Tabung Ionisasi Terisi Gas: Prinsip, Tipe, dan Aplikasi

Hingga saat ini kita telah memeriksa tabung vacum, yang sepenuhnya dikosongkan dari gas dan uap. Memperkenalkan gas atau uap tertentu ke dalam amplop mengubah perilaku tabung, memungkinkannya untuk melakukan fungsi spesial dalam rangkaian elektronik.

Menerapkan tegangan yang cukup tinggi di seluruh area yang terisi gas, atau memanaskannya, mencabut elektron dari inti atom mereka—proses yang disebut ionisasi. Elektron yang dibebaskan drift sebagai arus listrik, mengubah gas menjadi plasma konduktif.

Meskipun gas yang terionisasi bukan konduktor sempurna, resistansinya menyebabkan energi dilepaskan sebagai panas. Pemanasan mandiri ini mempertahankan ionisasi, jadi setelah tabung mulai menghantarkan ia tetap menyala hingga tegangan atau arus yang diterapkan jatuh di bawah ambang batas.

Perilaku ini mencerminkan thyristor, yang menunjukkan histeresis: mereka tetap menyala setelah dipicu dan tetap mati hingga dide-trigger. Tabung ionisasi juga menunjukkan histeresis.

Berbeda dengan tabung vacum, tabung ionisasi sering dibangun tanpa filamen—disebut tabung katoda dingin—sedangkan yang memiliki pemanas disebut tabung katoda panas. Kehadiran panas mengubah karakteristik tabung, meskipun efeknya tidak seprononst di tabung vacum.

Perangkat ionisasi paling dasar sering bukan tabung tetapi selang percikan: dua elektroda yang dipisahkan oleh ruang yang terisi gas. Selang dapat diisi dengan udara ambien atau gas khusus, yang terakhir memerlukan wadah yang tereduk.

Selang percikan banyak digunakan untuk perlindungan kelebihan tegangan. Dirancang untuk tetap non-konduktif di bawah tegangan normal, mereka memicu ketika tegangan naik secara tajam. Saat menghantarkan, mereka menarik arus besar, menciptakan penurunan tegangan yang menclamp sistem. Ketika tegangan jatuh di bawah level breakdown, selah padam.

Keterbatasan utama dari selang percikan adalah umur yang terbatas. Discharge yang intens mengerosi permukaan elektroda dengan berlubang atau meleleh.

Selang percikan dapat dipicu dengan sengaja dengan memasukkan elektroda ketiga, runcing, dan memulsinya dengan tegangan tinggi. Percikan yang diinduksi mengionisasi sebagian jalur di antara elektroda utama, memungkinkan konduksi jika tegangan yang diterapkan melebihi ambang breakdown.

Kedua selang percikan yang dipicu dan tidak dipicu dapat menangani arus besar, bahkan hingga mega-ampere. Keterbatasan utama adalah ukuran fisik elektroda dan wadah.

Menutup elektroda dalam tabung yang tereduk dengan gas khusus menciptakan tabung discharge. Contoh paling familiar adalah lampu neon, di mana warna glow bergantung pada gas yang digunakan.

Lampu neon berbagi konstruksi yang serupa dengan selang percikan, namun mereka beroperasi berbeda:

Menyesuaikan jarak elektroda dan jenis gas memungkinkan lampu neon menghantarkan pada arus modest. Mereka masih menunjukkan histeresis—tegangan ignisi lebih tinggi dari tegangan pemadaman—dan memiliki resistansi non-linear: tegangan yang lebih tinggi menghasilkan arus lebih tinggi, lebih banyak panas, dan resistansi lebih rendah. Melebihi tegangan desain berisiko overheating dan kerusakan.

Perilaku non-linear juga membuat tabung neon berguna sebagai regulator tegangan, berfungsi seperti dioda zener dengan menarik lebih banyak arus saat tegangan jatuh. Dalam peran itu mereka disebut tabung glow atau regulator tegangan dan umum dalam rangkaian era tabung awal.

Perhatikan titik hitam dalam simbol tabung di atas—dan dalam simbol lampu neon. Ini menunjukkan tabung yang terisi gas, konvensi standar dalam skematik tabung.

Tabung glow regulator tegangan tipikal adalah VR-150, yang mempertahankan output nominal 150 V. Resistansinya bervariasi dari 5 kΩ hingga 30 kΩ—rentang 6:1—memungkinkan kopling ke penguat tabung untuk regulasi yang ditingkatkan dan arus beban yang lebih tinggi, analog dengan dioda zener modern.

Tabung trioda yang terisi gas berperilaku seperti tabung gas lainnya namun menawarkan manfaat tambahan: tegangan grid-ke-katoda menetapkan tegangan plat-ke-katoda minimum yang diperlukan untuk menyala. Secara efektif, ia berfungsi sebagai sepadan tabung gas dari SCR semikonductor, dikenal sebagai thyratron.

Skematik ini adalah penyederhanaan. Beberapa thyratron memerlukan tegangan grid untuk berubah polaritas antara kondisi menyala dan mati, dan beberapa memiliki banyak grid.

Thyratron digunakan sama seperti SCR, mengatur AC teredresser untuk beban besar seperti motor. Produsen bervariasi isian gas—gas iners, hidrogen, uap merkuri, atau bahkan deuterium—untuk menyesuaikan performa untuk switching tegangan tinggi.