Tubes à décharge de gaz

Si vous avez déjà été témoin d'un orage, vous avez vu l'hystérésis électrique en action (et n'avez probablement pas réalisé ce que vous voyiez). L'action du vent fort et de la pluie accumule d'énormes charges d'électricité statique entre les nuages ​​et la terre, ainsi qu'entre les nuages. Les déséquilibres de charge électrique se manifestent par des tensions élevées, et lorsque la résistance électrique de l'air ne peut plus tenir ces hautes tensions à distance, d'énormes surtensions se déplacent entre les pôles opposés de la charge électrique que nous appelons « la foudre ».

L'accumulation de hautes tensions par le vent et la pluie est un processus assez continu, le taux d'accumulation de charge augmentant dans des conditions atmosphériques appropriées. Cependant, les éclairs sont tout sauf continus :ils existent sous forme de surtensions relativement brèves plutôt que de décharges continues. Pourquoi est-ce? Pourquoi ne voyons-nous pas des arcs de foudre doux et incandescents au lieu de éclairs violents et brefs ? La réponse réside dans la résistance non linéaire (et hystérétique) de l'air.

Dans des conditions normales, l'air a une résistance extrêmement élevée. Il est si élevé, en fait, que nous considérons généralement sa résistance comme infinie et la conduction électrique dans l'air comme négligeable. La présence d'eau et de poussière dans l'air abaisse une partie de sa résistance, mais c'est toujours un isolant pour la plupart des usages pratiques. Cependant, lorsqu'une tension suffisamment élevée est appliquée sur une distance d'air, ses propriétés électriques changent :les électrons se « dépouillent » de leurs positions normales autour de leurs atomes respectifs et sont libérés pour constituer un courant. Dans cet état, l'air est considéré comme ionisé et est appelé plasma plutôt que gaz. Cette utilisation du mot « plasma » ne doit pas être confondue avec le terme médical (signifiant la partie fluide du sang), mais constitue un quatrième état de la matière, les trois autres étant solide, liquide et vapeur (gaz). Le plasma est un relativement bon conducteur d'électricité, sa résistance spécifique étant bien inférieure à celle de la même substance à l'état gazeux.

Lorsqu'un courant électrique se déplace à travers le plasma, il y a de l'énergie dissipée dans le plasma sous forme de chaleur, tout comme le courant traversant une résistance solide dissipe de l'énergie sous forme de chaleur. Dans le cas de la foudre, les températures impliquées sont extrêmement élevées. Des températures élevées sont également suffisantes pour convertir l'air gazeux en plasma ou maintenir le plasma dans cet état sans la présence de haute tension. Au fur et à mesure que la tension entre le nuage et la terre, ou entre le nuage et le nuage, diminue à mesure que le déséquilibre de charge est neutralisé par le courant de l'éclair, la chaleur dissipée par l'éclair maintient le trajet de l'air dans un état de plasma, en maintenant sa résistance faible. L'éclair reste un plasma jusqu'à ce que la tension diminue à un niveau trop bas pour maintenir suffisamment de courant pour dissiper suffisamment de chaleur. Enfin, l'air retourne à l'état gazeux et arrête de conduire le courant, permettant ainsi à la tension de s'accumuler à nouveau.

Notez comment tout au long de ce cycle, l'air présente une hystérésis. Lorsqu'il n'est pas conducteur d'électricité, il a tendance à rester un isolant jusqu'à ce que la tension s'accumule au-delà d'un seuil critique. Ensuite, une fois qu'il change d'état et devient un plasma, il a tendance à rester un conducteur jusqu'à ce que la tension tombe en dessous d'un seuil critique inférieur. Une fois "allumé", il a tendance à rester "allumé" et une fois "éteint", il a tendance à rester "éteint". Cette hystérésis, combinée à une accumulation constante de tension due aux effets électrostatiques du vent et de la pluie, explique l'action de la foudre sous forme de brèves rafales.

Oscillateurs de relaxation

En termes électroniques, ce que nous avons ici dans l'action de la foudre est un simple oscillateur de relaxation . Les oscillateurs sont des circuits électroniques qui produisent une tension oscillante (CA) à partir d'une alimentation continue en courant continu. Un oscillateur à relaxation est un oscillateur qui fonctionne sur le principe d'un condensateur de charge qui se décharge brutalement chaque fois que sa tension atteint une valeur seuil critique. L'un des oscillateurs à relaxation les plus simples qui existe est composé de trois composants (sans compter l'alimentation CC) :une résistance, un condensateur et une lampe au néon dans la figure ci-dessous.

Les lampes au néon ne sont rien de plus que deux électrodes métalliques à l'intérieur d'une ampoule en verre scellée, séparées par le gaz néon à l'intérieur. À température ambiante et sans tension appliquée, la lampe a une résistance presque infinie. Cependant, une fois qu'une certaine tension de seuil est dépassée (cette tension dépend de la pression du gaz et de la géométrie de la lampe), le gaz néon deviendra ionisé (transformé en plasma) et sa résistance sera considérablement réduite. En effet, la lampe au néon présente les mêmes caractéristiques que l'air dans un orage, avec l'émission de lumière due à la décharge, bien qu'à une échelle beaucoup plus petite.

