Tubos de descarga de gas

Si alguna vez ha sido testigo de una tormenta eléctrica, ha visto histéresis eléctrica en acción (y probablemente no se dio cuenta de lo que estaba viendo). La acción del viento fuerte y la lluvia acumula tremendas cargas eléctricas estáticas entre la nube y la tierra, y también entre las nubes. Los desequilibrios de carga eléctrica se manifiestan como altos voltajes, y cuando la resistencia eléctrica del aire ya no puede mantener a raya estos altos voltajes, enormes oleadas de corriente viajan entre polos opuestos de carga eléctrica que llamamos "relámpagos".

La acumulación de altos voltajes por el viento y la lluvia es un proceso bastante continuo, la tasa de acumulación de carga aumenta en las condiciones atmosféricas adecuadas. Sin embargo, los rayos son cualquier cosa menos continuos:existen como sobretensiones relativamente breves en lugar de descargas continuas. ¿Por qué es esto? ¿Por qué no vemos arcos de relámpagos suaves y brillantes en lugar de relámpagos violentamente breves? ? La respuesta está en la resistencia no lineal (e histerética) del aire.

En condiciones normales, el aire tiene una resistencia extremadamente alta. De hecho, es tan alto que normalmente tratamos su resistencia como infinita y la conducción eléctrica a través del aire como insignificante. La presencia de agua y polvo en el aire reduce un poco su resistencia, pero sigue siendo un aislante para la mayoría de los propósitos prácticos. Sin embargo, cuando se aplica suficiente voltaje alto a través de una distancia de aire, sus propiedades eléctricas cambian:los electrones se “despojan” de sus posiciones normales alrededor de sus respectivos átomos y se liberan para constituir una corriente. En este estado, el aire se considera ionizado . y se llama plasma en lugar de gas. Este uso de la palabra "plasma" no debe confundirse con el término médico (que significa la porción líquida de la sangre), sino que es un cuarto estado de la materia, los otros tres son sólido, líquido y vapor (gas). El plasma es un conductor de electricidad relativamente bueno, su resistencia específica es mucho menor que la de la misma sustancia en su estado gaseoso.

Cuando una corriente eléctrica se mueve a través del plasma, hay energía disipada en el plasma en forma de calor, al igual que la corriente a través de una resistencia sólida disipa energía en forma de calor. En el caso de los rayos, las temperaturas involucradas son extremadamente altas. Las altas temperaturas también son suficientes para convertir el aire gaseoso en plasma o mantener el plasma en ese estado sin la presencia de alto voltaje. A medida que el voltaje entre la nube y la tierra, o entre la nube y la nube, disminuye a medida que el desequilibrio de carga es neutralizado por la corriente del rayo, el calor disipado por el rayo mantiene la trayectoria del aire en un estado de plasma, manteniendo baja su resistencia. El rayo sigue siendo un plasma hasta que el voltaje disminuye a un nivel demasiado bajo para sostener la corriente suficiente para disipar suficiente calor. Finalmente, el aire regresa a un estado gaseoso y deja de conducir corriente, lo que permite que el voltaje se acumule una vez más.

Observe cómo a lo largo de este ciclo, el aire presenta histéresis. Cuando no conduce electricidad, tiende a permanecer como aislante hasta que el voltaje se acumule más allá de un umbral crítico. Luego, una vez que cambia de estado y se convierte en plasma, tiende a seguir siendo un conductor hasta que el voltaje caiga por debajo de un punto de umbral crítico más bajo. Una vez "encendido", tiende a permanecer "encendido", y una vez "apagado" tiende a permanecer "apagado". Esta histéresis, combinada con una acumulación constante de voltaje debido a los efectos electrostáticos del viento y la lluvia, explica la acción de los rayos en forma de ráfagas breves.

Osciladores de relajación

En términos electrónicos, lo que tenemos aquí en la acción del rayo es un simple oscilador de relajación . Los osciladores son circuitos electrónicos que producen un voltaje oscilante (CA) a partir de un suministro constante de energía CC. Un oscilador de relajación es aquel que funciona según el principio de un condensador de carga que se descarga repentinamente cada vez que su voltaje alcanza un valor de umbral crítico. Uno de los osciladores de relajación más simples que existen se compone de tres componentes (sin contar la fuente de alimentación de CC):una resistencia, un condensador y una lámpara de neón en la Figura siguiente.

Las lámparas de neón no son más que dos electrodos metálicos dentro de una bombilla de vidrio sellada, separados por el gas de neón en el interior. A temperatura ambiente y sin voltaje aplicado, la lámpara tiene una resistencia casi infinita. Sin embargo, una vez que se excede un cierto voltaje umbral (este voltaje depende de la presión del gas y la geometría de la lámpara), el gas neón se ionizará (se convertirá en plasma) y su resistencia se reducirá drásticamente. En efecto, la lámpara de neón exhibe las mismas características que el aire en una tormenta eléctrica, además de la emisión de luz como resultado de la descarga, aunque en una escala mucho menor.

