Tabung Pembuangan Gas
Jika Anda pernah menyaksikan badai petir, Anda telah melihat histeresis listrik beraksi (dan mungkin tidak menyadari apa yang Anda lihat). Aksi angin kencang dan hujan mengakumulasi muatan listrik statis yang luar biasa antara awan dan bumi, dan juga antara awan. Ketidakseimbangan muatan listrik memanifestasikan dirinya sebagai tegangan tinggi, dan ketika hambatan listrik udara tidak dapat lagi menahan tegangan tinggi ini, gelombang besar arus perjalanan antara kutub berlawanan dari muatan listrik yang kita sebut "petir".
Penumpukan tegangan tinggi oleh angin dan hujan adalah proses yang cukup berkelanjutan, laju akumulasi muatan meningkat di bawah kondisi atmosfer yang tepat. Namun, petir sama sekali tidak kontinu:mereka ada sebagai lonjakan yang relatif singkat daripada pelepasan terus menerus. Kenapa ini? Mengapa kita tidak melihat busur petir yang lembut dan bersinar, bukannya baut lightning ? Jawabannya terletak pada hambatan nonlinier (dan histeris) udara.
Dalam kondisi biasa, udara memiliki jumlah resistensi yang sangat tinggi. Faktanya, ini sangat tinggi sehingga kita biasanya memperlakukan resistansinya sebagai konduksi tak terbatas dan konduksi listrik melalui udara sebagai dapat diabaikan. Kehadiran air dan debu di udara menurunkan resistensinya, tetapi masih merupakan isolator untuk sebagian besar tujuan praktis. Namun, ketika tegangan tinggi yang cukup diterapkan melintasi jarak udara, sifat listriknya berubah:elektron menjadi "dilucuti" dari posisi normalnya di sekitar atom masing-masing dan dibebaskan untuk membentuk arus. Dalam keadaan ini, udara dianggap terionisasi dan disebut plasma daripada gas. Penggunaan kata "plasma" ini jangan dikacaukan dengan istilah medis (artinya bagian cairan darah), tetapi merupakan wujud materi keempat, tiga lainnya adalah padat, cair, dan uap (gas). Plasma adalah konduktor listrik yang relatif baik, resistansi spesifiknya jauh lebih rendah daripada zat yang sama dalam keadaan gas.
Saat arus listrik bergerak melalui plasma, ada energi yang hilang dalam plasma dalam bentuk panas, sama seperti arus yang melalui resistor padat menghilangkan energi dalam bentuk panas. Dalam kasus petir, suhu yang terlibat sangat tinggi. Temperatur tinggi juga cukup untuk mengubah udara gas menjadi plasma atau mempertahankan plasma dalam keadaan itu tanpa adanya tegangan tinggi. Ketika tegangan antara awan dan bumi, atau antara awan dan awan, berkurang karena ketidakseimbangan muatan dinetralisir oleh arus petir, panas yang dihamburkan oleh baut mempertahankan jalur udara dalam keadaan plasma, menjaga resistansinya tetap rendah. Baut petir tetap menjadi plasma sampai tegangan turun ke tingkat yang terlalu rendah untuk mempertahankan arus yang cukup untuk menghilangkan panas yang cukup. Akhirnya, udara kembali ke keadaan gas dan berhenti mengalirkan arus, sehingga memungkinkan tegangan untuk meningkat sekali lagi.
Perhatikan bagaimana sepanjang siklus ini, udara menunjukkan histeresis. Saat tidak menghantarkan listrik, ia cenderung tetap menjadi isolator sampai tegangan menumpuk melewati titik ambang kritis. Kemudian, setelah berubah status dan menjadi plasma, ia cenderung tetap menjadi konduktor sampai tegangan turun di bawah titik ambang kritis yang lebih rendah. Setelah "dihidupkan" cenderung tetap "aktif", dan setelah "dimatikan" cenderung tetap "mati". Histeresis ini, dikombinasikan dengan peningkatan tegangan yang stabil karena efek elektrostatik dari angin dan hujan, menjelaskan aksi petir sebagai semburan singkat.
Osilator Relaksasi
Dalam istilah elektronik, apa yang kita miliki di sini dalam aksi petir adalah osilator relaksasi sederhana. . Osilator adalah sirkuit elektronik yang menghasilkan tegangan berosilasi (AC) dari pasokan daya DC yang stabil. Osilator relaksasi adalah osilator yang bekerja berdasarkan prinsip kapasitor pengisian yang tiba-tiba habis setiap kali tegangannya mencapai nilai ambang kritis. Salah satu osilator relaksasi paling sederhana yang ada terdiri dari tiga komponen (tidak termasuk catu daya DC):resistor, kapasitor, dan lampu neon pada Gambar di bawah.
Lampu neon tidak lebih dari dua elektroda logam di dalam bola kaca tertutup, dipisahkan oleh gas neon di dalamnya. Pada suhu kamar dan tanpa tegangan yang diberikan, lampu memiliki hambatan yang hampir tak terbatas. Namun, setelah tegangan ambang batas tertentu terlampaui (tegangan ini tergantung pada tekanan gas dan geometri lampu), gas neon akan menjadi terionisasi (berubah menjadi plasma) dan resistansinya berkurang drastis. Akibatnya, lampu neon menunjukkan karakteristik yang sama seperti udara dalam badai petir, lengkap dengan emisi cahaya sebagai akibat dari pelepasan, meskipun dalam skala yang jauh lebih kecil.
