Tubo lleno de gas - Gas-filled tube

Una bombilla fluorescente compacta es una aplicación doméstica de un tubo lleno de gas.

Un tubo lleno de gas , también conocido comúnmente como tubo de descarga o anteriormente como tubo Plücker , es una disposición de electrodos en un gas dentro de una envoltura aislante resistente a la temperatura . Los tubos llenos de gas explotan fenómenos relacionados con la descarga eléctrica en gases y operan ionizando el gas con un voltaje aplicado suficiente para provocar la conducción eléctrica por los fenómenos subyacentes de la descarga Townsend . Una lámpara de descarga de gas es una luz eléctrica que utiliza un tubo lleno de gas; estos incluyen lámparas fluorescentes , lámparas de haluro de metal , lámparas de vapor de sodio , y las luces de neón . Tubos llenos de gas especializados como krytrones , tiratrones , y ignitrones se utilizan como dispositivos de conmutación en los dispositivos eléctricos.

El voltaje requerido para iniciar y mantener la descarga depende de la presión y la composición del gas de llenado y la geometría del tubo. Aunque la envoltura es típicamente de vidrio, los tubos de potencia a menudo usan cerámica y los tubos militares a menudo usan metal revestido de vidrio. Ambos cátodo caliente y cátodo frío dispositivos de tipo se encuentran.

Gases en uso

Hidrógeno

El hidrógeno se utiliza en tubos que se utilizan para cambios muy rápidos, por ejemplo, algunos tiratrones , dekatrones y krytrones , donde se requieren bordes muy pronunciados. Los tiempos de acumulación y recuperación del hidrógeno son mucho más cortos que en otros gases. Los tiratrones de hidrógeno suelen ser de cátodo caliente. El hidrógeno (y el deuterio) se pueden almacenar en el tubo en forma de hidruro metálico , calentado con un filamento auxiliar; El hidrógeno mediante el calentamiento de dicho elemento de almacenamiento se puede usar para reponer el gas limpiado e incluso para ajustar la presión según sea necesario para una operación de tiratrón a un voltaje dado.

Deuterio

El deuterio se utiliza en lámparas ultravioleta para espectroscopía ultravioleta , en tubos generadores de neutrones y en tubos especiales (por ejemplo, crossatron ). Tiene un voltaje de ruptura más alto que el hidrógeno. En tubos de conmutación rápida se utiliza en lugar de hidrógeno donde se requiere operación de alto voltaje. A modo de comparación, el thyratron CX1140 lleno de hidrógeno tiene un voltaje de ánodo de 25 kV, mientras que el CX1159 lleno de deuterio y por lo demás idéntico tiene 33 kV. Además, al mismo voltaje, la presión del deuterio puede ser más alta que la del hidrógeno, lo que permite mayores tasas de aumento de la corriente antes de que provoque una disipación excesiva del ánodo. Se pueden alcanzar potencias máximas significativamente más altas. Sin embargo, su tiempo de recuperación es aproximadamente un 40% más lento que el del hidrógeno.

Gases nobles

Tubos de descarga de gas noble ; de izquierda a derecha: helio , neón , argón , criptón , xenón

Los gases nobles se utilizan con frecuencia en los tubos para muchos fines, desde la iluminación hasta la conmutación. Se emplean gases nobles puros en los tubos de conmutación. Los tiratrones llenos de gas noble tienen mejores parámetros eléctricos que los basados ​​en mercurio. Los electrodos sufren daños por iones de alta velocidad. Los átomos neutros del gas ralentizan los iones por colisiones y reducen la energía transferida a los electrodos por el impacto de los iones. Los gases de alto peso molecular, p. Ej. Xenón, protegen los electrodos mejor que los más ligeros, p. Ej. Neón.