El capacitor en el circuito del oscilador de relajación que se muestra arriba se carga a una tasa exponencial inversa determinada por el tamaño de la resistencia. Cuando su voltaje alcanza el voltaje de umbral de la lámpara, la lámpara repentinamente "se enciende" y descarga rápidamente el capacitor a un valor de voltaje bajo. Una vez descargada, la lámpara "se apaga" y permite que el capacitor acumule una carga una vez más. El resultado es una serie de breves destellos de luz de la lámpara, cuya velocidad está determinada por el voltaje de la batería, la resistencia del resistor, la capacitancia del capacitor y el voltaje de umbral de la lámpara.

Tubos de Thyratron

Si bien las lámparas de descarga de gas se utilizan más comúnmente como fuentes de iluminación, sus propiedades histeréticas se aprovecharon en variantes un poco más sofisticadas conocidas como tubos de thyratron . Esencialmente un tubo de triodo lleno de gas (un triodo es un tubo de electrones de vacío de tres elementos que realiza una función muy similar al canal N, IGFET de tipo D), el tubo de tiratrón podría encenderse con un pequeño voltaje de control aplicado entre la rejilla y cátodo, y se apaga reduciendo el voltaje de placa a cátodo.

Circuito de control de tiratrón simple

En esencia, los tubos de thyratron estaban controlados Versiones de lámparas de neón construidas específicamente para cambiar la corriente a una carga. El punto dentro del círculo del símbolo esquemático indica un llenado de gas, a diferencia del vacío intenso que normalmente se ve en otros diseños de tubos de electrones. En el circuito que se muestra arriba, el tubo de thyratron permite la corriente a través de la carga en una dirección (tenga en cuenta la polaridad a través de la resistencia de carga) cuando se activa por el pequeño voltaje de control de CC conectado entre la red y el cátodo. Tenga en cuenta que la fuente de alimentación de la carga es CA, lo que proporciona una pista sobre cómo se apaga el tiratrón después de activarse:dado que el voltaje CA pasa periódicamente a través de una condición de 0 voltios entre los medios ciclos, la corriente a través de una carga alimentada por CA debe también se detiene periódicamente. Esta breve pausa de la corriente entre los medios ciclos le da tiempo al gas del tubo para que se enfríe, lo que le permite volver a su estado normal de "apagado". La conducción puede reanudarse solo si la fuente de alimentación de CA aplica suficiente voltaje (en algún otro momento del ciclo de la onda) y si el voltaje de control de CC lo permite.

Una pantalla de osciloscopio de voltaje de carga en un circuito de este tipo se vería como en la Figura siguiente.

Formas de onda de Thyratron

A medida que el voltaje de suministro de CA sube de cero voltios a su primer pico, el voltaje de carga permanece en cero (corriente sin carga) hasta que se alcanza el voltaje de umbral. En ese punto, el tubo se “enciende” y comienza a conducir, el voltaje de carga ahora sigue al voltaje de CA durante el resto del medio ciclo. Existe voltaje de carga (y, por lo tanto, corriente de carga) incluso cuando la forma de onda de voltaje de CA ha caído por debajo del valor umbral del tubo. Esto es histéresis en funcionamiento:el tubo permanece en su modo conductor más allá del punto donde se encendió por primera vez, y continúa conduciendo hasta que el voltaje de suministro cae a casi cero voltios. Debido a que los tubos de tiratrón son dispositivos unidireccionales (diodos), no se desarrolla voltaje a través de la carga a través del semiciclo negativo de CA. En los circuitos prácticos de tiratrón, varios tubos dispuestos en alguna forma de circuito rectificador de onda completa para facilitar la alimentación de CC de onda completa a la carga.

El tubo de tiratrón se ha aplicado a un circuito oscilador de relajación. La frecuencia está controlada por una pequeña tensión de CC entre la rejilla y el cátodo. (Consulte la figura siguiente) Este oscilador controlado por voltaje se conoce como VCO. Los osciladores de relajación producen una salida muy no sinusoidal y existen principalmente como circuitos de demostración (como es el caso aquí) o en aplicaciones donde la forma de onda rica en armónicos es deseable.

Oscilador de relajación de tiratrón controlado por voltaje

Hablo de los tubos de thyratron en tiempo pasado por una buena razón:los componentes semiconductores modernos han dejado obsoleta la tecnología de los tubos de thyratron para todas las aplicaciones, salvo unas pocas muy especiales. No es casualidad que la palabra tiristor tiene tanta similitud con la palabra thyratron , para esta clase de componentes semiconductores hace lo mismo:use hysteretic enciende y apaga la corriente. Son estos dispositivos modernos a los que ahora dirigimos nuestra atención.

REVISAR:

• Histéresis eléctrica , la tendencia de un componente a permanecer "encendido" (conduciendo) después de que comienza a conducir y a permanecer "apagado" (no conductor) después de que deja de conducir, ayuda a explicar por qué los rayos existen como sobrecargas momentáneas de corriente en lugar de descargas continuas a través del aire.
• Los tubos de descarga de gas simples, como las lámparas de neón, exhiben histéresis eléctrica.
• Se han fabricado tubos de descarga de gas más avanzados con elementos de control para que su voltaje de "encendido" se pueda ajustar mediante una señal externa. El más común de estos tubos se llamó thyratron .
• Circuitos osciladores simples llamados osciladores de relajación puede crearse con nada más que una red de carga resistor-condensador y un dispositivo histerético conectado a través del condensador.

HOJA DE TRABAJO RELACIONADA:

• Hoja de trabajo de tiristores