Игнитрон: принцип работы, применение и современные аналоги
Ignitron
Игнитрон: газонаполненная лампа-выпрямитель 1930-х годов. Принцип работы, изобретение Слепьяна (Westinghouse), сравнение с ртутными клапанами и тиратронами.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Игнитрон — это тип газонаполненной трубки, используемый в качестве управляемого выпрямителя, появившийся в 1930-х годах. Изобретённый Джозефом Слейпианом, работавшим в компании Westinghouse, Westinghouse являлся оригинальным производителем и обладал правами на торговую марку "Ignitron". Игнитроны тесно связаны с ртутными дуговыми клапанами, но отличаются способом воспламенения дуги. