thyratron - Thyratron
Un thyratron è un tipo di tubo riempito di gas utilizzato come interruttore elettrico ad alta potenza e raddrizzatore controllato . I thyratron possono gestire correnti molto maggiori rispetto a tubi a vuoto rigido simili. La moltiplicazione degli elettroni si verifica quando il gas viene ionizzato, producendo un fenomeno noto come scarica di Townsend . I gas utilizzati includono vapore di mercurio , xeno , neon e (in applicazioni speciali ad alta tensione o applicazioni che richiedono tempi di commutazione molto brevi) idrogeno . A differenza di un tubo a vuoto (valvola), un thyratron non può essere utilizzato per amplificare i segnali in modo lineare.
Negli anni '20, i tiratroni furono derivati dai primi tubi a vuoto come l'UV-200, che conteneva una piccola quantità di gas argon per aumentare la sua sensibilità come rilevatore di segnali radio , e il tubo relè tedesco LRS, che conteneva anche gas argon. Anche i raddrizzatori a gas , che hanno preceduto i tubi a vuoto, come il " Tungar bulb " della General Electric riempito di argon e il raddrizzatore a pool di mercurio di Cooper-Hewitt , fornirono un'influenza. Irving Langmuir e GS Meikle di GE sono solitamente citati come i primi ricercatori a studiare la rettifica controllata nei tubi del gas, intorno al 1914. I primi tiratroni commerciali apparvero intorno al 1928.
Il termine " tiristore " deriva da una combinazione di "thyratron" e " transistor ". Dagli anni '60 i tiristori hanno sostituito i thyratron nella maggior parte delle applicazioni a bassa e media potenza.
Descrizione
I thyratron assomigliano ai tubi a vuoto sia nell'aspetto che nella costruzione, ma differiscono nel comportamento e nel principio di funzionamento. In un tubo a vuoto, la conduzione è dominata da elettroni liberi perché la distanza tra anodo e catodo è piccola rispetto al cammino libero medio degli elettroni. Un thyratron, d'altra parte, è intenzionalmente riempito di gas in modo che la distanza tra anodo e catodo sia paragonabile al cammino libero medio degli elettroni. Ciò fa sì che la conduzione in un thyratron sia dominata dalla conduttività del plasma . A causa dell'elevata conduttività del plasma, un thyratron è in grado di commutare correnti più elevate rispetto ai tubi a vuoto che sono limitati dalla carica spaziale . Un tubo a vuoto ha il vantaggio che la conduttività può essere modulata in qualsiasi momento mentre un thyratron si riempie di plasma e continua a condurre finché esiste una tensione tra l'anodo e il catodo. Un interruttore pseudospark opera in un regime simile della curva di Paschen come un thyratron ed è talvolta chiamato thyratron a catodo freddo.
Un thyratron è costituito da un catodo caldo , un anodo e una o più griglie di controllo tra l'anodo e il catodo in un involucro ermetico di vetro o ceramica riempito di gas. Il gas è tipicamente idrogeno o deuterio ad una pressione da 300 a 500 m Torr (da 40 a 70 Pa ). I thyratron commerciali contengono anche un serbatoio di idruro di titanio e un riscaldatore del serbatoio che insieme mantengono la pressione del gas per lunghi periodi indipendentemente dalla perdita di gas.
La conduttività di un thyratron rimane bassa finché la griglia di controllo è negativa rispetto al catodo perché la griglia respinge gli elettroni emessi dal catodo. La corrente di elettroni limitata alla carica spaziale fluisce dal catodo attraverso la griglia di controllo verso l'anodo se la griglia è resa positiva rispetto al catodo. La corrente limitata di carica spaziale sufficientemente elevata avvia la scarica di Townsend tra anodo e catodo. Il plasma risultante fornisce un'elevata conduttività tra anodo e catodo e non è limitato dalla carica spaziale. La conduttività rimane elevata fino a quando la corrente tra anodo e catodo scende a un valore basso per un tempo sufficientemente lungo da far cessare la ionizzazione del gas . Questo processo di recupero richiede da 25 a 75 μs e limita le frequenze di ripetizione del thyratron a pochi kHz .
Applicazioni
I tiratroni a bassa potenza ( tubi relè e tubi trigger ) sono stati prodotti per il controllo di lampade ad incandescenza, relè elettromeccanici o solenoidi, per contatori bidirezionali, per svolgere varie funzioni nei calcolatori Dekatron , per rilevatori di soglia di tensione nei timer RC , ecc. I tiratroni a incandescenza sono stati ottimizzati per elevata emissione di luce a scarica di gas o addirittura fosforizzata e utilizzata come registri a scorrimento autovisualizzabili in display a matrice di punti di grande formato con testo strisciante .
Un altro uso del thyratron era negli oscillatori di rilassamento . Poiché la tensione di accensione della piastra è molto più alta della tensione di spegnimento, il tubo mostra isteresi e, con un condensatore ai suoi capi, può funzionare come un oscillatore a dente di sega. La tensione sulla rete controlla la tensione di rottura e quindi il periodo di oscillazione. Gli oscillatori di rilassamento thyratron sono stati utilizzati negli inverter di potenza e nei circuiti di scansione dell'oscilloscopio .