  • El helio se usa en láseres de helio-neón y en algunos tiratrones clasificados para altas corrientes y altos voltajes. El helio proporciona un tiempo de desionización tan corto como el hidrógeno, pero puede soportar un voltaje más bajo, por lo que se usa con mucha menos frecuencia.
  • El neón tiene un voltaje de encendido bajo y se usa con frecuencia en tubos de bajo voltaje. La descarga en neón emite una luz roja relativamente brillante; Por lo tanto, los tubos de conmutación llenos de neón también actúan como indicadores, brillando en rojo cuando se encienden. Esto se explota en los tubos de decatrón , que actúan como contadores y pantallas. Su luz roja se explota en letreros de neón . Se utiliza en tubos fluorescentes de alta potencia y corta longitud, por ejemplo, tubos de iluminación industrial. Tiene una caída de voltaje más alta en comparación con el argón y el criptón. Su baja masa atómica proporciona solo una pequeña protección a los electrodos contra los iones acelerados; Se pueden utilizar placas o alambres de apantallamiento adicionales para prolongar la vida útil del ánodo. En tubos fluorescentes se utiliza en combinación con mercurio.
  • El argón fue el primer gas utilizado en tubos fluorescentes y todavía se utiliza con frecuencia debido a su bajo costo, alta eficiencia y muy bajo voltaje de activación. En tubos fluorescentes se utiliza en combinación con mercurio. También se utilizó en los primeros tubos rectificadores ; Los primeros tiratrones se derivaron de tales tubos llenos de argón.
  • El criptón se puede utilizar en lámparas fluorescentes en lugar de argón; en esa aplicación, reduce las pérdidas totales de energía en los electrodos de aproximadamente un 15% a un 7%. Sin embargo, la caída de voltaje por longitud de lámpara es menor que con argón, lo que puede compensarse con un diámetro de tubo más pequeño. Las lámparas llenas de criptón también requieren un voltaje de arranque más alto; esto puede aliviarse usando, por ejemplo, una mezcla de argón-criptón de 25% a 75%. En tubos fluorescentes se utiliza en combinación con mercurio.
  • El xenón en estado puro tiene un alto voltaje de ruptura, lo que lo hace útil en tubos de conmutación de alto voltaje. El xenón también se utiliza como componente de mezclas de gases cuando se requiere la producción de radiación ultravioleta, por ejemplo, en pantallas de plasma , normalmente para excitar un fósforo . La longitud de onda producida es más larga que con argón y criptón y penetra mejor en los fósforos. Para bajar el voltaje de ionización, se utilizan neón-xenón o helio-xenón; por encima de 350  Torr (47  kPa ), el helio tiene un voltaje de ruptura más bajo que el neón y viceversa. A concentraciones del 1% y menos de xenón, el efecto Penning se vuelve significativo en tales mezclas, ya que la mayor parte de la ionización del xenón se produce por colisión con átomos excitados del otro gas noble; a más de unos pocos porcentajes de xenón, la descarga ioniza el xenón directamente debido a que la mayor parte de la energía de los electrones se gasta en la ionización directa del xenón.
  • El radón , a pesar de ser un gas noble, es peligrosamente radiactivo y su isótopo más estable tiene una vida media de menos de cuatro días. En consecuencia, no se usa comúnmente en dispositivos electrónicos.
  • Las mezclas Penning se utilizan cuando se requiere un voltaje de ionización más bajo, por ejemplo, en las lámparas de neón , los tubos Geiger-Müller y otros detectores de partículas llenos de gas . Una combinación clásica es aproximadamente 98-99.5% de neón con 0.5-2% de argón, usado, por ejemplo, en bombillas de neón y en pantallas de plasma monocromáticas .

Vapores elementales (metales y no metales)

