Tubes d'ionisation (remplis de gaz)

Jusqu'à présent, nous avons exploré des tubes qui sont totalement « vidés » de tout gaz et vapeur à l'intérieur de leurs enveloppes en verre, à proprement parler tubes à vide . Cependant, avec l'ajout de certains gaz ou vapeurs, les tubes prennent des caractéristiques très différentes et sont capables de remplir certains rôles particuliers dans les circuits électroniques.

Lorsqu'une tension suffisamment élevée est appliquée sur une distance occupée par un gaz ou une vapeur, ou lorsque ce gaz ou cette vapeur est suffisamment chauffé, les électrons de ces molécules de gaz seront retirés de leurs noyaux respectifs, créant une condition d'ionisation . Ayant libéré les électrons de leurs liaisons électrostatiques avec les noyaux des atomes, ils sont libres de migrer sous forme de courant, faisant du gaz ionisé un relativement bon conducteur d'électricité. Dans cet état, le gaz est plus correctement appelé plasma .

Le gaz ionisé n'est pas un conducteur parfait. En tant que tel, le flux d'électrons à travers le gaz ionisé aura tendance à dissiper l'énergie sous forme de chaleur, aidant ainsi à maintenir le gaz dans un état d'ionisation. Le résultat est un tube qui commencera à conduire dans certaines conditions, puis tendra à rester dans un état de conduction jusqu'à ce que la tension appliquée à travers le gaz et/ou le courant de génération de chaleur tombe à un niveau minimum.

L'observateur avisé notera que c'est précisément le type de comportement présenté par une classe de dispositifs à semi-conducteurs appelés « thyristors », qui ont tendance à rester « activés » une fois « activés » et ont tendance à rester « éteints » une fois « éteints ». On peut dire que les tubes remplis de gaz manifestent cette même propriété d'hystérésis .

Contrairement à leurs homologues sous vide, les tubes d'ionisation étaient souvent fabriqués sans aucun filament (chauffage). Ceux-ci ont été appelés cathode froide tubes, avec les versions chauffées désignées comme cathode chaude tuyaux. Le fait que le tube contienne ou non une source de chaleur a évidemment un impact sur les caractéristiques d'un tube rempli de gaz, mais pas dans la mesure où le manque de chaleur aurait un impact sur les performances d'un tube à vide dur.

Le type le plus simple de dispositif d'ionisation n'est pas nécessairement du tout un tube; il est plutôt constitué de deux électrodes séparées par un espace rempli de gaz. Appelé simplement spark gap , l'espace entre les électrodes peut être occupé par de l'air ambiant, d'autres fois un gaz spécial, auquel cas l'appareil doit avoir une enveloppe scellée quelconque.

Une application principale des éclateurs est la protection contre les surtensions. Conçu pour ne pas s'ioniser ou "se détériorer" (commencer à conduire), avec une tension système normale appliquée aux électrodes, la fonction de l'éclateur est de conduire en cas d'augmentation significative de la tension. Une fois conducteur, il agira comme une charge lourde, maintenant la tension du système à travers son grand appel de courant et la chute de tension subséquente le long des conducteurs et d'autres impédances en série. Dans un système correctement conçu, l'éclateur cessera de conduire (« s'éteindra ») lorsque la tension du système diminue à un niveau normal, bien en deçà de la tension requise pour initier la conduction.

Une mise en garde majeure des éclateurs est leur durée de vie sensiblement limitée. La décharge générée par un tel dispositif peut être assez violente, et en tant que telle aura tendance à détériorer les surfaces des électrodes par piqûres et/ou fusion.

Les éclateurs peuvent être amenés à conduire sur commande en plaçant une troisième électrode (généralement avec un bord ou une pointe pointu) entre les deux autres et en appliquant une impulsion haute tension entre cette électrode et l'une des autres électrodes. L'impulsion créera une petite étincelle entre les deux électrodes, ionisant une partie du trajet entre les deux grandes électrodes et permettant la conduction entre elles si la tension appliquée est suffisamment élevée :

Des éclateurs de la variété déclenchée et non déclenchée peuvent être construits pour gérer d'énormes quantités de courant, certains même dans la gamme des méga-ampères (millions d'ampères) ! La taille physique est le principal facteur limitant de la quantité de courant qu'un éclateur peut gérer de manière sûre et fiable.

