7.2: Tubos de Descarga de Gas

Si alguna vez has presenciado una tormenta eléctrica, has visto histéresis eléctrica en acción (y probablemente no te diste cuenta de lo que estabas viendo). La acción del viento fuerte y la lluvia acumula tremendas cargas eléctricas estáticas entre la nube y la tierra, y entre las nubes también. Los desequilibrios de carga eléctrica se manifiestan como altos voltajes, y cuando la resistencia eléctrica del aire ya no puede mantener a raya estos altos voltajes, enormes sobretensiones de corriente viajan entre polos opuestos de carga eléctrica que llamamos “rayo”.

La acumulación de altas tensiones por el viento y la lluvia es un proceso bastante continuo, aumentando la tasa de acumulación de carga en las condiciones atmosféricas adecuadas. Sin embargo, los relámpagos son todo menos continuos: existen como sobretensiones relativamente breves en lugar de descargas continuas. ¿Por qué es esto? ¿Por qué no vemos arcos de rayos suaves y resplandecientes en lugar de relámpagos violentamente breves? La respuesta radica en la resistencia no lineal (e histérica) del aire.

En condiciones ordinarias, el aire tiene una cantidad extremadamente alta de resistencia. Es tan alto, de hecho, que normalmente tratamos su resistencia como infinita y la conducción eléctrica a través del aire como insignificante. La presencia de agua y polvo en el aire baja un poco su resistencia, pero sigue siendo un aislante para los fines más prácticos. Sin embargo, cuando se aplica suficiente alto voltaje a través de una distancia de aire, sus propiedades eléctricas cambian: los electrones se “despojan” de sus posiciones normales alrededor de sus respectivos átomos y se liberan para constituir una corriente. En este estado, se considera que el aire está ionizado y se llama plasma en lugar de gas. Este uso de la palabra “plasma” no debe confundirse con el término médico (es decir, la porción líquida de la sangre), sino que es un cuarto estado de la materia, siendo los otros tres sólidos, líquidos y vapor (gas). El plasma es un conductor relativamente bueno de la electricidad, siendo su resistencia específica mucho menor que la de la misma sustancia en su estado gaseoso.

A medida que una corriente eléctrica se mueve a través del plasma, hay energía disipada en el plasma en forma de calor, así como la corriente a través de una resistencia sólida disipa la energía en forma de calor. En el caso de los rayos, las temperaturas involucradas son extremadamente altas. Las altas temperaturas también son suficientes para convertir el aire gaseoso en plasma o mantener el plasma en ese estado sin la presencia de alta tensión. A medida que el voltaje entre nube y tierra, o entre nube y nube, disminuye a medida que el desequilibrio de carga es neutralizado por la corriente del rayo, el calor disipado por el perno mantiene la trayectoria de aire en estado de plasma, manteniendo baja su resistencia. El rayo sigue siendo un plasma hasta que el voltaje disminuye a un nivel demasiado bajo para sostener suficiente corriente para disipar suficiente calor. Finalmente, el aire vuelve a un estado gaseoso y deja de conducir la corriente, permitiendo así que el voltaje se acumule una vez más.

Observe cómo a lo largo de este ciclo, el aire exhibe histéresis. Cuando no conduce electricidad, tiende a seguir siendo un aislante hasta que el voltaje se acumula más allá de un punto de umbral crítico. Entonces, una vez que cambia de estado y se convierte en plasma, tiende a seguir siendo un conductor hasta que el voltaje cae por debajo de un punto umbral crítico inferior. Una vez “encendido” tiende a permanecer “encendido”, y una vez “apagado” tiende a permanecer “apagado”. Esta histéresis, combinada con una acumulación constante de voltaje debido a los efectos electrostáticos del viento y la lluvia, explica la acción del rayo como breves ráfagas.

En términos electrónicos, lo que tenemos aquí en la acción del rayo es un simple oscilador de relajación. Los osciladores son circuitos electrónicos que producen un voltaje oscilante (CA) a partir de un suministro constante de energía de CC. Un oscilador de relajación es aquel que funciona según el principio de un condensador de carga que se descarga repentinamente cada vez que su voltaje alcanza un valor umbral crítico. Uno de los osciladores de relajación más simples que existen está compuesto por tres componentes (sin contar la fuente de alimentación de CC): una resistencia, un condensador y una lámpara de neón en la Figura a continuación.

Oscilador de relajación simple

Las lámparas de neón no son más que dos electrodos metálicos dentro de una bombilla de vidrio sellada, separados por el gas neón en su interior. A temperatura ambiente y sin tensión aplicada, la lámpara tiene una resistencia casi infinita. Sin embargo, una vez que se excede un cierto voltaje umbral (este voltaje depende de la presión del gas y la geometría de la lámpara), el gas neón se ionizará (se convertirá en un plasma) y su resistencia se reducirá drásticamente. En efecto, la lámpara de neón exhibe las mismas características que el aire en una tormenta eléctrica, completa con la emisión de luz como resultado de la descarga, aunque en una escala mucho menor.

