, который при этом гаснет. Когда заканчивается второй управляющий импульс, на двух подкатодах также восстанавливается напряжение смещения, ток анода уменьшается, а потенциал анода возрастает до тех пор, пока он достигнет напряжения возникновения разряда и появится разряд на следующий индикаторный катод, соседний с горевшим 2-м подкатодом (этот индикаторный катод также оказывается в ионизированной зоне и поэтому загорается раньше других).
Таким образом, при подаче пары управляющих импульсов разряд переходит с одного индикаторного катода на следующий. При подаче десяти пар импульсов разряд обходит десять индикаторных катодов, после чего на резисторе, включенном в цепь нулевого катода, образуется один импульс выходного сигнала, соответствующий одному десятку. Этот импульс можно подать на следующий декатрон, считающий десятки, и т. д.

Отношение числа входных управляющих импульсов к выходным импульсам называется коэффициентом пересчета.

Чтобы счет был правильным (начиная с нуля), первоначальный разряд обычно устанавливают на нулевой катод. Для этого на нулевой катод подается импульс напряжения (100—150 В) — импульс сброса, снижающий потенциал этого катода по сравнению с остальными катодами. В результате этого условия поддержания разряда сохраняются только на выбранном катоде (разряд переносится с любого катода на начальный) и счет ведется с этого катода. Такая операция называется сбросом.
В режиме последовательного суммирования сброс на нуль не производится.

При описанном порядке подачи управляющих импульсов разряд перемещается по часовой стрелке. Чтобы изменить (реверсировать) направление перемещения разряда (режим вычитания), управляющие импульсы подаются в обратном порядке: вначале на электроды 2ПК, а затем — на 1ПК.

Перенос разряда (счет импульсов) в одноимпульсных декатронах с симметричными катодами осуществляется иначе, так как в этих приборах имеется еще группа третьих подкатодов (3ПК).
Одиночный управляющий импульс подается на 2-е подкатоды и одновременно через резистор R2 и конденсатор С2 на 1-е подкатоды. Поскольку ближайший к горящему индикаторному катоду 1-й подкатод имеет пониженное напряжение возникновения разряда, в начале импульса разряд переходит с индикаторного катода на под-катод 1ПК. Проходящий через резистор R2 ток создает на нем падение напряжения, заряжающее конденсатор С2. В результате этого потенциал электрода 1ПК возрастает, и разряд переходит на соседний подкатод 2ПК.

Когда отрицательный импульс заканчивается, потенциал первых и вторых подкатодов увеличивается до напряжения смешения, и разряд переходит на ближайший подкатод группы 3ПК, а затем на соседний индикаторный катод (автоматический перенос разряда осуществляется благодаря наличию в цепи третьего подкатода резистора и конденсатора аналогичному тому, как было описано для первых и вторых подкатодов). Таким образом, один управляющий импульс переносит разряд на следующий индикаторный катод в определенном направлении.

Одноимпульсные декатроны удобны при работе с повышенной скоростью счета, так как один импульс легче формировать. Отдельный вывод электродов 3ПК0 иногда используется для получения короткого выходного импульса, предшествующего основному выходному импульсу на нулевом катоде.

Кроме описанных видов декатронов, существуют также одноимпульсные декатроны с переносом разряда с помощью направленных катодов (например ОГ-9). Эти катоды имеют определенную конфигурацию, что создает направленную ионизацию и условия для последовательного возникновения разряда на катодах.

В отличие от счетных у коммутаторных декатронов на цоколь выводятся, кроме нулевых катодов, отдельно все штырьки индикаторных катодов, и в цепь каждого штырька индикаторных катодов возможно включение нагрузки, благодаря чему возможно бесконтактное переключение в многоканальных электрических цепях, а при работе в счетных схемах иметь выход каждого импульса.

Отсчет числа импульсов можно сделать визуально, по положению видимого разрядного свечения (в таких случаях около декатронов располагают специальную шкалу с цифрами или метками) либо с помощью электронных счетных устройств.

С точки зрения стабильности параметров лучшим наполнителем для декатронов являются инертные газы (гелиево-неоновая смесь). Однако в высокоскоростных декатронах, где необходимо снизить время деионизации, применяются смеси с водородом (гелиево-водородная смесь). У этих декатронов стабильность параметров значительно ниже. Поэтому высокочастотные декатроны следует использовать лишь в тех случаях, когда это действительно необходимо.

