Існує велика група приладів, які наповнені газом при зниженому тиску (у порівнянні з атмосферним) і в яких при проходженні струму через внутрішній простір вільними носіями зарядів є не лише електрони, але і заряджені частинки газу – іони. Такі прилади називаються іонними (або газорозрядними). Застосування іонних приладів дуже широкі і різноманітні, а проте в практиці радіоаматора вони зустрічаються набагато рідше, ніж електронні лампи й напівпровідникові прилади, а тому можна обмежитися лише короткими відомостями про них.

Уявімо собі газове середовище з пониженим тиском, крізь яку пролітає електрон, що знаходиться під дією електричного поля. Якщо він володіє достатньою швидкістю, то при зіткненні з молекулою газу він розщеплює її, вибиваючи нові електрони. Молекула з нейтральної перетворюється в позитивний іон, який в порівнянні з електроном володіє великою масою. Замість одного електрона в просторі будуть знаходитися вже два електрони. Кожен з них, притягаючи до анода і набуваючи кінетичну енергію, може на своєму шляху розщеплювати ще по одній молекулі. Тоді в просторі будуть існувати три іона і чотири вільних електрона. Так відбувається іонізація газу, причому можливо лавиноподібне наростання числа іонів і електронів. Іонізований газ з великим і рівною кількістю електронів і іонів називається плазмою.

Потік електронів робить рух до аноду, потік утворюються іонів більш повільно рухається до катода в напрямку силових ліній електричного поля. Крім цих упорядкованих рухів, електрони та іони здійснюють хаотичні рухи по всіх напрямах; є та чи інша ймовірність зіткнення і рекомбінації (возз'єднання) електрона і іона з утворенням нейтральної молекули. Режим роботи іонного приладу вважається сталим, якщо число атомів, що розщеплюються за деякий час, дорівнює кількості атомів, що відновлюються за той же час шляхом рекомбінації.

Рис. 8-42. Неонова лампа.

а – схема дослідження властивостей лампи; б – Розподіл
потенціалу в лампі.

Якщо на розщеплення атома (тобто на іонізацію) витрачається якась кількість енергії анодного живлення, то при рекомбінації енергія звільняється, виділяючись зазвичай у вигляді світла: у більшості випадків іонні прилади світяться при нормальній роботі (в електронних ж лампах світіння зазвичай служить ознакою втрати вакууму з можливим виходом лампи з ладу).

Ми розглянемо два класи іонних приладів: прилади з тліючим разрядомі прилади сдуговим розрядом.

Тліючий розряд підтримується за рахунок емісії катода під ударами іонів. Тому прилади з тліючим розрядом називаються інакше приладами схолодним катодом (на відміну від катодів з термоелектронної емісією, нам вже відомих).

Найпростішим прикладом іонного приладу з холодним катодом може служити неонова лампа. Вона являє собою трубку, наповнену неоном при зниженому тиску. У балон неонової лампи упаяні два електроди – Анод і катод холодний. При збільшенні напруги до деякого значення, що залежить для даного газу від його тиску і від відстані між електродами, в лампі з'являється світіння. Вимірювальний прилад починає реєструвати струм в ланцюзі лампи (мал. 8-42, а). Це значення напруги називають напругою запалювання лампи.

Виникнення струму при холодному катоді відбувається внаслідок того, що в газі завжди є деяка кількість іонів. Під дією досить сильного електричного поля позитивні іони рухаються до катода і, вдаряючись об його поверхню, вибивають з нього електрони. Вільні електрони прямують до аноду і, зустрічаючись з молекулами газу, розщеплюють їх, тобто іонізують газ. Саме такий газовий розряд, що відбувається під дією тільки напруги між електродами, називається самостійним тліючим розрядом. Безперервного процесу тліючого розряду властиво світіння газу та проходження струму порядку одиниць і Десятків міліампер.

Напруга і, включене між електродами лампи, розподіляється в ній нерівномірно (рис. 8-42, б). Справа в тому, що позитивні іони, що рухаються до катода, утворюють навколо нього іонний просторовий заряд з високим позитивним потенціалом. Напруга джерела, долає дію іонного заряду, падає переважно в безпосередній близькості від катода («катодне падіння»). Тому розподіл потенціалу по довжині лампи l (від катода k до анода а) має закономірність, зображену на рис. 8-42, б.

При малому струмі світіння спостерігається на невеликій ділянці над поверхнею катода. Якщо струм через лампу збільшувати, світіння буде поступово поширюватися на всю поверхню катода; збільшення ж «працює» поверхні катода призведе до подальшого підвищення струму. Але при цьому катодне падіння напруги не зміниться і буде зберігати свою нормальну величину, що становить для неону, наприклад, від 70 до 150 в, в залежності від матеріалу катода.

