Tabung ionisasi (berisi gas)

Sejauh ini, kami telah menjelajahi tabung yang benar-benar "dievakuasi" dari semua gas dan uap di dalam selubung kacanya, yang dikenal sebagai tabung vakum . Namun, dengan penambahan gas atau uap tertentu, tabung memiliki karakteristik yang sangat berbeda, dan mampu memenuhi peran khusus tertentu dalam sirkuit elektronik.

Ketika tegangan yang cukup tinggi diterapkan melintasi jarak yang ditempati oleh gas atau uap, atau ketika gas atau uap itu dipanaskan dengan cukup, elektron dari molekul gas tersebut akan terlepas dari inti masing-masing, menciptakan kondisi ionisasi . Setelah membebaskan elektron dari ikatan elektrostatiknya ke inti atom, mereka bebas bermigrasi dalam bentuk arus, membuat gas terionisasi menjadi konduktor listrik yang relatif baik. Dalam keadaan ini, gas lebih tepat disebut sebagai plasma .

Gas terionisasi bukanlah konduktor yang sempurna. Dengan demikian, aliran elektron melalui gas terionisasi akan cenderung menghilangkan energi dalam bentuk panas, sehingga membantu menjaga gas dalam keadaan ionisasi. Hasilnya adalah tabung yang akan mulai menghantarkan pada kondisi tertentu, kemudian cenderung tetap dalam keadaan konduksi sampai tegangan yang diterapkan pada gas dan/atau arus yang menghasilkan panas turun ke tingkat minimum.

Pengamat yang cerdik akan mencatat bahwa inilah tepatnya jenis perilaku yang ditunjukkan oleh kelas perangkat semikonduktor yang disebut "thyristor", yang cenderung tetap "hidup" setelah dihidupkan dan cenderung tetap "mati" setelah dimatikan. Dapat dikatakan bahwa tabung berisi gas memanifestasikan sifat histeresis yang sama ini .

Tidak seperti rekan vakum mereka, tabung ionisasi sering diproduksi tanpa filamen (pemanas) sama sekali. Ini disebut katoda dingin tabung, dengan versi yang dipanaskan ditunjuk sebagai katoda panas tabung. Apakah tabung berisi sumber panas atau tidak jelas memengaruhi karakteristik tabung berisi gas, tetapi tidak sejauh kekurangan panas akan memengaruhi kinerja tabung vakum keras.

Jenis perangkat ionisasi yang paling sederhana tidak harus tabung sama sekali; melainkan dibangun dari dua elektroda yang dipisahkan oleh celah berisi gas. Cukup disebut spark gap , celah antara elektroda dapat ditempati oleh udara sekitar, di lain waktu gas khusus, dalam hal ini perangkat harus memiliki semacam amplop tertutup.

Aplikasi utama untuk celah percikan adalah dalam perlindungan tegangan lebih. Direkayasa untuk tidak mengionisasi, atau "merusak" (mulai melakukan), dengan tegangan sistem normal diterapkan di seluruh elektroda, fungsi celah percikan adalah untuk melakukan jika terjadi peningkatan tegangan yang signifikan. Setelah melakukan, itu akan bertindak sebagai beban berat, menahan tegangan sistem turun melalui penarikan arus yang besar dan penurunan tegangan berikutnya sepanjang konduktor dan impedansi seri lainnya. Dalam sistem yang dirancang dengan baik, celah percikan akan berhenti mengalir (“padam”) ketika tegangan sistem menurun ke tingkat normal, jauh di bawah tegangan yang diperlukan untuk memulai konduksi.

Salah satu peringatan utama dari celah percikan adalah umurnya yang sangat terbatas. Pelepasan yang dihasilkan oleh perangkat semacam itu bisa sangat keras, dan dengan demikian akan cenderung merusak permukaan elektroda melalui lubang dan/atau pelelehan.

Celah percikan dapat dibuat untuk melakukan sesuai perintah dengan menempatkan elektroda ketiga (biasanya dengan ujung atau titik yang tajam) antara dua lainnya dan menerapkan pulsa tegangan tinggi antara elektroda itu dan salah satu elektroda lainnya. Pulsa akan membuat percikan kecil di antara dua elektroda, mengionisasi bagian dari jalur antara dua elektroda besar, dan memungkinkan konduksi di antara keduanya jika tegangan yang diberikan cukup tinggi:

Kesenjangan percikan baik yang dipicu maupun yang tidak dipicu dapat dibuat untuk menangani arus dalam jumlah besar, beberapa bahkan hingga kisaran mega-amp (jutaan amp)! Ukuran fisik adalah faktor pembatas utama jumlah arus yang dapat ditangani celah percikan dengan aman dan andal.

