イオン化（ガス封入）チューブ

これまで、ガラスエンベロープ内のすべてのガスと蒸気を完全に「真空」にしたチューブを調査してきました。これは、真空管として適切に知られています。 。ただし、特定のガスまたは蒸気を追加すると、チューブは大幅に異なる特性を持ち、電子回路で特定の特別な役割を果たすことができます。

ガスまたは蒸気が占める距離に十分な高電圧が印加されると、またはそのガスまたは蒸気が十分に加熱されると、それらのガス分子の電子がそれぞれの核から剥ぎ取られ、イオン化の状態が発生します。 。電子を静電結合から原子の核に解放すると、電子は電流の形で自由に移動し、イオン化されたガスを比較的優れた電気伝導体にします。この状態では、ガスはより適切にプラズマと呼ばれます。 。

イオン化ガスは完全導体ではありません。このように、イオン化されたガスを通る電子の流れは、熱の形でエネルギーを散逸させる傾向があり、それによってガスをイオン化の状態に保つのを助ける。この結果、チューブは特定の条件下で伝導を開始し、ガスに印加される電圧や発熱電流が最小レベルに低下するまで伝導状態を維持する傾向があります。

鋭敏な観察者は、これがまさに「サイリスタ」と呼ばれる半導体デバイスのクラスによって示される種類の動作であり、「オン」にすると「オン」のままになり、「オフ」にすると「オフ」のままになる傾向があることに気付くでしょう。ガス入りのチューブは、ヒステリシスと同じ特性を示していると言えます。 。

真空の対応物とは異なり、イオン化チューブはフィラメント（ヒーター）をまったく使用せずに製造されることがよくありました。これらは冷陰極と呼ばれていました 熱陰極として指定された加熱バージョンを備えたチューブ チューブ。チューブに熱源が含まれているかどうかは、ガス入りチューブの特性に明らかに影響しましたが、熱の不足がハード真空チューブの性能に影響を与えるほどではありませんでした。

最も単純なタイプのイオン化装置は、必ずしもチューブである必要はありません。むしろ、ガスで満たされたギャップによって分離された2つの電極で構成されています。単にスパークギャップと呼ばれます 、電極間のギャップは周囲の空気、または特殊なガスで占められている場合があります。その場合、デバイスには何らかの密閉されたエンベロープが必要です。

スパークギャップの主な用途は、過電圧保護です。電極間に通常のシステム電圧が印加された状態で、イオン化または「破壊」（導通を開始）しないように設計されたスパークギャップの機能は、電圧が大幅に上昇した場合に導通することです。導通すると、それは重い負荷として機能し、その大電流引き込みとそれに続く導体および他の直列インピーダンスに沿った電圧降下によってシステム電圧を抑えます。適切に設計されたシステムでは、システム電圧が通常のレベルに低下すると、スパークギャップの導通が停止（「消滅」）します。これは、導通を開始するために必要な電圧をはるかに下回ります。

スパークギャップの主な注意点の1つは、寿命が非常に限られていることです。このようなデバイスによって生成される放電は非常に激しい可能性があり、そのため、孔食および/または溶融によって電極の表面を劣化させる傾向があります。

スパークギャップは、他の2つの間に3番目の電極（通常は鋭いエッジまたはポイント）を配置し、その電極と他の電極の1つの間に高電圧パルスを印加することによってコマンドで導通させることができます。パルスは2つの電極間に小さな火花を発生させ、2つの大きな電極間の経路の一部をイオン化し、印加電圧が十分に高い場合は電極間の伝導を可能にします。

トリガーされたものとトリガーされていないものの両方のスパークギャップを構築して、メガアンペア（数百万アンペア）の範囲にさえも、大量の電流を処理することができます！物理的なサイズは、スパークギャップが安全かつ確実に処理できる電流量の主な制限要因です。

2つの主電極を特殊なガスで満たされた密閉管に配置すると、放電管 形成されます。最も一般的なタイプの放電管はネオンライトで、カラフルな照明の光源として広く使用されています。放出される光の色は、チューブを満たすガスの種類によって異なります。

ネオンランプの構造はスパークギャップの構造によく似ていますが、動作特性はまったく異なります。

電極の間隔とチューブ内のガスの種類を制御することにより、スパークギャップが行う過剰な電流を引き込むことなくネオンライトを導通させることができます。それらは、「消火」するよりも伝導を開始するのに高い電圧が必要であり、抵抗は完全に非線形であるという点でヒステリシスを示します（チューブに印加される電圧が大きいほど、電流が多くなり、熱が多くなり、抵抗が低くなります） ）。この非線形の傾向を考えると、ネオン管の両端の電圧が特定の制限を超えないようにする必要があります。これは、過度の温度によって管が損傷しないようにするためです。

この非線形の傾向は、ネオン管にカラフルな照明以外の用途を与えます。それは、ツェナーダイオードのように機能し、電圧が低下すると、より多くの電流を引き込むことによって、その両端の電圧を「クランプ」します。この方法で使用される場合、チューブはグローチューブとして知られています。 、または電圧調整管 、そして電子管回路設計の時代に電圧調整の一般的な手段でした。

上に示したチューブ記号（およびその前に示したネオンランプ記号）にある黒い点に注意してください。そのマーカーは、チューブがガスで満たされていることを示します。これは、すべてのガス封入管のシンボルで使用される一般的なマーカーです。

電圧調整用に設計されたグローチューブの一例は、公称調整電圧が150ボルトのVR-150でした。電流の許容限界全体でのその抵抗は、6：1のスパンで5kΩから30kΩまで変化する可能性があります。今日のツェナーダイオードレギュレータ回路のように、グローチューブレギュレータを増幅チューブに結合して、より良い電圧レギュレーションとより高い負荷電流範囲を実現できます。

通常の三極真空管が強真空ではなくガスで満たされている場合、他のガス管のすべてのヒステリシスと非線形性が明らかになり、1つの大きな利点があります。グリッドとカソードの間に印加される電圧の量によって、必要なプレートからカソードへの最小電圧が決まります。伝導を開始します。本質的に、このチューブは半導体SCR（Silicon-Controlled Rectifier）と同等であり、サイラトロンと呼ばれていました。 。

上に示した回路図は、ほとんどの目的とサイラトロン管の設計のために大幅に簡略化されていることに注意してください。たとえば、一部のサイラトロンは、適切に機能するために、グリッド電圧が「オン」状態と「オフ」状態の間で極性を切り替える必要がありました。また、一部のサイラトロンには複数のグリッドがありました！

サイラトロンは、SCRが今日使用しているのとほぼ同じ方法で使用されています。つまり、整流されたACをモーターなどの大きな負荷に制御します。サイラトロンチューブは、不活性（化学的に非反応性）ガス、水素ガス、および水銀（活性化されるとガス状に蒸発する）など、さまざまな特性のさまざまなタイプのガス充填物で製造されています。水素のまれな同位体である重水素は、高電圧の切り替えを必要とするいくつかの特別なアプリケーションで使用されました。