Un tiratrone in miniatura, il triodo 6D4, ha trovato un ulteriore utilizzo come potente sorgente di rumore , quando azionato come un diodo (griglia legata al catodo) in un campo magnetico trasversale. Sufficientemente filtrato per "piattezza" (" rumore bianco ") in una banda di interesse, tale rumore è stato utilizzato per testare ricevitori radio, servosistemi e occasionalmente nell'elaborazione analogica come fonte di valori casuali .
Il tiratron miniaturizzato RK61/2 commercializzato nel 1938 è stato progettato specificamente per funzionare come un triodo sotto vuoto al di sotto della sua tensione di accensione, consentendogli di amplificare i segnali analogici come rivelatore superrigenerativo autoestinguente nei ricevitori radiocomandati , ed è stato il principale sviluppo tecnico che ha portato a lo sviluppo in tempo di guerra delle armi radiocomandate e lo sviluppo parallelo del modellismo radiocomandato come hobby.
Alcuni dei primi televisori, in particolare i modelli britannici, usavano i thyratron per oscillatori verticali (frame) e orizzontali (line).
I thyratron di media potenza hanno trovato applicazioni nei controller dei motori delle macchine utensili, dove i thyratron, operando come raddrizzatori a controllo di fase, sono utilizzati nel regolatore di armatura dell'utensile (da zero a "velocità di base", modalità "coppia costante") e nel regolatore di campo dell'utensile ( "velocità di base" a circa il doppio della modalità "velocità di base", "potenza costante"). Gli esempi includono il tornio Monarch Machine Tool 10EE, che ha utilizzato i thyratron dal 1949 fino a quando i dispositivi a stato solido non li hanno sostituiti nel 1984.
I tiratroni ad alta potenza sono ancora prodotti e sono in grado di funzionare fino a decine di kiloampere (kA) e decine di kilovolt (kV). Le applicazioni moderne includono driver di impulsi per apparecchiature radar a impulsi , laser a gas ad alta energia , dispositivi per radioterapia , acceleratori di particelle e bobine di Tesla e dispositivi simili. I thyratron sono utilizzati anche nei trasmettitori televisivi UHF ad alta potenza , per proteggere i tubi di uscita induttivi da cortocircuiti interni , mettendo a terra l'alimentazione ad alta tensione in ingresso durante il tempo necessario affinché un interruttore si apra e componenti reattivi per drenare le loro cariche immagazzinate. Questo è comunemente chiamato circuito a piede di porco .
I thyratron sono stati sostituiti nella maggior parte delle applicazioni a bassa e media potenza da corrispondenti dispositivi a semiconduttore noti come tiristori (a volte chiamati raddrizzatori controllati dal silicio o SCR) e triac . Tuttavia, il servizio di commutazione che richiede tensioni superiori a 20 kV e che comportano tempi di salita molto brevi rimane all'interno del dominio del thyratron.
Variazioni dell'idea del thyratron sono il krytron , lo sprytron , l' ignitron e lo spinterometro innescato , tutti usati ancora oggi in applicazioni speciali, come le armi nucleari (krytron) e la trasmissione di potenza AC/DC-AC (ignitron).
Esempio di un piccolo thyratron
L' 885 è un piccolo tubo thyratron, che utilizza gas argon . Questo dispositivo è stato ampiamente utilizzato nei circuiti della base dei tempi dei primi oscilloscopi negli anni '30. È stato impiegato in un circuito chiamato oscillatore di rilassamento . Durante la seconda guerra mondiale , piccoli thyratron simili all'885 furono utilizzati in coppia per costruire bistabili , le celle di "memoria" utilizzate dai primi computer e dalle macchine per la decrittazione dei codici . I thyratron sono stati utilizzati anche per il controllo dell'angolo di fase delle fonti di alimentazione a corrente alternata (CA) nei caricabatterie e nei dimmer di luce , ma di solito avevano una capacità di gestione della corrente maggiore rispetto all'885. L'885 è una variante a 2,5 volt, 5 pin basata su l'884/6Q5.
Appunti
Riferimenti
- Stokes, John, 70 anni di tubi e valvole radio, Vestal Press, NY, 1982, pp. 111-115.
- Thrower, Keith, Storia della valvola radiofonica britannica fino al 1940, MMA International, 1982, p. 30, 31, 81.
- Hull, AW, "Valvole termoioniche a gas", trad. AIEE, 47, 1928, pp. 753–763.
- Dati per il tipo 6D4, "Sylvania Engineering Data Service", 1957
- JD Cobine, JR Curry, "Generatori di rumore elettrico", Atti dell'IRE, 1947, p. 875
- Manuale di laboratorio radio ed elettronico, MG Scroggie 1971, ISBN 0-592-05950-2