Ketika dua elektroda utama ditempatkan dalam tabung tertutup yang diisi dengan gas khusus, tabung pelepasan terbentuk. Jenis tabung pelepasan yang paling umum adalah lampu neon, yang populer digunakan sebagai sumber penerangan warna-warni, warna cahaya yang dipancarkan tergantung pada jenis gas yang mengisi tabung.

Konstruksi lampu neon sangat mirip dengan celah percikan, tetapi karakteristik operasionalnya sangat berbeda:

Dengan mengontrol jarak elektroda dan jenis gas di dalam tabung, lampu neon dapat dibuat untuk menghantarkan listrik tanpa menarik arus berlebih yang dilakukan celah percikan. Mereka masih menunjukkan histeresis karena dibutuhkan tegangan yang lebih tinggi untuk memulai konduksi daripada membuatnya "padam", dan resistansinya jelas nonlinier (semakin banyak voltase yang diterapkan di tabung, semakin banyak arus, sehingga lebih banyak panas, sehingga resistansi lebih rendah. ). Mengingat kecenderungan nonlinier ini, tegangan pada tabung neon tidak boleh melebihi batas tertentu, agar tabung tidak rusak oleh suhu yang berlebihan.

Kecenderungan nonlinier ini memberi tabung neon aplikasi selain penerangan warna-warni:ia dapat bertindak seperti dioda zener, "menjepit" tegangan melintasinya dengan menarik lebih banyak dan lebih banyak arus jika tegangan berkurang. Saat digunakan dengan cara ini, tabung ini dikenal sebagai tabung cahaya , atau tabung pengatur tegangan , dan merupakan alat pengatur tegangan yang populer pada masa desain sirkuit tabung elektron.

Harap perhatikan titik hitam yang ditemukan pada simbol tabung yang ditunjukkan di atas (dan pada simbol lampu neon yang ditunjukkan sebelumnya). Penanda itu menunjukkan tabung itu berisi gas. Ini adalah penanda umum yang digunakan di semua simbol tabung berisi gas.

Salah satu contoh tabung pijar yang dirancang untuk pengaturan tegangan adalah VR-150, dengan tegangan pengatur nominal 150 volt. Resistansinya sepanjang batas arus yang diizinkan dapat bervariasi dari 5 kΩ hingga 30 kΩ, rentang 6:1. Seperti rangkaian regulator dioda zener saat ini, regulator tabung pijar dapat digabungkan ke tabung penguat untuk pengaturan tegangan yang lebih baik dan rentang arus beban yang lebih tinggi.

Jika trioda biasa diisi dengan gas, bukan vakum keras, itu akan menunjukkan semua histeresis dan nonlinier tabung gas lainnya dengan satu keuntungan utama:jumlah tegangan yang diterapkan antara grid dan katoda akan menentukan tegangan pelat-ke katoda minimum yang diperlukan. untuk memulai konduksi. Intinya, tabung ini setara dengan semikonduktor SCR (Silicon-Controlled Rectifier), dan disebut thyratron .

Perlu dicatat bahwa skema yang ditunjukkan di atas sangat disederhanakan untuk sebagian besar tujuan dan desain tabung thyratron. Beberapa thyratron, misalnya, mengharuskan tegangan grid mengubah polaritas antara status "hidup" dan "mati" agar berfungsi dengan baik. Juga, beberapa thyratron memiliki lebih dari satu grid!

Thyratron ditemukan digunakan dengan cara yang sama seperti penggunaan SCR saat ini:mengendalikan AC yang diperbaiki ke beban besar seperti motor. Tabung thyratron telah diproduksi dengan berbagai jenis pengisian gas untuk karakteristik yang berbeda:gas inert (tidak reaktif secara kimiawi), gas hidrogen, dan merkuri (diuapkan menjadi bentuk gas saat diaktifkan). Deuterium, isotop hidrogen yang langka, digunakan dalam beberapa aplikasi khusus yang memerlukan peralihan tegangan tinggi.