Tubos de descarga de gás

Se você já testemunhou uma tempestade com raios, você viu histerese elétrica em ação (e provavelmente não percebeu o que estava vendo). A ação do vento forte e da chuva acumula tremendas cargas elétricas estáticas entre as nuvens e a terra, e também entre as nuvens. Os desequilíbrios de carga elétrica se manifestam como altas tensões e, quando a resistência elétrica do ar não consegue mais conter essas altas tensões, enormes surtos de corrente viajam entre pólos opostos de carga elétrica, que chamamos de "relâmpago".

O acúmulo de altas tensões pelo vento e pela chuva é um processo razoavelmente contínuo, com a taxa de acúmulo de carga aumentando sob as condições atmosféricas adequadas. No entanto, os relâmpagos são tudo menos contínuos:eles existem como ondas relativamente breves, em vez de descargas contínuas. Por que é isso? Por que não vemos arcos de relâmpagos suaves e brilhantes em vez de relâmpagos relâmpagos violentamente breves ? A resposta está na resistência não linear (e histérica) do ar.

Em condições normais, o ar tem uma resistência extremamente alta. É tão alto, de fato, que normalmente tratamos sua resistência como infinita e a condução elétrica pelo ar como desprezível. A presença de água e poeira no ar diminui um pouco sua resistência, mas ainda é um isolante para a maioria dos fins práticos. Quando alta tensão suficiente é aplicada através de uma distância do ar, entretanto, suas propriedades elétricas mudam:os elétrons são “arrancados” de suas posições normais ao redor de seus respectivos átomos e são liberados para constituir uma corrente. Neste estado, o ar é considerado ionizado e é chamado de plasma em vez de gás. Este uso da palavra “plasma” não deve ser confundido com o termo médico (significando a porção fluida do sangue), mas é um quarto estado da matéria, os outros três sendo sólido, líquido e vapor (gás). O plasma é um condutor de eletricidade relativamente bom, sendo sua resistência específica muito inferior à da mesma substância em estado gasoso.

Conforme uma corrente elétrica se move através do plasma, há energia dissipada no plasma na forma de calor, da mesma forma que a corrente através de um resistor sólido dissipa energia na forma de calor. No caso de raios, as temperaturas envolvidas são extremamente altas. As altas temperaturas também são suficientes para converter o ar gasoso em um plasma ou manter o plasma nesse estado sem a presença de alta voltagem. À medida que a tensão entre a nuvem e a terra, ou entre a nuvem e a nuvem, diminui à medida que o desequilíbrio de carga é neutralizado pela corrente do relâmpago, o calor dissipado pelo relâmpago mantém o caminho do ar em um estado de plasma, mantendo sua resistência baixa. O relâmpago permanece um plasma até que a tensão diminua a um nível muito baixo para sustentar corrente suficiente para dissipar calor suficiente. Finalmente, o ar retorna ao estado gasoso e para de conduzir a corrente, permitindo assim que a voltagem se acumule mais uma vez.

Observe como, ao longo deste ciclo, o ar exibe histerese. Quando não está conduzindo eletricidade, tende a permanecer um isolante até que a tensão se acumule além de um ponto crítico. Então, uma vez que muda de estado e se torna um plasma, ele tende a permanecer um condutor até que a tensão caia abaixo de um ponto de limite crítico inferior. Uma vez "ligado", ele tende a ficar "ligado" e, uma vez "desligado", tende a ficar "desligado". Essa histerese, combinada com um aumento constante de voltagem devido aos efeitos eletrostáticos do vento e da chuva, explica a ação dos raios como rajadas breves.

Osciladores de relaxamento

Em termos eletrônicos, o que temos aqui na ação do relâmpago é um simples oscilador de relaxamento . Os osciladores são circuitos eletrônicos que produzem uma tensão oscilante (CA) a partir de um fornecimento constante de energia CC. Um oscilador de relaxamento é aquele que funciona com o princípio de um capacitor de carga que é repentinamente descarregado toda vez que sua tensão atinge um valor limite crítico. Um dos osciladores de relaxamento mais simples que existem é composto de três componentes (sem contar a fonte de alimentação CC):um resistor, um capacitor e uma lâmpada de neon na Figura abaixo.



Lâmpadas de néon nada mais são do que dois eletrodos de metal dentro de uma lâmpada de vidro lacrada, separados pelo gás néon dentro. Em temperatura ambiente e sem tensão aplicada, a lâmpada tem resistência quase infinita. No entanto, uma vez que um certo limite de voltagem é excedido (esta voltagem depende da pressão do gás e da geometria da lâmpada), o gás neon ficará ionizado (transformado em plasma) e sua resistência será dramaticamente reduzida. Com efeito, a lâmpada de néon exibe as mesmas características do ar em uma tempestade com raios, completa com a emissão de luz como resultado da descarga, embora em uma escala muito menor.