  • Los vapores de mercurio se utilizan para aplicaciones con alta corriente, por ejemplo, luces, válvulas de arco de mercurio , ignitrones . El mercurio se utiliza debido a su alta presión de vapor y bajo potencial de ionización. El mercurio mezclado con un gas inerte se utiliza cuando las pérdidas de energía en el tubo deben ser bajas y la vida útil del tubo debe ser larga. En las mezclas de mercurio-gas inerte, la descarga es transportada inicialmente principalmente por el gas inerte; el calor liberado sirve para evaporar suficiente mercurio para alcanzar la presión de vapor deseada. Los rectificadores de bajo voltaje (cientos de voltios) utilizan vapor de mercurio saturado en combinación con una pequeña cantidad de gas inerte, lo que permite el arranque en frío de los tubos. Los rectificadores de alto voltaje (kilovoltios y más) utilizan vapor de mercurio puro a baja presión, lo que requiere el mantenimiento de la temperatura máxima del tubo. El mercurio líquido sirve como depósito de mercurio, reponiendo los vapores que se consumen durante la descarga. Se puede utilizar vapor de mercurio insaturado, pero como no se puede reponer, la vida útil de dichos tubos es menor. La fuerte dependencia de la presión de vapor de la temperatura del mercurio limita los entornos en los que pueden operar los tubos a base de mercurio. En las lámparas de mercurio de baja presión, existe una presión de mercurio óptima para la máxima eficiencia. Los fotones emitidos por átomos de mercurio ionizados pueden ser absorbidos por átomos no ionizados cercanos y volverse a irradiar o el átomo se desexcita de forma no radiativa, por lo que una presión de mercurio demasiado alta provoca pérdidas de luz. Una presión de mercurio demasiado baja conduce a muy pocos átomos presentes para ionizarse e irradiar fotones. La temperatura óptima para las lámparas de mercurio de baja presión es de aproximadamente 42 ° C, cuando la presión de vapor saturada de mercurio (presente como una gota de aproximadamente 1 mg de mercurio líquido en el tubo, como depósito que compensa las pérdidas por limpieza) alcanza este óptimo. En las lámparas destinadas a funcionar a temperaturas ambiente más elevadas y en un intervalo de temperatura más amplio, el mercurio está presente en forma de amalgama con, por ejemplo, bismuto e indio ; la presión de vapor sobre la amalgama es menor que sobre el mercurio líquido. El mercurio se utiliza en tubos fluorescentes como fuente de luz visible y ultravioleta para excitar el fósforo ; en esa aplicación se suele utilizar junto con argón, o en algunos casos con criptón o neón. Los iones de mercurio se desionizan lentamente, lo que limita la velocidad de conmutación de los tiratrones llenos de mercurio. El bombardeo de iones con iones de mercurio, incluso de energías relativamente bajas, también destruye gradualmente los cátodos recubiertos de óxido.
  • Los vapores de sodio se utilizan en lámparas de vapor de sodio .
  • Los vapores de azufre se utilizan en lámparas de azufre .
  • En muchos láseres se utilizan vapores de muchos metales, solos o junto con un gas noble .

Otros gases

Otros gases en tubos de descarga; de izquierda a derecha: hidrógeno , deuterio , nitrógeno , oxígeno , mercurio

Gases aislantes

En casos especiales (por ejemplo, interruptores de alto voltaje), se necesitan gases con buenas propiedades dieléctricas y voltajes de ruptura muy altos. Se favorecen los elementos altamente electronegativos , por ejemplo, halógenos , ya que se recombinan rápidamente con los iones presentes en el canal de descarga. Una de las opciones más populares es el hexafluoruro de azufre , utilizado en aplicaciones especiales de alto voltaje. Otras opciones habituales son el nitrógeno seco presurizado y los halocarbonos .

Física y tecnología de tubos de gas

Características voltaje-corriente de descarga eléctrica en neón a 1 Torr (130 Pa), con dos electrodos planos separados 50 cm.
A: pulsos aleatorios por radiación cósmica
B: saturación de corriente
C: avalancha Townsend de descarga
D: autosostenida Townsend de descarga
E: región inestable: descarga de corona
F: sub-normales de descarga luminiscente
G: normal de descarga luminiscente
H: descarga anormal resplandor
I: inestable región: transición de arco incandescente
J: arco eléctrico
K: arco eléctrico
La región AD se denomina descarga oscura; hay algo de ionización, pero la corriente está por debajo de 10 microamperios y no se produce una cantidad significativa de radiación.
La región DG presenta una resistencia diferencial negativa.
La región FH es una región de descarga luminiscente; el plasma emite un tenue resplandor que ocupa casi todo el volumen del tubo; la mayor parte de la luz es emitida por átomos neutros excitados.
La región IK es una región de descarga de arco; el plasma se concentra en un canal estrecho a lo largo del centro del tubo; se produce una gran cantidad de radiación.

El mecanismo fundamental es la descarga de Townsend, que es la multiplicación sostenida del flujo de electrones por impacto de iones cuando se alcanza un valor crítico de intensidad de campo eléctrico para la densidad del gas. A medida que aumenta el campo eléctrico, se encuentran varias fases de descarga, como se muestra en el gráfico adjunto. El gas utilizado influye drásticamente en los parámetros del tubo. El voltaje de ruptura depende de la composición del gas y la distancia del electrodo; las dependencias están descritas por la ley de Paschen .

