Искровой разрядник

Искровой промежуток состоит из двух проводящих электродов, разделенных зазором, обычно заполненным газом, например воздухом , предназначенным для прохождения электрической искры между проводниками. Когда разность потенциалов между проводниками превышает напряжение пробоя газа внутри зазора, образуется искра , ионизирующая газ и резко снижающая его электрическое сопротивление . Затем электрический ток течет до тех пор, пока путь ионизированного газа не будет нарушен или ток не упадет ниже минимального значения, называемого «ток удержания». Обычно это происходит при падении напряжения , но в некоторых случаях происходит, когда нагретый газ поднимается вверх, растягивая, а затем разрывая нить ионизированного газа. Обычно действие ионизации газа является сильным и разрушительным, что часто приводит к появлению звука (от щелчка свечи зажигания до грома при разряде молнии ), света и тепла .

Искровые разрядники исторически использовались в раннем электрооборудовании, таком как радиопередатчики с искровым разрядником , электростатические машины и рентгеновские аппараты . Сегодня их наиболее широкое применение нашли в свечах зажигания для зажигания топлива в двигателях внутреннего сгорания , но они также используются в молниеотводах и других устройствах для защиты электрооборудования от переходных процессов высокого напряжения.

Напряжение пробоя

Для воздуха пробойная прочность составляет около 30 кВ/см на уровне моря. ^[1]

Видимость искры

Свет, излучаемый искрой, исходит не от тока самих электронов , а от материальной среды, флюоресцирующей в ответ на столкновения электронов. Когда электроны сталкиваются с молекулами воздуха в зазоре, они возбуждают свои орбитальные электроны на более высокие энергетические уровни . Когда эти возбужденные электроны возвращаются на свои первоначальные энергетические уровни, они излучают энергию в виде света. не может образоваться видимая искра В вакууме . Без вмешательства материи, способной к электромагнитным переходам, искра будет невидима (см. Вакуумная дуга ).

Приложения

Искровые разрядники необходимы для функционирования ряда электронных устройств.

Устройства зажигания

Свеча зажигания . Искровой разрядник находится внизу.

Свеча зажигания использует искровой промежуток для инициирования горения . Тепло ионизационного следа, но, что более важно, УФ-излучение и горячие свободные электроны (оба вызывают образование реактивных свободных радикалов) ^{[ нужна ссылка ]} воспламенить топливно-воздушную смесь внутри двигателя внутреннего сгорания или горелки в печи, духовке или плите. Чем больше УФ-излучения вырабатывается и успешно распространяется в камеру сгорания, тем дальше протекает процесс горения. ^{[ нужна ссылка ]}

поджигалась Водородно-кислородная топливная смесь главного двигателя космического корабля искровым воспламенителем. ^[2]

Защитные устройства

Искровые разрядники часто используются для предотвращения скачками напряжения повреждения оборудования . Искровые разрядники применяются в высоковольтных выключателях , больших силовых трансформаторах , на электростанциях и электрических подстанциях . Такие переключатели состоят из большого переключающего ножа с дистанционным управлением, шарнира в качестве одного контакта и двух пластинчатых пружин, удерживающих другой конец в качестве второго контакта. Если лезвие открыто, искра может сохранить проводимость соединения между лезвием и пружиной. Искра ионизирует воздух, который становится проводящим и позволяет сформировать дугу, которая поддерживает ионизацию и, следовательно, проводимость. на Лестница Джейкоба вершине выключателя приведет к тому, что дуга поднимется и в конечном итоге погаснет. Также можно встретить небольшие лестницы Якоба, установленные на керамических изоляторах высоковольтных опор. Их иногда называют роговыми промежутками. Если искре удастся перепрыгнуть через изолятор и вызвать дугу, она погаснет.

Искровые промежутки меньшего размера часто используются для защиты чувствительного электрического или электронного оборудования от скачков высокого напряжения . В сложных версиях этих устройств (так называемых газовых трубчатых разрядниках) ^[3] небольшой искровой промежуток выходит из строя во время аномального скачка напряжения, надежно шунтируя скачок напряжения на землю и тем самым защищая оборудование. Эти устройства обычно используются для телефонных линий при входе в здание; искровые разрядники помогают защитить здание и внутренние телефонные сети от воздействия ударов молнии . Менее сложные (и гораздо менее дорогие) искровые разрядники изготавливаются с использованием модифицированных керамических конденсаторов ; в этих устройствах искровой промежуток представляет собой просто воздушный зазор, выпиленный между двумя проводами, соединяющими конденсатор с цепью. Скачок напряжения вызывает искру, которая перескакивает от одного провода к другому через зазор, оставленный в процессе пиления. Эти недорогие устройства часто используются для предотвращения повреждения дуги между элементами электронной пушки (пушек) внутри электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). ^{[ нужна ссылка ]}

Маленькие искровые разрядники очень распространены в телефонных коммутаторах , поскольку длинные телефонные кабели очень чувствительны к скачкам напряжения от ударов молнии . Искровые промежутки большего размера используются для защиты линий электропередачи .