Kapasitor dalam rangkaian osilator relaksasi yang ditunjukkan di atas bermuatan pada laju eksponensial terbalik yang ditentukan oleh ukuran resistor. Ketika tegangannya mencapai tegangan ambang lampu, lampu tiba-tiba "menyala" dan dengan cepat melepaskan kapasitor ke nilai tegangan rendah. Setelah habis, lampu "mati" dan memungkinkan kapasitor untuk membangun muatan sekali lagi. Hasilnya adalah serangkaian kilatan cahaya singkat dari lampu, yang kecepatannya ditentukan oleh voltase baterai, resistansi resistor, kapasitansi kapasitor, dan voltase ambang lampu.
Tabung Thyratron
Sementara lampu pelepasan gas lebih umum digunakan sebagai sumber penerangan, sifat histerisnya dimanfaatkan dalam varian yang sedikit lebih canggih yang dikenal sebagai tabung thyratron . Pada dasarnya tabung triode berisi gas (triode menjadi tabung elektron vakum tiga elemen yang melakukan banyak fungsi yang mirip dengan saluran-N, IGFET tipe-D), tabung thyratron dapat dihidupkan dengan tegangan kontrol kecil yang diterapkan di antara kisi-kisi. dan katoda, dan dimatikan dengan mengurangi tegangan pelat-ke-katoda.
Sirkuit kontrol thyratron sederhana
Intinya, tabung thyratron dikendalikan versi lampu neon yang dibuat khusus untuk mengalihkan arus ke beban. Titik di dalam lingkaran simbol skematis menunjukkan pengisian gas, berbeda dengan vakum keras yang biasanya terlihat pada desain tabung elektron lainnya. Dalam rangkaian yang ditunjukkan di atas, tabung thyratron memungkinkan arus melalui beban dalam satu arah (perhatikan polaritas melintasi resistor beban) ketika dipicu oleh tegangan kontrol DC kecil yang terhubung antara grid dan katoda. Perhatikan bahwa sumber daya beban adalah AC, yang memberikan petunjuk tentang bagaimana thyratron mati setelah dipicu:karena tegangan AC secara berkala melewati kondisi 0 volt antara setengah siklus, arus melalui beban bertenaga AC harus juga berhenti secara berkala. Jeda arus yang singkat di antara setengah siklus ini memberi waktu gas tabung untuk mendingin, membiarkannya kembali ke keadaan "mati" normal. Konduksi dapat dilanjutkan hanya jika tegangan yang cukup diterapkan oleh sumber daya AC (beberapa waktu lain dalam siklus gelombang) dan jika tegangan kontrol DC mengizinkannya.
Tampilan osiloskop tegangan beban dalam rangkaian seperti itu akan terlihat seperti Gambar di bawah ini.
Bentuk gelombang Thyratron
Saat tegangan suplai AC naik dari nol volt ke puncak pertama, tegangan beban tetap nol (tidak ada arus beban) sampai tegangan ambang tercapai. Pada saat itu, tabung beralih "on" dan mulai berjalan, tegangan beban sekarang mengikuti tegangan AC melalui sisa setengah siklus. Tegangan beban ada (dan dengan demikian arus beban) bahkan ketika bentuk gelombang tegangan AC telah turun di bawah nilai ambang batas tabung. Ini adalah histeresis yang bekerja:tabung tetap dalam mode konduktif melewati titik di mana ia pertama kali dihidupkan, terus berjalan sampai di sana tegangan suplai turun menjadi hampir nol volt. Karena tabung thyratron adalah perangkat satu arah (dioda), tidak ada tegangan yang berkembang melintasi beban melalui setengah siklus negatif AC. Dalam rangkaian thyratron praktis, beberapa tabung disusun dalam beberapa bentuk rangkaian penyearah gelombang penuh untuk memfasilitasi daya DC gelombang penuh ke beban.
Tabung thyratron telah diterapkan ke sirkuit osilator relaksasi. Frekuensi dikendalikan oleh tegangan DC kecil antara grid dan katoda. (Lihat Gambar di bawah) Osilator yang dikontrol tegangan ini dikenal sebagai VCO. Osilator relaksasi menghasilkan output yang sangat non-sinusoidal, dan sebagian besar ada sebagai sirkuit demonstrasi (seperti yang terjadi di sini) atau dalam aplikasi di mana bentuk gelombang kaya harmonik diinginkan.
Osilator relaksasi thyratron yang dikontrol tegangan
Saya berbicara tentang tabung thyratron di masa lalu untuk alasan yang baik:komponen semikonduktor modern telah usang teknologi tabung thyratron untuk semua kecuali beberapa aplikasi yang sangat khusus. Bukan kebetulan bahwa kata thyristor sangat mirip dengan kata thyratron , untuk kelas komponen semikonduktor ini melakukan hal yang hampir sama:gunakan histeris menghidupkan dan mematikan arus. Perangkat modern inilah yang sekarang menjadi perhatian kita.
TINJAUAN:
- Listrik histerisis , kecenderungan komponen untuk tetap “hidup” (konduktor) setelah mulai konduksi dan tetap “mati” (nonkonduktor) setelah berhenti konduksi, membantu menjelaskan mengapa sambaran petir ada sebagai lonjakan arus sesaat daripada pelepasan kontinu melalui udara.
- Tabung pelepasan gas sederhana seperti lampu neon menunjukkan histeresis listrik.
- Tabung pelepasan gas yang lebih canggih telah dibuat dengan elemen kontrol sehingga voltase "nyala"nya dapat disesuaikan dengan sinyal eksternal. Yang paling umum dari tabung ini disebut thyratron .
- Rangkaian osilator sederhana yang disebut osilator relaksasi dapat dibuat dengan tidak lebih dari jaringan pengisian resistor-kapasitor dan perangkat histeris yang terhubung melalui kapasitor.
LEMBAR KERJA TERKAIT:
