ガス放電管

雷雨を目撃したことがある場合は、電気ヒステリシスが動作しているのを見たことがあるでしょう（そしておそらくあなたが見ているものに気づいていませんでした）。強風と雨の作用により、雲と地球の間、そして雲の間にも莫大な静電荷が蓄積されます。電荷の不均衡は高電圧として現れ、空気の電気抵抗がこれらの高電圧を寄せ付けないようになると、電流の巨大なサージが「稲妻」と呼ばれる反対側の電荷の極の間を移動します。

風雨による高電圧の蓄積はかなり連続的なプロセスであり、適切な大気条件下で電荷の蓄積率が増加します。ただし、稲妻は連続的ではありません。連続的な放電ではなく、比較的短時間のサージとして存在します。どうしてこれなの？激しく短い稲妻の代わりに、柔らかく輝く稲妻の弧を見てみませんか ？答えは、空気の非線形（およびヒステリシス）抵抗にあります。

通常の状態では、空気は非常に大きな抵抗を持っています。実際、それは非常に高いので、私たちは通常、その抵抗を無限として扱い、空気中の電気伝導は無視できるものとして扱います。空気中に水やほこりが存在すると、その抵抗がいくらか低下しますが、それでもほとんどの実用的な目的では絶縁体です。ただし、ある距離の空気に十分な高電圧が印加されると、その電気的特性が変化します。電子は、それぞれの原子の周囲の通常の位置から「剥ぎ取られ」、解放されて電流を構成します。この状態では、空気はイオン化されていると見なされます。 ガスではなくプラズマと呼ばれます。 「血漿」という言葉のこの使用法は、医学用語（血液の液体部分を意味する）と混同されるべきではありませんが、物質の第4の状態であり、他の3つは固体、液体、および蒸気（気体）です。プラズマは比較的優れた電気伝導体であり、その比抵抗は気体状態の同じ物質の比抵抗よりもはるかに低くなっています。

電流がプラズマを通って移動するとき、固体抵抗器を通る電流が熱の形でエネルギーを放散するのと同じように、熱の形でプラズマ内で放散されるエネルギーがあります。雷の場合、関係する温度は非常に高くなります。高温は、ガス状の空気をプラズマに変換したり、高電圧が存在しなくてもプラズマをその状態に維持するのにも十分です。稲妻の電流によって電荷の不均衡が中和されると、雲と地球の間、または雲と雲の間の電圧が低下するため、ボルトによって放散される熱が空気経路をプラズマ状態に維持し、抵抗を低く保ちます。稲妻は、電圧が低すぎて十分な熱を放散するのに十分な電流を維持できないレベルに低下するまで、プラズマのままです。最後に、空気は気体状態に戻り、電流の伝導を停止します。これにより、電圧がもう一度上昇します。

このサイクル全体で、空気がヒステリシスを示すことに注意してください。電気を通さないときは、絶縁体のままになる傾向があります。 電圧が臨界しきい値ポイントを超えて上昇するまで。その後、状態が変化してプラズマになると、導体のままになる傾向があります。 電圧が下限臨界しきい値を下回るまで。 「オン」になると「オン」のままになる傾向があり、「オフ」になると「オフ」のままになる傾向があります。このヒステリシスは、風雨の静電効果による電圧の安定した蓄積と組み合わされて、短時間のバーストとしての雷の作用を説明します。

弛緩発振器

電子的に言えば、ここで稲妻の作用で私たちが持っているのは、単純な弛緩発振器です。 。発振器は、DC電源の安定した供給から発振（AC）電圧を生成する電子回路です。緩和発振器は、電圧が臨界しきい値に達するたびに突然放電される充電コンデンサの原理に基づいて動作する発振器です。現存する最も単純な弛緩発振器の1つは、3つのコンポーネント（DC電源を除く）で構成されています。下の図の抵抗、コンデンサ、ネオンランプです。

ネオンランプは、内部のネオンガスによって分離された、密閉されたガラス電球内の2つの金属電極にすぎません。室温で電圧が印加されていない場合、ランプの抵抗はほぼ無限になります。ただし、特定のしきい値電圧を超えると（この電圧はガス圧とランプの形状によって異なります）、ネオンガスはイオン化され（プラズマに変わり）、その抵抗は劇的に減少します。事実上、ネオンランプは雷雨の空気と同じ特性を示し、はるかに小規模ではありますが、放電の結果として光が放出されます。