El condensador en el circuito oscilador de relajación mostrado arriba se carga a una tasa exponencial inversa determinada por el tamaño de la resistencia. Cuando su voltaje alcanza el voltaje umbral de la lámpara, la lámpara de repente se “enciende” y rápidamente descarga el condensador a un valor de voltaje bajo. Una vez descargada, la lámpara se “apaga” y permite que el condensador acumule una vez más una carga. El resultado es una serie de breves destellos de luz de la lámpara, cuya velocidad viene dictada por el voltaje de la batería, la resistencia de la resistencia, la capacitancia del condensador y el voltaje umbral de la lámpara.

Mientras que las lámparas de descarga de gas se utilizan más comúnmente como fuentes de iluminación, sus propiedades histéricas se aprovecharon en variantes ligeramente más sofisticadas conocidas como tubos de tiratrón. Esencialmente un tubo de triodo lleno de gas (siendo un triodo un tubo de electrones de vacío de tres elementos que realiza una función muy similar al IGFET de tipo D de canal N), el tubo de tiratrón podría encenderse con un pequeño voltaje de control aplicado entre la rejilla y el cátodo, y apagarse reduciendo el voltaje de placa a cátodo .

Circuito de control de tiratrón simple

En esencia, los tubos de tiratrón eran versiones controladas de lámparas de neón construidas específicamente para conmutar la corriente a una carga. El punto dentro del círculo del símbolo esquemático indica un relleno de gas, a diferencia del vacío duro que normalmente se ve en otros diseños de tubos de electrones. En el circuito mostrado arriba en la Figura arriba. el tubo de tiratrón permite la corriente a través de la carga en una dirección (tenga en cuenta la polaridad a través de la resistencia de carga) cuando se activa por el pequeño voltaje de control de CC conectado entre la rejilla y el cátodo. Tenga en cuenta que la fuente de alimentación de la carga es CA, lo que proporciona una pista sobre cómo el tiratrón se apaga después de su activación: dado que el voltaje de CA pasa periódicamente a través de una condición de 0 voltios entre semiciclos, la corriente a través de una carga alimentada por CA también debe detenerse periódicamente. Esta breve pausa de corriente entre semiciclos le da tiempo al gas del tubo para enfriarse, dejando que vuelva a su estado normal de “apagado”. La conducción puede reanudarse solo si la fuente de alimentación de CA aplica suficiente voltaje (algún otro tiempo en el ciclo de la onda) y si el voltaje de control de CC lo permite.

Una pantalla de osciloscopio de voltaje de carga en dicho circuito se vería algo así como la figura a continuación.

Formas de onda de Thratrón

A medida que el voltaje de alimentación de CA sube de cero voltios a su primer pico, el voltaje de carga permanece en cero (corriente sin carga) hasta que se alcanza el voltaje umbral. En ese punto, el tubo se “enciende” y comienza a conducir, el voltaje de carga ahora sigue el voltaje de CA a través del resto del medio ciclo. Existe voltaje de carga (y por lo tanto corriente de carga) incluso cuando la forma de onda de voltaje de CA ha caído por debajo del valor umbral del tubo. Esto es histéresis en el trabajo: el tubo permanece en su modo conductor más allá del punto donde se encendió por primera vez, continuando conduciendo hasta allí el voltaje de suministro cae a casi cero voltios. Debido a que los tubos de tiratrón son dispositivos unidireccionales (diodos), no se desarrolla voltaje a través de la carga a través del medio ciclo negativo de CA. En circuitos prácticos de tiratrón, múltiples tubos dispuestos en alguna forma de circuito rectificador de onda completa para facilitar la alimentación de CC de onda completa a la carga.

El tubo de tiratrón se ha aplicado a un circuito oscilador de relajación. [VTS] La frecuencia es controlada por un pequeño voltaje de CC entre la red y el cátodo. (Ver figura abajo) Este oscilador controlado por voltaje se conoce como VCO. Los osciladores de relajación producen una salida muy no sinusoidal, y existen principalmente como circuitos de demostración (como es el caso aquí) o en aplicaciones donde la forma de onda rica en armónicos es deseable. [SE REUNIÓ]

Oscilador de relajación de tiratrón controlado por voltaje

Hablo de tubos de tiratrón en tiempo pasado por una buena razón: los componentes semiconductores modernos han obsoleto la tecnología de tubos de tiratrón para todas menos algunas aplicaciones muy especiales. No es casualidad que la palabra tiristor tenga tanta similitud con la palabra tiratrón, para esta clase de componentes semiconductores hace mucho lo mismo: use hy ste r etically encender y apagar la corriente. Son estos dispositivos modernos a los que ahora dirigimos nuestra atención.

Revisar

• La histéresis eléctrica, la tendencia de un componente a permanecer “encendido” (conductor) después de que comienza a conducir y a permanecer “apagado” (no conductor) después de que deja de conducir, ayuda a explicar por qué los relámpagos existen como oleadas momentáneas de corriente en lugar de descargas continuas a través del aire.
• Los tubos simples de descarga de gas como las lámparas de neón exhiben histéresis eléctrica.
• Se han realizado tubos de descarga de gas más avanzados con elementos de control para que su voltaje de “encendido” pueda ajustarse mediante una señal externa. El más común de estos tubos se llamó el tiratrón.
• Los circuitos osciladores simples llamados osciladores de relajación se pueden crear con nada más que una red de carga de resistencia-condensador y un dispositivo histerético conectado a través del condensador.