Le condensateur du circuit oscillateur à relaxation illustré ci-dessus se charge à un taux exponentiel inverse déterminé par la taille de la résistance. Lorsque sa tension atteint la tension de seuil de la lampe, la lampe "s'allume" soudainement et décharge rapidement le condensateur à une valeur de tension basse. Une fois déchargée, la lampe « s'éteint » et permet au condensateur de se charger à nouveau. Le résultat est une série de brefs éclairs de lumière provenant de la lampe, dont le taux est dicté par la tension de la batterie, la résistance de la résistance, la capacité du condensateur et la tension de seuil de la lampe.

Tubes thyratron

Alors que les lampes à décharge de gaz sont plus couramment utilisées comme sources d'éclairage, leurs propriétés hystérétiques ont été exploitées dans des variantes légèrement plus sophistiquées connues sous le nom de tubes thyratron . Essentiellement un tube triode rempli de gaz (une triode étant un tube électronique sous vide à trois éléments remplissant une fonction similaire à l'IGFET de type D à canal N), le tube thyratron pourrait être allumé avec une petite tension de commande appliquée entre la grille et cathode, et éteint en réduisant la tension plaque-cathode.

Circuit de contrôle thyratron simple

Essentiellement, les tubes thyratron étaient contrôlés versions de lampes au néon conçues spécifiquement pour commuter le courant vers une charge. Le point à l'intérieur du cercle du symbole schématique indique un remplissage de gaz, par opposition au vide poussé normalement observé dans d'autres conceptions de tubes électroniques. Dans le circuit illustré ci-dessus, le tube thyratron permet au courant de traverser la charge dans une direction (notez la polarité à travers la résistance de charge) lorsqu'il est déclenché par la petite tension de commande CC connectée entre la grille et la cathode. Notez que la source d'alimentation de la charge est en courant alternatif, ce qui donne un indice sur la façon dont le thyratron s'éteint après son déclenchement :étant donné que la tension alternative passe périodiquement par une condition de 0 volt entre les demi-cycles, le courant à travers une charge alimentée en courant alternatif doit également s'arrêter périodiquement. Cette brève pause de courant entre les demi-cycles donne au gaz le temps de refroidir, lui permettant de revenir à son état normal « arrêt ». La conduction ne peut reprendre que si une tension suffisante est appliquée par la source d'alimentation CA (à un autre moment dans le cycle de l'onde) et si la tension de commande CC le permet.

Un oscilloscope affichant la tension de charge dans un tel circuit ressemblerait à la figure ci-dessous.

Formes d'onde Thyratron

Lorsque la tension d'alimentation alternative passe de zéro volt à son premier pic, la tension de charge reste à zéro (pas de courant de charge) jusqu'à ce que la tension de seuil soit atteinte. À ce stade, le tube s'allume et commence à conduire, la tension de charge suivant maintenant la tension alternative pendant le reste du demi-cycle. La tension de charge existe (et donc le courant de charge) même lorsque la forme d'onde de la tension alternative est tombée en dessous de la valeur seuil du tube. C'est l'hystérésis à l'œuvre :le tube reste dans son mode conducteur au-delà du point où il s'est allumé pour la première fois, continuant à conduire jusqu'à ce que la tension d'alimentation chute à presque zéro volt. Étant donné que les tubes thyratron sont des dispositifs unidirectionnels (diodes), aucune tension ne se développe à travers la charge pendant le demi-cycle négatif du courant alternatif. Dans les circuits thyratron pratiques, plusieurs tubes disposés dans une certaine forme de circuit redresseur double alternance pour faciliter l'alimentation CC pleine onde à la charge.

Le tube thyratron a été appliqué à un circuit oscillateur à relaxation. La fréquence est contrôlée par une petite tension continue entre la grille et la cathode. (Voir la figure ci-dessous) Cet oscillateur commandé en tension est connu sous le nom de VCO. Les oscillateurs de relaxation produisent une sortie très non sinusoïdale, et ils existent principalement en tant que circuits de démonstration (comme c'est le cas ici) ou dans des applications où la forme d'onde riche en harmoniques est souhaitable.

Oscillateur à relaxation thyratron contrôlé en tension

Je parle de tubes à thyratron au passé pour une bonne raison :les composants semi-conducteurs modernes ont rendu obsolète la technologie des tubes à thyratron pour presque toutes les applications très spéciales. Ce n'est pas un hasard si le mot thyristor porte tellement de similitude avec le mot thyratron , pour cette classe de composants semi-conducteurs fait à peu près la même chose :utilisez hystérétique allumer et éteindre le courant. Ce sont ces appareils modernes sur lesquels nous tournons maintenant notre attention.

AVIS :

• hystérésis électrique , la tendance d'un composant à rester « on » (conducteur) après qu'il a commencé à conduire et à rester « arrêt » (non conducteur) après qu'il a cessé de conduire, aide à expliquer pourquoi les éclairs existent sous forme de surtensions momentanées plutôt que de décharges continues dans les airs.
• Les tubes à décharge gazeuse simples, tels que les lampes au néon, présentent une hystérésis électrique.
• Des tubes à décharge de gaz plus avancés ont été fabriqués avec des éléments de contrôle afin que leur tension de « marche » puisse être ajustée par un signal externe. Le plus courant de ces tubes s'appelait le thyratron .
• Circuits oscillateurs simples appelés oscillateurs de relaxation peut être créé avec rien de plus qu'un réseau de charge résistance-condensateur et un dispositif hystérétique connecté aux bornes du condensateur.

FICHE DE TRAVAIL CONNEXE :

• Fiche de travail sur les thyristors