Искровые разрядники иногда реализуются на печатных платах в электронных продуктах с использованием двух близко расположенных открытых дорожек печатной платы. Это практически нулевой метод добавления грубой защиты от перенапряжения к электронным продуктам. ^[4]

Транзилы и трисилы представляют собой полупроводниковую альтернативу искровым разрядникам для приложений с низким энергопотреблением. Неоновые лампы также используются для этой цели.

Высокоскоростная фотография

Искровой разрядник во вспышке с воздушным зазором используется для создания фотографических световых вспышек в субмикросекундной области.

Радиопередатчики

Искра излучает энергию во всем электромагнитном спектре . В настоящее время это обычно рассматривается как незаконная радиочастотная интерференция и подавляется, но на заре радиосвязи (1880–1920 гг.) это было средство передачи радиосигналов в немодулированном искровом передатчике . Многие радиоразрядники включают охлаждающие устройства, такие как поворотный разрядник и радиаторы , поскольку искровой разрядник сильно нагревается при постоянном использовании на высокой мощности.

Сферический зазор для измерения напряжения

Калиброванный сферический разрядник выйдет из строя при очень стабильном напряжении с поправкой на давление воздуха, влажность и температуру. Зазор между двумя сферами может обеспечить измерение напряжения без какой-либо электроники или делителей напряжения с точностью около 3%. Искровой разрядник можно использовать для измерения переменного, постоянного или импульсного напряжения высокого напряжения, но для очень коротких импульсов источник ультрафиолетового света или радиоактивный источник , чтобы обеспечить источник электронов. к одной из клемм можно подключить ^[5]

Силовые коммутационные устройства

Искровые разрядники можно использовать в качестве электрических переключателей, поскольку они имеют два состояния со значительно разным электрическим сопротивлением. Сопротивление между электродами может достигать 10 ¹² Ом , когда электроды разделены газом или вакуумом, что означает, что ток течет небольшой, даже когда между электродами существует высокое напряжение. Сопротивление падает до 10. ^-3 Ом низкое, когда электроды соединены плазмой, что означает, что рассеиваемая мощность мала даже при высоком токе. Такое сочетание свойств привело к использованию искровых разрядников в качестве электрических переключателей в устройствах с импульсной мощностью , где энергия сохраняется при высоком напряжении в конденсаторе , а затем разряжается большим током. Примеры включают импульсные лазеры , рельсотроны , генераторы Маркса , термоядерный синтез , исследование сверхсильного импульсного магнитного поля и срабатывание ядерной бомбы .

Когда разрядник состоит всего из двух электродов, разделенных газом, переход между непроводящим и проводящим состояниями регулируется законом Пашена . При типичных сочетаниях давления и расстояния между электродами закон Пашена гласит, что разряд Таунсенда заполнит зазор между электродами проводящей плазмой всякий раз, когда отношение напряженности электрического поля к давлению превышает постоянное значение, определяемое составом газа. Скорость, с которой давление может быть уменьшена, ограничена дросселируемым потоком , а увеличение электрического поля в цепи разряда конденсатора ограничено емкостью в цепи и током, доступным для зарядки емкости . Эти ограничения на скорость инициирования разряда означают, что искровые разрядники с двумя электродами обычно имеют высокий джиттер . ^[6]

Управляемые искровые разрядники представляют собой класс устройств с некоторыми дополнительными средствами запуска для достижения низкого джиттера. Чаще всего это третий электрод, как в тригатроне . Напряжение триггерного электрода можно быстро изменить, поскольку емкость между ним и другими электродами мала. В управляемом искровом промежутке давление газа оптимизируется для минимизации джиттера и предотвращения непреднамеренного срабатывания. Искровые разрядники изготавливаются в герметичных исполнениях с ограниченным диапазоном напряжений и в исполнениях под давлением пользователя с диапазоном напряжений, пропорциональным имеющемуся диапазону давлений. Управляемые искровые разрядники имеют много общего с другими газонаполненными трубками, такими как тиратроны , критроны , игнитроны и кроссатроны .