Presion del gas

La presión del gas puede oscilar entre 0,001 y 1.000 Torr (0,13-130.000 Pa); más comúnmente, se utilizan presiones entre 1 y 10 torr. La presión del gas influye en los siguientes factores:

Por encima de cierto valor, cuanto mayor es la presión del gas, mayor es la tensión de encendido. Los tubos de iluminación de alta presión pueden requerir algunos kilovoltios de impulso para encenderse cuando están fríos, cuando la presión del gas es baja. Después del calentamiento, cuando el compuesto volátil utilizado para la emisión de luz se vaporiza y la presión aumenta, el reencendido de la descarga requiere un voltaje significativamente mayor o una reducción de la presión interna enfriando la lámpara. Por ejemplo, muchas lámparas de vapor de sodio no se pueden volver a encender inmediatamente después de apagarlas; deben enfriarse antes de poder encenderse de nuevo.

El gas tiende a consumirse durante la operación del tubo, por varios fenómenos denominados colectivamente limpieza . Los átomos o moléculas de gas se adsorben en las superficies de los electrodos. En los tubos de alto voltaje, los iones acelerados pueden penetrar en los materiales del electrodo. Las nuevas superficies, formadas por pulverización catódica de los electrodos y depositadas, por ejemplo, en las superficies internas del tubo, también adsorben fácilmente los gases. Los gases no inertes también pueden reaccionar químicamente con los componentes del tubo. El hidrógeno puede difundirse a través de algunos metales.

Para la eliminación de gas en los tubos de vacío, se utilizan getters . Para el reabastecimiento de gas para tubos llenos de gas, se emplean rellenadores . Más comúnmente, los rellenos se utilizan con hidrógeno; un filamento hecho de un metal que absorbe hidrógeno (por ejemplo, circonio o titanio) está presente en el tubo, y controlando su temperatura se ajusta la relación de hidrógeno absorbido y desorbido, lo que resulta en el control de la presión de hidrógeno en el tubo. El filamento de metal actúa como almacenamiento de hidrógeno. Este enfoque se utiliza, por ejemplo, en tiratrones de hidrógeno o tubos de neutrones. El uso de vapor de mercurio saturado permite utilizar una reserva de mercurio líquido como un gran almacenamiento de material; los átomos perdidos por la limpieza se reponen automáticamente mediante la evaporación de más mercurio. Sin embargo, la presión en el tubo depende en gran medida de la temperatura del mercurio, que debe controlarse cuidadosamente.

Los rectificadores grandes utilizan vapor de mercurio saturado con una pequeña cantidad de gas inerte. El gas inerte soporta la descarga cuando el tubo está frío.

Las características de corriente-voltaje de la válvula de arco de mercurio dependen en gran medida de la temperatura del mercurio líquido. La caída de voltaje en la polarización directa disminuye de aproximadamente 60 voltios a 0 ° C a algo más de 10 voltios a 50 ° C y luego permanece constante; el voltaje de ruptura de polarización inversa ("arco de retorno") cae dramáticamente con la temperatura, de 36 kV a 60 ° C a 12 kV a 80 ° C e incluso menos a temperaturas más altas. Por lo tanto, el rango de funcionamiento suele estar entre 18 y 65 ° C.

Pureza del gas

El gas en el tubo debe mantenerse puro para mantener las propiedades deseadas; incluso una pequeña cantidad de impurezas puede cambiar drásticamente los valores del tubo; La presencia de gases no inertes generalmente aumenta los voltajes de ruptura y combustión. La presencia de impurezas se puede observar mediante cambios en el color brillante del gas. El aire que se filtra en el tubo introduce oxígeno, que es altamente electronegativo e inhibe la producción de avalanchas de electrones. Esto hace que la secreción se vea pálida, lechosa o rojiza. Los rastros de vapores de mercurio brillan azulados, oscureciendo el color original del gas. El vapor de magnesio colorea la descarga de verde. Para evitar la desgasificación de los componentes del tubo durante el funcionamiento, se requiere un secado antes de llenar con gas y sellar. Se requiere una desgasificación minuciosa para tubos de alta calidad; incluso tan solo 10 −8  torr (1 μPa) de oxígeno es suficiente para cubrir los electrodos con una capa de óxido monomolecular en pocas horas. Los gases no inertes pueden eliminarse mediante absorbentes adecuados . en el caso de los tubos que contienen mercurio, deben utilizarse absorbentes que no formen amalgamas con mercurio (por ejemplo , circonio , pero no bario ). La pulverización catódica puede usarse intencionalmente para obtener gases no inertes; algunos tubos de referencia utilizan cátodos de molibdeno para este propósito.