O capacitor no circuito do oscilador de relaxamento mostrado acima carrega a uma taxa exponencial inversa determinada pelo tamanho do resistor. Quando sua tensão atinge o limite de tensão da lâmpada, a lâmpada repentinamente "liga" e descarrega rapidamente o capacitor para um valor de baixa tensão. Uma vez descarregada, a lâmpada “desliga” e permite que o capacitor acumule uma carga mais uma vez. O resultado é uma série de breves flashes de luz da lâmpada, cuja taxa é ditada pela voltagem da bateria, resistência do resistor, capacitância do capacitor e voltagem limite da lâmpada.

Tubos de tiratron

Embora as lâmpadas de descarga de gás sejam mais comumente usadas como fontes de iluminação, suas propriedades histeréticas foram aproveitadas em variantes um pouco mais sofisticadas, conhecidas como tubos de tiratron . Essencialmente um tubo triodo cheio de gás (um triodo sendo um tubo de elétrons a vácuo de três elementos desempenhando uma função muito semelhante ao canal N, IGFET tipo D), o tubo de tiratron poderia ser ligado com uma pequena tensão de controle aplicada entre a grade e cátodo, e desligado reduzindo a tensão da placa para cátodo.



Circuito de controle de tiratron simples

Em essência, os tubos de tiratron eram controlados versões de lâmpadas de néon construídas especificamente para comutar a corrente para uma carga. O ponto dentro do círculo do símbolo esquemático indica um enchimento de gás, em oposição ao vácuo forte normalmente visto em outros designs de tubos de elétrons. No circuito mostrado acima, o tubo de tiratron permite a corrente através da carga em uma direção (observe a polaridade no resistor de carga) quando acionado pela pequena tensão de controle DC conectada entre a grade e o cátodo. Observe que a fonte de alimentação da carga é CA, o que fornece uma pista sobre como o tiratron desliga após ter sido acionado:uma vez que a tensão CA passa periodicamente por uma condição de 0 volts entre meio-ciclos, a corrente através de uma carga alimentada por CA deve também parar periodicamente. Esta breve pausa da corrente entre os semiciclos dá ao tubo de gás tempo para esfriar, permitindo que ele volte ao seu estado normal "desligado". A condução pode ser retomada apenas se tensão suficiente for aplicada pela fonte de alimentação CA (em algum outro momento no ciclo da onda) e se a tensão de controle CC permitir.

Uma exibição do osciloscópio da tensão de carga em tal circuito seria algo como a Figura abaixo.



Formas de onda de tiratron

Conforme a tensão de alimentação CA sobe de zero volts até seu primeiro pico, a tensão de carga permanece em zero (sem corrente de carga) até que o limite de tensão seja alcançado. Nesse ponto, a válvula “liga” e começa a conduzir, a tensão de carga agora seguindo a tensão CA pelo resto do meio ciclo. A tensão de carga existe (e, portanto, a corrente de carga) mesmo quando a forma de onda da tensão CA caiu abaixo do valor limite do tubo. Isso é histerese em ação:o tubo permanece em seu modo condutivo além do ponto em que foi ligado pela primeira vez, continuando a conduzir até que a tensão de alimentação caia para quase zero volts. Como os tubos de tiratron são dispositivos unilaterais (diodo), nenhuma tensão se desenvolve através da carga durante o meio-ciclo negativo de CA. Em circuitos de tiratron práticos, vários tubos dispostos em alguma forma de circuito retificador de onda completa para facilitar a energia CC de onda completa para a carga.

O tubo de tiratron foi aplicado a um circuito oscilador de relaxamento. A frequência é controlada por uma pequena tensão DC entre a grade e o cátodo. (Veja a Figura abaixo) Este oscilador controlado por tensão é conhecido como VCO. Os osciladores de relaxamento produzem uma saída muito não senoidal e existem principalmente como circuitos de demonstração (como é o caso aqui) ou em aplicações onde a forma de onda rica em harmônicos é desejável.



Oscilador de relaxamento de tiratron controlado por voltagem



Falo de tubos de tiratron no passado por um bom motivo:os componentes de semicondutores modernos tornaram a tecnologia de tubos de tiratron obsoleta em quase todas as aplicações, exceto em algumas aplicações muito especiais. Não é por acaso que a palavra tiristor tem muita semelhança com a palavra tiratron , para esta classe de componentes semicondutores faz quase a mesma coisa:use histerético ligar e desligar a corrente. É para esses dispositivos modernos que agora voltamos nossa atenção.

REVER:

• Elétrica histerese , a tendência de um componente permanecer "ligado" (conduzindo) depois que começa a conduzir e permanecer "desligado" (não condutor) depois que deixa de conduzir, ajuda a explicar por que os relâmpagos existem como surtos momentâneos de corrente, em vez de descargas contínuas pelo ar.
• Tubos de descarga de gás simples, como lâmpadas de néon, exibem histerese elétrica.
• Tubos de descarga de gás mais avançados foram feitos com elementos de controle para que sua tensão de "ativação" pudesse ser ajustada por um sinal externo. O mais comum desses tubos era chamado de tiratron .
• Circuitos osciladores simples chamados osciladores de relaxamento pode ser criado com nada mais do que uma rede de carga de resistor-capacitor e um dispositivo histérico conectado ao capacitor.

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