Релаксационные колебания в схеме с газовым разрядником (тиратроном, неоновой лампой).

1. И.Е. Иродов. Электромагнетизм (основные законы), 2001г., глава 11

 

2. А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. Курс физики, 2000, главы 27 и 28.

 

 

3. Т.И. Трофимова. Курс физики, 1985, глава 18

 

4. И.В. Боднарь, Л.Г. Березуцкий «Методическое пособие к лабораторным работам по курсу ФХОМКиТ РЭС и ЭВС». Мн.; БГУИР, 1997 г.

 

5. Б. Ф. Алексеев, К. А. Барсуков«Лабораторный практикум по физике: Учебное пособие для студентов втузов», М., Высш. шк., 1988 г.

 

ДЛЯ СВОБОДНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ,

НПО учебной техники «ТУЛАНАУЧПРИБОР»

ФГОУ ВПО ТВЕРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Кафедра общей физики

Лаборатория № 27 «Электричества и магнетизма»

 

 

Лабораторная работа № 10

 

 

ИЗУЧЕНИЕ РЕЛАКСАЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ

 

 

ФЭЛ-16

 

Тверь, 2013 г

 

 

Лабораторная работа № 10.

изучение РЕЛАКСАЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ

Цель работы: создание релаксационных колебаний при помощи полупроводникового разрядника, изучение основных характеристик релаксационных колебаний.

Теоретическое описание.

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ РЕЛАКСАЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ

Релаксационные колебания в схеме с газовым разрядником (тиратроном, неоновой лампой).

Простейший тиратрон - это трехэлектродная лампа, наполненная газом при низком давлении. Если анодное напряжение недостаточно для ионизации газа в нем, то ток через тиратрон подчиняется законам, справедливым для вакуумного триода. При повышении анодного напряжения до напряжения зажигания в тиратроне возникает дуговой разряд. Развитие дугового разряда происходит с нарастающей скоростью - лавиной. Однако для возникновения лавины необходимо наличие некоторой определенной начальной ионизации. Когда анодное напряжение близко к напряжению зажигания, в тиратроне существует предразрядный ток. Этот ток создается за счет электронной эмиссии катода, а также за счет начальной ионизации газа - тихий или тлеющий разряд.

Так как электрическое поле в тиратроне определяется не только его анодным напряжением, но и его сеточным напряжением, то и напряжение зажигания зависит от сеточного напряжения тиратрона. Кривая зависимости напряжения зажигания от сеточного напряжения называется пусковой характеристикой тиратрона. Она имеет вид, показанный на Рис.1.

 

 

Анодное напряжение «горящего» тиратрона не сильно отличается от потенциала ионизации газа и почти не зависит от тока через тиратрон. В процессе зажигания анодное напряжение падает от напряжения зажигания до значения Следовательно, сопротивление тиратрона в стадии зажигания отрицательное, а в стадии горения близко к нулю.

Анодное напряжение, при котором в тиратроне прекращается дуговой разряд, называется напряжением гашения. Напряжение гашения слабо зависит от сеточного напряжения. Это объясняется тем, что при наличии разряда ионный слой, создающийся у поверхности отрицательно заряженных проводников сетки, экранирует их от окружающего поля. При погасании тиратрон еще некоторое время сохраняет способность проводить ток за счет оставшихся после разряда ионов. Процесс исчезновения такой проводимости называется деионизацией тиратрона.

Токовая проводимость тиратрона за счёт оставшихся после разряда ионов способна вызвать так называемые релаксационные колебания напряжения на конденсаторе, который входит в состав изображённой на Рис. 2а схемы, использующейся для изучения релаксационных колебаний.

Принцип действия генератора релаксационных колебаний на тиратроне состоит в следующем: при подключении к схеме источника постоянного электрического напряжения конденсатор заряжается через сопротивление Когда напряжение на конденсаторе станет равным напряжению зажигания тиратрон зажжется, и конденсатор практически мгновенно разрядится через него до напряжения гашения При этом тиратрон погаснет, и конденсатор снова станет заряжаться. Описанный процесс будет повторяться периодически. График зависимости напряжения на конденсаторе от времени представлен на Рис. 2б.

Колебания подобного вида, сильно отличающиеся по своей форме от гармонических, часто называют срывными или релаксационными.

Для возникновения и существования колебаний в рассмотренной схеме необходимо выполнение следующих условий (условий самовозбуждения):

где - величина установившегося тока через сопротивление при горящем тиратроне, U₀ – напряжение источника питания.

Первое из этих условий очевидно. Второе условие равносильно утверждению, что в генераторе не может существовать такой стационарный режим, при котором напряжение на конденсаторе было бы выше напряжения гашения тиратрона. Последнее условие для генераторов с тиратроном всегда выполняется, так как сопротивление горящего тиратрона весьма мало. Период колебаний генератора как видно из Рис. 2б, равен времени зарядки конденсатора через сопротивление от напряжения до напряжения

Для вычисления периода напишем второе правило Кирхгофа для цепи генератора при погашенном тиратроне:

(1.1)

Преобразовав это выражение, получим:

(1.2)

Проинтегрировав в пределах от до получим выражение для периода:

(1.3)

Следует отметить, что полученная формула является неточной. У реальных генераторов период всегда несколько больше вычисленного (расхождение может доходить до 15-20%). Такое расхождение объясняется тем, что при вычислении периода не были учтены предразрядные токи тиратрона. Действительно, когда напряжение на конденсаторе становится близким к напряжению зажигания, часть тока, проходящего через сопротивление ответвляется через тиратрон (предразрядный ток) и зарядка конденсатора замедляется.

Кроме того, на величине периода колебаний сказывается также и то, что при релаксационных колебаниях разрядка конденсатора происходит до напряжения более низкого, чем напряжение гашения тиратрона, определенное из измерений в статическом режиме.

Наряду с трёхэлектродными лампами, содержащим управляющий электрод, используют также двухэлектродные газонаполненные лампы либо разрядники. Отличие заключается лишь в том, что в двухэлектродном разряднике напряжение зажигания (пробоя) фиксировано, в трехэлектродной лампе, как было сказано выше, им можно управлять, подавая определенный потенциал на сетку лампы.

Типичная схема релаксационного генератора на неоновой двухэлектродной лампе (разряднике) показана на рис. 3 и практически не отличается от схемы рис. 2а, а физические процессы полностью идентичны.

 

 

 

 

Зависимость тока от напряжения для газоразрядной лампы не подчиняется закону Ома и характеризуется рядом особенностей при малых напряжениях (идеализированная характеристика изображена на рис. 4). При напряжениях U < UЗ лампа не пропускает тока (не горит). Ток в лампе возникает только в том случае, когда напряжение между электродами лампы достигает напряжения зажигания UЗ. При этом величина тока скачком устанавливается равной I 1, которая при дальнейшем увеличении напряжения U растет по закону, близкому к линейному. При уменьшении напряжения на горящей лампе до UЗ лампа еще не гаснет, и сила тока продолжает уменьшаться. Лампа перестает пропускать ток лишь при напряжении гашения UГ, которое обычно существенно ниже UЗ. Сила тока при этом скачком падает от значения I 2до нуля.