Тиратроны с накаливаемым катодом

Тиратроном называют газоразрядный выпрямитель, имеющий анод, катод и один или несколько добавочных электродов-сеток.

Тиратроны с накаливаемым катодом являются, большей частью, мощными газоразрядными управляемыми приборами и, аналогично газотронам, принадлежат к приборам несамостоятельного дугового разряда в 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.

Первые образцы газотронов были разработаны в 1929 году в США, Хэллом в исследовательской лаборатории фирмы General Electric в Скенектеди.

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 соединяют с 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 даже самых 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 начинает проникать в пространство сетка—анод. Ускоряясь, эти электроны приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов 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 самым приток 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 плазме полностью 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 плазмы соединяются друг с другом (рекомбинируют) на стенках или в объеме. По мере уменьшения концентрации зарядов толщина сеточных оболочек падает до тех пор, пока не наступает момент их смыкания. Этот момент соответствует началу восстановления управляющего действия сетки. При дальнейшем спаде концентрации заряженных частиц действие 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 катодом должны иметь две важные характеристики.

Первая из них - анодно-сеточная пусковая характеристика связывает между собой анодные Ua и сеточные Uc напряжения, соответствующие возникновению разряда. Очевидно, что область выше 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 тиратрона без возбуждения основного разряда (отпирания), от времени, прошедшего после прекращения тока основного разряда, Uв = f(t). Горизонтальный участок кривой длительностью Θ0 соответствует интервалу времени до смыкания ионных оболочек вокруг сетки. Для того чтобы в этот период в тиратроне не 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 показаны кривые 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 сетке повторно зажигается в момент времени Θ1 т.е. теряет управляемость по сетке. В режиме, соответствующем кривой 2, характеризуемой меньшей скоростью нарастания анодного напряжения, этого не происходит и режим можно рассматривать как 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 быть ограничена 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 необходим восстановительный 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 всего в виде никелевых, молибденовых или графитовых дисков с отверстиями разной формы и величины.

Наиболее выгодное использование однощелевой сетки (а) получается при выполнении электродной системы аналогично электровакуумным приборам, в горизонтальной плоскости. В тиратронах малой и средней мощности (до 3-5 а) применяется однодырчатая сетка (б), которая имеет сравнительно малую приемную поверхность, что обусловливает и малые сеточные токи. Достоинством конструкции сетки является то, что она частично защищена от попадания продуктов испарения катода. Однако через однодырчатую сетку нельзя пропустить значительные токи из-за возможного разрыва дуги, значительных потерь в сетке и локализации мощного разряда на относительно небольшом участке поверхности анода. Поэтому в мощных тиратронах применяется многодырчатая сетка (в).

Большое число сравнительно небольших отверстий на большой площади позволяет сохранить высокие управляющие свойства такой 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 токи и 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 ток на прибор при той же общей поверхности сетки.
С увеличением тока и напряжения тиратрона возрастают требования к обезгаживанию сетки, чистоте ее поверхности и уменьшению 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 разряд между 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 электродами и 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 подаваться тот или другой потенциал. В зависимости от потенциала экранирующей сетки пусковые характеристики тиратрона могут 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 катода и анода и ограничивает объем деионизации, в основном, сеточной секцией. Такая конструкция сеточного узла позволяет 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 напряжения на управляющей сетке или изменением фазы между сеточным напряжением и анодным, чем достигается регулировка длительности 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 невозможность плавно 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 срабатывать точно 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 импульсные тиратроны. Они предназначены для получения кратковременных электрических импульсов большой мощности и применяются в радиолокационных устройствах в цепях модуляторов, генераторов развертки, датчиков импульсов, формирующих устройств и других 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 анода не превышает одного ампера. При этом длительность импульсов колеблется в пределах от 0,15 до 30 мксек при частоте повторения импульсов от десятков до нескольких тысяч герц.

Особенности работы.