Декатроны с гелиево-неоновой смесью имеют оранжево-красное свечение, а с гелиево-водородной смесью — фиолетово-синее свечение.

При применении декатронов необходимо учитывать следующие особенности их эксплуатации:

Наработка декатронов снижается, если разряд длительное время поддерживается на одном катоде, так как при этом ухудшаются эмиссионные свойства соседних катодов. Чем равномернее в процессе счета распределяется токовая нагрузка между всеми катодами и подкатодами, тем медленнее проходят процессы отравления катодов и декатрон работает стабильнее и дольше.
Поэтому длительное использование декатронов при низких скоростях счета или в статическом режиме не допускается. Если декатрон длительное время находится в статическом режиме, то его следует подтренировать в течение 1 ч в рабочем режиме. Рекомендуется периодически менять местами однотипные декатроны в аппаратуре, чтобы каждый из них некоторое время работал с нормальной скоростью счета.
Чтобы уменьшить распыление материала катодов, следует по возможности снижать рабочий ток анода, устанавливая его в середине диапазона рабочих токов.
Необходимо соблюдать установленное напряжение смещения в любых условиях применения. Увеличение напряжения смещения ускоряет процесс отравления подкатодов, особенно при счете неравномерно поступающих импульсов.
В то же время снижение напряжения смещения приводит к нестабильности разряда на индикаторных катодах и к нарушениям направленного переноса разряда.
Включение питающих напряжений производится в следующей последовательности: включается напряжение смещения на подкатодах, затем напряжение анода, подается импульс напряжения сброса, затем импульсы управляющего напряжения.
Одной из причин нарушений нормальной работы декатронов может являться большая паразитная емкость между анодом и катодом (во внешней цепи), особенно при использовании высокоскоростных декатронов. Необходимо принимать меры по снижению таких паразитных емкостей.
Иногда при подаче напряжения анода разряд в декатроне может возникнуть одновременно на двух индикаторных катодах. Это устраняется после сброса разряда и не является дефектом прибора.
Для декатронов обычно установлены типовые схемы включения. Отклонения от этих схем могут привести к нарушениям в работе прибора.
Сбои могут возникать в результате несоблюдения параметров управляющих импульсов: отклонений от прямоугольной формы, слишком малых интервалов между двумя импульсами и т. п.
Фронт импульса не должен быть слишком крутым, так как это может привести к недостаточной ионизации и сбоям.
Параметры декатронов указываются для определенной освещенности (обычно 40 лк) или в условиях темноты.

Напряжение питания анода должно быть несколько выше напряжения возникновения разряда.

10СГ-1М
ОГ-3
ОГ-4
ОГ-5
ОГ-7
ОГ-8
ОГ-9

Источники:

1. Карасев Г. Декатроны. — «Радио», 1962, № 2
2. Автоматизация производства и промышленная электроника. В 2-х т. Гл. ред. А.И. Берг и В.А. Трапезников т.1. М., "Современная энциклопедия", 1962 (Энциклопедия современной техники. Энциклопедии. Словари. Справочники). т.1. А-И. 1962.
3. Шибаев Н. А. Электровакуумные и полупроводниковые приборы. - М. Воениздат, 1967
4. Каганов И.Л. Промышленная электроника - М. "Высшая школа", 1968г.
5. С.Б. Стопский. Счетчики числа импульсов и их применение. Л. "Энергия", 1968 (Библиотека по автоматике. Вып. 263).
6. Гурлев Д.С. Справочник по ионным приборам. - Киев, Издательство "Технiка", 1970
7. Лернер М.И. и др. Цифровая индикация. - М., "Энергия", 1970 (Б-ка по автоматике. Вып. 409)
8. Справочник по электронным приборам. Гурлев Д.С. Изд. 5-е, исправленное и дополненное. "Технiка", 1974
9. Згурский В. С. и Лисицын Б. Л. Элементы индикации. Справочник. М., "Энергия", 1974.
10. Пляц О.М. Справочник по электровакуумным, полупроводниковым приборам и интегральным схемам. - Минск: Вышэйшая школа, 1976

домой