Lorsque les deux électrodes principales sont placées dans un tube scellé rempli d'un gaz spécial, un tube à décharge est formé. Le type de tube à décharge le plus courant est le néon, couramment utilisé comme source d'éclairage coloré, la couleur de la lumière émise dépendant du type de gaz remplissant le tube.

La construction des lampes au néon ressemble beaucoup à celle des éclateurs, mais les caractéristiques opérationnelles sont assez différentes :

En contrôlant l'espacement des électrodes et le type de gaz dans le tube, les néons peuvent être conduits sans tirer les courants excessifs que font les éclateurs. Ils présentent toujours une hystérésis en ce sens qu'il faut une tension plus élevée pour initier la conduction que pour les faire « s'éteindre », et leur résistance est définitivement non linéaire (plus il y a de tension appliquée à travers le tube, plus il y a de courant, donc plus de chaleur, donc moins de résistance ). Compte tenu de cette tendance non linéaire, la tension aux bornes d'un tube néon ne doit pas dépasser une certaine limite, de peur que le tube ne soit endommagé par des températures excessives.

Cette tendance non linéaire donne au tube néon une application autre que l'éclairage coloré :il peut agir un peu comme une diode Zener, "bloquant" la tension à ses bornes en tirant de plus en plus de courant si la tension diminue. Lorsqu'il est utilisé de cette manière, le tube est appelé tube de préchauffage , ou tube régulateur de tension , et était un moyen populaire de régulation de tension à l'époque de la conception de circuits à tubes électroniques.

Veuillez noter le point noir qui se trouve dans le symbole du tube illustré ci-dessus (et dans le symbole de la lampe au néon illustré avant). Ce marqueur indique que le tube est rempli de gaz. C'est un marqueur commun utilisé dans tous les symboles des tubes remplis de gaz.

Un exemple de tube incandescent conçu pour la régulation de tension était le VR-150, avec une tension de régulation nominale de 150 volts. Sa résistance à travers les limites admissibles du courant peut varier de 5 kΩ à 30 kΩ, un intervalle de 6:1. Comme les circuits régulateurs à diode Zener d'aujourd'hui, les régulateurs à tube incandescent pourraient être couplés à des tubes amplificateurs pour une meilleure régulation de la tension et des plages de courant de charge plus élevées.

Si une triode ordinaire était remplie de gaz au lieu d'un vide poussé, elle manifesterait toute l'hystérésis et la non-linéarité des autres tubes à gaz avec un avantage majeur :la quantité de tension appliquée entre la grille et la cathode déterminerait la tension plaque-cathode minimale nécessaire. pour initier la conduction. En substance, ce tube était l'équivalent du SCR à semi-conducteur (Silicon-Controlled Rectifier), et s'appelait le thyratron .

Il convient de noter que le schéma présenté ci-dessus est considérablement simplifié pour la plupart des applications et des conceptions de tubes thyratron. Certains thyratrons, par exemple, exigeaient que la tension du réseau change de polarité entre leurs états « on » et « arrêt » afin de fonctionner correctement. De plus, certains thyratrons avaient plus d'une grille !

Les thyratrons ont trouvé une utilisation à peu près de la même manière que les SCR trouvent aujourd'hui une utilisation:contrôler le courant alternatif redressé à de grandes charges telles que les moteurs. Les tubes Thyratron ont été fabriqués avec différents types de remplissages de gaz pour différentes caractéristiques :gaz inerte (chimiquement non réactif), hydrogène gazeux et mercure (vaporisé sous forme gazeuse lorsqu'il est activé). Le deutérium, un isotope rare de l'hydrogène, a été utilisé dans certaines applications spéciales nécessitant la commutation de hautes tensions.