Триггерные вакуумные разрядники, или спритроны , напоминают управляемые искровые разрядники как по внешнему виду, так и по конструкции, но имеют другой принцип работы. Срабатываемый вакуумный зазор состоит из трех электродов в герметичной стеклянной или керамической оболочке, из которой вакуумирован воздух. Это означает, что, в отличие от триггерного искрового разрядника, триггерный вакуумный разрядник работает в пространстве параметров слева от минимума Пашена, где пробой усиливается за счет увеличения давления. Ток между электродами ограничен до небольшой величины за счет автоэлектронной эмиссии в непроводящем состоянии. Пробой инициируется быстрым испарением материала с триггерного электрода или прилегающего резистивного покрытия. После зажигания вакуумной дуги сработавший вакуумный промежуток заполняется проводящей плазмой, как и любой другой искровой промежуток. Триггерный вакуумный разрядник имеет более широкий диапазон рабочего напряжения, чем герметичный триггерный разрядник, поскольку кривые Пашена намного круче слева от минимума Пашена, чем при более высоких давлениях. Срабатываемые вакуумные зазоры также рад труден, потому что в непроводящем состоянии они не содержат газа, который мог бы быть ионизирован излучением . ^[7]

Борьба с насекомыми

Их также используют в качестве ловушек для насекомых. Два электрода выполнены в виде металлических решеток, расположенных на слишком большом расстоянии друг от друга, чтобы напряжение могло прыгать. Когда насекомое попадает между электродами, расстояние между электродами уменьшается из-за того, что тело насекомого является проводящим, и возникает искровой разряд, который поражает насекомое электрическим током и сжигает его.

При этом механизм искрового разрядника часто используется в сочетании с приманкой, например фонарем, для привлечения насекомых в искровой промежуток.

См. также

Ссылки

^ Мик, Дж. (1940). «Теория искрового разряда». Физический обзор . 57 (8): 722–728. Бибкод : 1940PhRv...57..722M . дои : 10.1103/PhysRev.57.722 .
^ «Боинг: Ориентация главного двигателя космического корабля» (PDF) . Боинг . Июнь 1998 года . Проверено 16 ноября 2019 г.
^ [1] Изделия для защиты от переходных процессов, газовые трубки, гибридные системы защиты | номинальный ток до 20 000 ампер... изолирован от пыли и влаги... некоторые содержат небольшое количество трития (10 микрокюри) | Рейнольдс Индастриз Инкорпорейтед
^ «Руководство по проектированию с учетом требований ESD и EMC» (PDF) . НХП Полупроводники . 19 января 2010 г. Архивировано (PDF) из оригинала 3 августа 2019 г.
^ Райан, Хью М. (редактор) Проектирование и испытания высокого напряжения (2-е издание) , Инженерно-технологический институт, 2001 г., ISBN 978-0-85296-775-1 страницы
^ «Проектирование искрового разрядника» . Проверено 17 февраля 2019 г.
^ Газоразрядные замыкающие выключатели . Спрингер Сайенс+Бизнес Медиа, ООО. 1990. ISBN 978-1-4899-2132-1 .

Внешние ссылки

Видео о Лестнице Иакова:

[1] Мик, Дж. (1940). «Теория искрового разряда». Физический обзор . 57 (8): 722–728. Бибкод : 1940PhRv...57..722M . дои : 10.1103/PhysRev.57.722 .

[2] «Боинг: Ориентация главного двигателя космического корабля» (PDF) . Боинг . Июнь 1998 года . Проверено 16 ноября 2019 г.

[3] [1] Изделия для защиты от переходных процессов, газовые трубки, гибридные системы защиты | номинальный ток до 20 000 ампер... изолирован от пыли и влаги... некоторые содержат небольшое количество трития (10 микрокюри) | Рейнольдс Индастриз Инкорпорейтед

[4] «Руководство по проектированию с учетом требований ESD и EMC» (PDF) . НХП Полупроводники . 19 января 2010 г. Архивировано (PDF) из оригинала 3 августа 2019 г.

[5] Райан, Хью М. (редактор) Проектирование и испытания высокого напряжения (2-е издание) , Инженерно-технологический институт, 2001 г., ISBN 978-0-85296-775-1 страницы

[6] «Проектирование искрового разрядника» . Проверено 17 февраля 2019 г.

[7] Газоразрядные замыкающие выключатели . Спрингер Сайенс+Бизнес Медиа, ООО. 1990. ISBN 978-1-4899-2132-1 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]