上に示した緩和発振回路のコンデンサは、抵抗器のサイズによって決まる逆指数関数で充電されます。その電圧がランプのしきい値電圧に達すると、ランプは突然「オン」になり、コンデンサを低電圧値まで急速に放電します。放電すると、ランプは「オフ」になり、コンデンサがもう一度電荷を蓄積できるようになります。その結果、ランプからの一連の短い光の点滅が発生します。その速度は、バッテリー電圧、抵抗抵抗、コンデンサー容量、およびランプしきい値電圧によって決まります。

サイラトロンチューブ

ガス放電ランプは照明源としてより一般的に使用されますが、そのヒステリシス特性は、サイラトロンチューブとして知られるわずかに洗練されたバリエーションで活用されました。 。本質的にガス入りの三極真空管（三極真空管はNチャネルのD型IGFETと非常によく似た機能を実行する3要素の真空電子管）であり、グリッド間に小さな制御電圧を印加してサイラトロン管をオンにすることができます。とカソード、およびプレートからカソードへの電圧を下げることによってオフになります。

単純なサイラトロン制御回路

本質的に、サイラトロン管は制御された 電流を負荷に切り替えるために特別に構築されたネオンランプのバージョン。概略記号の円の内側の点は、他の電子管の設計で通常見られる強い真空とは対照的に、ガスの充填を示します。上記の回路では、サイラトロン管は、グリッドとカソードの間に接続された小さなDC制御電圧によってトリガーされると、負荷を一方向に電流を流します（負荷抵抗の極性に注意してください）。負荷の電源はACであることに注意してください。これは、サイラトロンがトリガーされた後にどのようにオフになるかについての手がかりを提供します。AC電圧は、半サイクル間で定期的に0ボルトの状態を通過するため、AC電源の負荷を流れる電流はまた、定期的に停止します。半サイクル間のこの短い電流の一時停止により、チューブのガスが冷却され、通常の「オフ」状態に戻ります。導通は、AC電源によって十分な電圧が印加された場合（波のサイクルの別の時間）、およびDC制御電圧がそれを許可した場合にのみ再開できます。

このような回路の負荷電圧のオシロスコープ表示は、次の図のようになります。

サイラトロン波形

AC電源電圧がゼロボルトから最初のピークに上昇すると、しきい値電圧に達するまで負荷電圧はゼロ（負荷電流なし）のままになります。その時点で、チューブは「オン」に切り替わり、導通を開始します。負荷電圧は、残りの半サイクルを通じてAC電圧に追従します。 AC電圧波形がチューブのしきい値を下回った場合でも、負荷電圧（したがって負荷電流）が存在します。これは動作中のヒステリシスです。チューブは、最初にオンになったポイントを超えて導電モードに留まり、供給電圧がほぼゼロボルトに低下するまで導通を続けます。サイラトロン管は一方向（ダイオード）デバイスであるため、ACの負の半サイクルを通じて負荷の両端に電圧が発生することはありません。実際のサイラトロン回路では、負荷への全波DC電力を促進するために、複数のチューブが何らかの形の全波整流回路に配置されています。

サイラトロン管は弛緩発振回路に適用されています。周波数は、グリッドとカソード間の小さなDC電圧によって制御されます。 （下の図を参照）この電圧制御発振器はVCOとして知られています。緩和発振器は非常に非正弦波の出力を生成し、それらは主にデモンストレーション回路として（ここでの場合のように）、または高調波が豊富な波形が望ましいアプリケーションに存在します。

電圧制御サイラトロン緩和発振器

私は過去形でサイラトロン管について話しますが、これには正当な理由があります。現代の半導体コンポーネントは、いくつかの非常に特殊なアプリケーションを除いて、サイラトロン管技術を廃止しました。 サイリスタという言葉が偶然ではありません。 サイラトロンという言葉と非常によく似ています。 、このクラスの半導体コンポーネントの場合、ほとんど同じことを行います。ヒステリシスを使用します。 電流のオンとオフを切り替えます。私たちが今注目しているのは、これらの最新のデバイスです。

レビュー：

• 電気ヒステリシス 、コンポーネントが導通を開始した後も「オン」（導通）を維持し、導通を停止した後も「オフ」（非導通）を維持する傾向は、稲妻が継続的な放電ではなく瞬間的な電流のサージとして存在する理由を説明するのに役立ちます空中。
• ネオンランプなどの単純なガス放電管は電気ヒステリシスを示します。
• より高度なガス放電管は、外部信号によって「ターンオン」電圧を調整できるように、制御要素を備えて作られています。これらのチューブの中で最も一般的なものは、サイラトロンと呼ばれていました。 。
• リラクゼーションオシレーターと呼ばれる単純なオシレーター回路 抵抗器とコンデンサの充電ネットワークと、コンデンサの両端に接続されたヒステリシスデバイスだけで作成できます。

関連ワークシート：

• サイリスタワークシート