Tubos de ionização (preenchidos com gás)

Até agora, exploramos tubos que são totalmente "evacuados" de todo o gás e vapor dentro de seus invólucros de vidro, apropriadamente conhecidos como tubos de vácuo . Com a adição de certos gases ou vapores, no entanto, os tubos assumem características significativamente diferentes e são capazes de cumprir certas funções especiais em circuitos eletrônicos.

Quando uma voltagem alta o suficiente é aplicada através de uma distância ocupada por um gás ou vapor, ou quando aquele gás ou vapor é aquecido o suficiente, os elétrons dessas moléculas de gás serão arrancados de seus respectivos núcleos, criando uma condição de ionização . Tendo liberado os elétrons de suas ligações eletrostáticas para os núcleos dos átomos, eles estão livres para migrar na forma de uma corrente, tornando o gás ionizado um condutor de eletricidade relativamente bom. Nesse estado, o gás é mais apropriadamente conhecido como plasma .

O gás ionizado não é um condutor perfeito. Assim, o fluxo de elétrons através do gás ionizado tende a dissipar energia na forma de calor, ajudando assim a manter o gás em estado de ionização. O resultado disso é um tubo que começará a conduzir sob certas condições, então tenderá a permanecer em um estado de condução até que a voltagem aplicada através do gás e / ou a corrente geradora de calor caia para um nível mínimo.

O observador astuto notará que este é precisamente o tipo de comportamento exibido por uma classe de dispositivos semicondutores chamados de "tiristores", que tendem a permanecer "ligados" depois de "ligados" e tendem a ficar "desligados" quando "desligados". Tubos cheios de gás, pode-se dizer, manifestam esta mesma propriedade de histerese .

Ao contrário de seus equivalentes a vácuo, os tubos de ionização geralmente eram fabricados sem nenhum filamento (aquecedor). Eles foram chamados de cátodo frio tubos, com as versões aquecidas designadas como cátodo quente tubos. Se o tubo continha ou não uma fonte de calor obviamente impactava as características de um tubo cheio de gás, mas não a ponto de a falta de calor impactar o desempenho de um tubo de vácuo rígido.

O tipo mais simples de dispositivo de ionização não é necessariamente um tubo; em vez disso, ele é construído de dois eletrodos separados por uma lacuna preenchida com gás. Simplesmente chamado de gap de ignição , a lacuna entre os eletrodos pode ser ocupada por ar ambiente, outras vezes um gás especial, caso em que o dispositivo deve ter um envelope lacrado de algum tipo.



Uma aplicação principal para centelhadores é a proteção contra sobretensão. Projetado para não ionizar ou "quebrar" (começar a conduzir), com a tensão normal do sistema aplicada através dos eletrodos, a função do centelhador é conduzir no caso de um aumento significativo na tensão. Uma vez conduzido, ele agirá como uma carga pesada, mantendo a tensão do sistema baixa através de seu grande consumo de corrente e subsequente queda de tensão ao longo dos condutores e outras impedâncias em série. Em um sistema projetado adequadamente, a centelha para de conduzir (“extinguir”) quando a tensão do sistema diminui para um nível normal, bem abaixo da tensão necessária para iniciar a condução.

Uma das principais advertências dos centelhadores é sua vida significativamente finita. A descarga gerada por tal dispositivo pode ser bastante violenta e, como tal, tenderá a deteriorar as superfícies dos eletrodos por corrosão e / ou fusão.

Os centelhadores podem ser conduzidos sob comando, colocando um terceiro eletrodo (geralmente com uma borda ou ponta afiada) entre os outros dois e aplicando um pulso de alta tensão entre esse eletrodo e um dos outros eletrodos. O pulso criará uma pequena faísca entre os dois eletrodos, ionizando parte do caminho entre os dois eletrodos grandes e permitindo a condução entre eles se a voltagem aplicada for alta o suficiente:



Intervalos de ignição, tanto da variedade acionada quanto não acionada, podem ser construídos para lidar com grandes quantidades de corrente, algumas até na faixa de mega-amperes (milhões de amperes)! O tamanho físico é o principal fator de limitação para a quantidade de corrente que um centelhador pode lidar com segurança e confiabilidade.

Quando os dois eletrodos principais são colocados em um tubo selado preenchido com um gás especial, um tubo de descarga é formado. O tipo mais comum de tubo de descarga é a luz neon, usada popularmente como fonte de iluminação colorida, sendo que a cor da luz emitida depende do tipo de gás que preenche o tubo.

A construção de lâmpadas de néon se assemelha muito à de centelhadores, mas as características operacionais são bastante diferentes:



Ao controlar o espaçamento dos eletrodos e o tipo de gás no tubo, as luzes de néon podem conduzir sem atrair as correntes excessivas que os centelhadores fazem. Eles ainda exibem histerese na medida em que é necessária uma voltagem mais alta para iniciar a condução do que para fazê-los "extinguir" e sua resistência é definitivamente não linear (quanto mais voltagem aplicada através do tubo, mais corrente, portanto, mais calor, portanto menor resistência ) Dada esta tendência não linear, a voltagem através de um tubo de néon não deve exceder um certo limite, para que o tubo não seja danificado por temperaturas excessivas.

Essa tendência não linear dá ao tubo de néon uma aplicação diferente da iluminação colorida:ele pode agir como um diodo zener, “prendendo” a voltagem através dele puxando mais e mais corrente se a voltagem diminuir. Quando usado dessa maneira, o tubo é conhecido como tubo de incandescência , ou tubo regulador de voltagem e era um meio popular de regulação de tensão na época do projeto de circuitos de tubos de elétrons.



Observe o ponto preto encontrado no símbolo do tubo mostrado acima (e no símbolo da lâmpada de néon mostrado antes). Esse marcador indica que o tubo está cheio de gás. É um marcador comum usado em todos os símbolos de tubos preenchidos com gás.

Um exemplo de tubo de incandescência projetado para regulação de tensão foi o VR-150, com uma tensão de regulação nominal de 150 volts. Sua resistência ao longo dos limites permitidos de corrente pode variar de 5 kΩ a 30 kΩ, um intervalo de 6:1. Como os circuitos reguladores de diodo zener de hoje, os reguladores de tubo de incandescência poderiam ser acoplados a tubos de amplificação para melhor regulação de tensão e faixas de corrente de carga mais altas.

Se um triodo regular fosse preenchido com gás em vez de um vácuo forte, ele manifestaria toda a histerese e não linearidade de outros tubos de gás com uma grande vantagem:a quantidade de voltagem aplicada entre a grade e o cátodo determinaria a voltagem mínima de placa para cátodo necessária para iniciar a condução. Em essência, este tubo era o equivalente ao semicondutor SCR (retificador controlado por silício) e era chamado de tiratron .



Deve-se notar que o esquema mostrado acima é bastante simplificado para a maioria das finalidades e designs de tubo de tiratron. Alguns tiratrons, por exemplo, exigiam que a tensão da rede alternasse a polaridade entre seus estados “ligado” e “desligado” para funcionar corretamente. Além disso, alguns tiratrons tinham mais de uma grade!

Os Thyratrons encontraram uso quase da mesma forma que os SCRs encontram uso hoje:controlar CA retificada para grandes cargas, como motores. Os tubos de Thyratron foram fabricados com diferentes tipos de preenchimento de gás para diferentes características:gás inerte (quimicamente não reativo), gás hidrogênio e mercúrio (vaporizado em uma forma de gás quando ativado). O deutério, um isótopo raro de hidrogênio, era usado em algumas aplicações especiais que exigiam a comutação de altas tensões.