Для возникновения разряда между анодом и катодом необходимо вначале подать между сеткой и катодом положительный 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 сетки и 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 создается обратное (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. Время восстановления управляющих свойств сетки в приборах с водородным наполнением приблизительно в 10 раз меньше, чем в приборах с ртутным, аргоновым или ксеноновым наполнением.
Другое преимущество водородного наполнения — высокое значение катодного потенциала, которое может быть допущено без опасности разрушения оксидного катода. Критический потенциал, т. е. напряжение, соответствующее скорости ионов, при которой они разрушают оксидное покрытие, для водорода составляет приблизительно 600 В, а для ртути и инертных газов не превышает 30 В.
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 газа и изменяются пусковые характеристики. Поэтому в качестве электродов водородных приборов используется высококачественный электролитический никель, свободный от восстанавливаемых и вредных примесей; а 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 (1) из тонкой никелевой жести с порошком гидрата титана (4), внутри которой помещается подогреваемая электрическим током алундированная бифилярная спираль (5). С торцов ампула закрыта вакуумным цементом (3). Водород, обильно выделяющийся из гидрата титана при его нагреве до 350-450°С, через щель (2) 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 мин до 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 водорода последовательно с подогревателем генератора водорода включается проволочный резистор с высоким температурным коэффициентом сопротивления, размещаемый вне оболочки прибора (обычно в цоколе). Подогреватель генератора водорода с компенсирующим сопротивлением включается параллельно накалу тиратрона либо 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 выдерживают высокие напряжения между анодом и катодом. Большие значения анодных токов обусловливают применение либо многодырчатого либо многорешетчатого типа сетки. При этом последний тип сетки более характерен для 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 разряде и, наконец, в более равномерной загрузке анода. Такие сетки представляют собой никелевое или 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. В противном 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 сетке со 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 тока и 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 процессов в разрядном пространстве и для перемещения положительных ионов в область электронного объемного заряда у катода для его нейтрализации.
Импульсные тиратроны имеют положительную пусковую область зажигания, обусловленную особенностью конструкции 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 амплитуды более чем на 70% недопустимо, так как приводит к увеличению времени запаздывания тока анода и росту периодической 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 значение обратного 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 невозможно из-за интенсивно происходящего в процессе эксплуатации поглощения инертного газа, которое приводит к быстрому выходу приборов из строя. В настоящее время в качестве высоковольтных вентилей применяются 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 имели название, состоящее из букв "ТГ" ("ТГИ" для импульсных тиратронов) и номера разработки (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, характеризующие область применения прибора: РТ - релейный тиратрон, ВТ - выпрямительный тиратрон, МТИ - импульсный модуляторный тиратрон. Далее ставился номер разработки, причем по каждой группе была отдельная нумерация, т.е. были РТ1, ВТ1, МТИ1 и т.п.

Система эта не прижилась, и вскоре вернулись к предыдущему варианту, слегка модернизировав 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 номер не указывали); третий элемент — дробное число, в котором числитель обозначает наибольшее 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 баллона от 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 к той или иной категории ламп повышенной надежности. Он аналогичен такому же у приемно-усилительных ламп. Так, буква В обозначает тиратроны с повышенной механической прочностью и надежностью.

Встречаются и тиратроны с обозначениями, принятыми для приемно-усилительных ламп (1Т1А).

ТГ-212
ТГ-212М
ТГ-213
ТГ-235
ТГ-885
ТГ-1577*
ТГ-2050

1Т1А

ТГ1Б, ТГ1Б-В
ТГ-5Р

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
ТГ2-0,5/12
ТГ3-0,1/1,3
ТГИ1-3/1
ТГИ1-10/1
ТГИ1-35/3
ТГИ1-50/5
ТГИ1-50/6
ТГИ1-60/5
ТГИ1-90/8
ТГИ1-100/8
ТГИ1-270/12
ТГИ1-325/16
ТГИ1-400/3,5
ТГИ1-700/25
ТГИ2-260/12
ТГР1-2,5/2
ТР1-2,5/3
ТР1-5/2

ДЮБЕЛАНЖ

домой