Підвищуючи далі напруга на лампі, можна дійти до такого значення, при якому катод, нагріте іонним бомбардуванням до високої температури, виявиться в змозі давати термоелектронної емісію. Тоді еміттіруемие електрони зможуть компенсувати іонний просторовий заряд, а характер розряду перейде з тліючого в дугового; при дуговому розряді катод неонової лампи руйнується. Щоб уникнути небезпеки дугового розряду неонова лампа завжди включається через додатковий опір, яке може бути розташоване в цоколі самої лампи або ж поза лампи.

Якщо ж зменшувати напругу на затискачах світиться лампи, то струм припиниться і світіння зникне при напрузі згасання, яке нижче, ніж напруга запалювання.

Неонові лампи застосовуються для світлової сигналізації на розподільних щитах і панелях апаратури, а також як індикаторів напруг, особливо високої частоти.

У кілька зміненої конструкції прилади тліючого самостійного розряду використовуються в стабілізаторах напруги електроживлення радіоапаратури; такі прилади називаються стабілітронами. Електроди стабілітрона найчастіше мають форму циліндрів, причому в більший по діаметру циліндр-катод входить менший циліндр-анод. Принцип дії стабілітрона базується на постійності катодного падіння напруги при тліючому розряді.

На рис. 8-43 приведена схема включення стабілітрона між джерелом постійної напруги Е і деяким споживачем – опором навантаження Rн. Послідовно в ланцюг харчування включено баластні опір Rб, а стабілітрон підключений до споживача паралельно. Значить, напруга на споживачі (навантаженні) Uн завжди дорівнює напрузі на стабілітрон Uз, Тобто практично дорівнює його катодного падіння »Надлишок напруги джерела падає на баластному опорі, і можливі зміни напруги джерела відображаються тільки на величину цього надлишку. Зрозуміло, включення стабілізатора викликає додаткову витрату енергії джерела електроживлення як в опорі Rб, так і в самому стабилитроне.

Необхідно сказати, що останнім часом поряд з іонними стабілітронами використовуються також кремнієві діоди – стабілітрони на напругу стабілізації близько 10 в.

Рис. 8-43. Схема включення ста білітрона.

Перейдемо до приладів, які мають нагрітий катод і характеризуються постійним розрядом дугового характеру. Такі прилади поряд з кенотрона і напівпровідниковими діодами широко застосовуються в силових випрямних пристроях. Переважне застосування іонні прилади мають у пристроях електроживлення радіопередавачів. Сучасним видом іонного випрямного приладу є т і-

р а трон з нагрівається катодом. Він дозволяє створити випрямляч з економічною регулюванням величини випрямленого струму. Схематично пристрій тиратрона на невелику потужність представлено на рис. 8-44; тут же дано його умовне зображення. Тиратрон має три електроди: анод, сітку і катод (прямого або непрямого розжарення).

Рис. 8-44. Пристрій і умовне зображення тиратрона

Якщо встановити велике негативне сіткове напругу і потім включити позитивне напруга на анод, то струм в анодному ланцюзі буде практично відсутній (ділянка АВ на рис.8-45, а): негативно заряджена сітка гальмує рух електронів, еміттіруемих катодом. При поступовому зменшенні негативного сіткового напруги поле, яке гальмує рух електронів, послаблюється. При деякому значенні сіткової напруги (точка В на рис. 8-45, а) електрони долають гальмує дію сітки і під дією поля анода набувають енергію, достатню для іонізації інертного газу або пари ртуті, що заповнюють балон тиратрона. Відбудеться запалювання тиратрона. Анодний струм різко зросте (ділянка НД на рис. 8-45, а). Після того напруга на сітці вже не впливає на величину анодного струму, тому що велика кількість позитивних іонів своїм полем компенсує гальмує полі сітки (ділянка DE на рис. 8-45, а). Величина анодного струму визначається додатковим опором у ланцюзі анода. Погасити тиратрон можна лише шляхом зменшення анодного напруги.

Якщо підвищити анодна напруга, то спалах тиратрона відбудеться при більш негативному сітковому напрузі і анодний струм досягне більшого значення. Якщо включати на сітку напруги

різної величини і щоразу вимірювати запалююче анодна напруга U3, то ми отримаємо так звану пускову характеристику тиратрона (рис. 8-45, б). Отже, коли анод тиратрона харчується змінною напругою, то вибір сіткового зсуву визначає момент (фазу) спалаху тиратрона і тим самим визначає

час проходження випрямленого струму через нього протягом періоду напруги живлення. Завдяки такій властивості виявляється можливим регулювати випрямлена напруга і випрямлений струм при незмінному нагрузочном опорі, в чому і полягає гідність тиратрона в порівнянні з випрямними діодами. Поряд із застосуванням у випрямлячах тиратрони широко використовуються для замикання ланцюгів сильного струму за допомогою джерела напруги малої потужності (як реле разової дії).