Los gases inertes puros se utilizan cuando la diferencia entre el voltaje de encendido y el voltaje de combustión debe ser alta, por ejemplo, en los tubos de conmutación. Los tubos de indicación y estabilización, donde la diferencia debe ser menor, suelen llenarse con mezclas de Penning ; la menor diferencia entre los voltajes de encendido y de combustión permite utilizar voltajes de alimentación más bajos y resistencias en serie más pequeñas.

Tubos de gas para iluminación y visualización

La iluminación fluorescente , las lámparas CFL , las lámparas de descarga de mercurio y sodio y las lámparas HID son todos tubos llenos de gas que se utilizan para la iluminación.

Las lámparas de neón y los letreros de neón (la mayoría de los cuales no se basan en neón en estos días) también son tubos llenos de gas de baja presión.

Los dispositivos de tubos llenos de gas de baja presión históricos especializados incluyen el tubo Nixie (utilizado para mostrar números) y el Decatron (utilizado para contar o dividir pulsos, con la visualización como función secundaria).

Las lámparas de flash de xenón son tubos llenos de gas que se utilizan en cámaras y luces estroboscópicas para producir destellos brillantes de luz.

Las lámparas de azufre desarrolladas recientemente también son tubos llenos de gas cuando están calientes.

Tubos llenos de gas en electrónica

Dado que el voltaje de encendido depende de la concentración de iones, que puede caer a cero después de un largo período de inactividad, muchos tubos están preparados para la disponibilidad de iones:

  • ópticamente, por luz ambiental o por una lámpara incandescente de 2 vatios, o por una descarga luminiscente en el mismo sobre,
  • radiactivamente, añadiendo tritio al gas o recubriendo la envoltura interior,
  • eléctricamente, con un electrodo de cebado o de mantenimiento

Dispositivos de potencia

Algunos ejemplos importantes incluyen los tubos de thyratron , krytron e ignitron , que se utilizan para conmutar corrientes de alto voltaje. Un tipo especializado de tubo lleno de gas llamado tubo de descarga de gas (GDT) se fabrica para su uso como protectores contra sobretensiones , para limitar las sobretensiones en circuitos eléctricos y electrónicos.

Tubos de computación

El efecto de disparo de Schmitt de la región de resistencia diferencial negativa se puede aprovechar para realizar temporizadores, osciladores de relajación y circuitos digitales con lámparas de neón , tubos de disparo , tubos de relé , dekatrones y tubos nixie .

Los tiratrones también se pueden usar como triodos al operarlos por debajo de su voltaje de encendido, lo que les permite amplificar señales analógicas como un detector superregenerativo autoamplificador en receptores de control de radio .

Indicadores

Había lámparas de neón especiales además de los tubos nixie:

  • Indicador de sintonización temprana Tuneon , un tubo de vidrio con un ánodo de alambre corto y un cátodo de alambre largo que brilla parcialmente; la longitud del brillo es proporcional a la corriente del tubo
  • Phosphored lámpara de neón
  • Tubo de disparo luminiscente, utilizado como indicadores de enclavamiento o píxeles de pantallas de matriz de puntos
    • Tubo disparador de brillo directo
    • Tubo disparador fosforado

Diodos de ruido

Los diodos de ruido de descarga de gas de cátodo caliente estaban disponibles en sobres de vidrio de tubo de radio normal para frecuencias de hasta UHF , y en tubos de vidrio largos y delgados con un montaje de bombilla de bayoneta normal para el filamento y una tapa superior del ánodo , para frecuencias SHF y inserción diagonal en una guía de ondas .

Estaban llenos de un gas inerte puro como el neón porque las mezclas dependían de la temperatura de salida. Su voltaje de combustión estaba por debajo de 200 V, pero necesitaban cebado óptico mediante una lámpara incandescente de 2 vatios y un aumento de voltaje en el rango de 5 kV para el encendido.

Un tiratrón en miniatura encontró un uso adicional como fuente de ruido, cuando se opera como un diodo en un campo magnético transversal.

Tubos reguladores de voltaje

A mediados del siglo XX, se usaban comúnmente tubos reguladores de voltaje .

Medición del tiempo transcurrido

La pulverización catódica se aprovecha en el Time Totalizer , un medidor de tiempo transcurrido basado en un coulómetro de vapor metálico en el que el metal pulverizado se deposita sobre un elemento colector cuya resistencia, por tanto, disminuye lentamente.

Lista de tubos -tron

Ver también

Referencias

enlaces externos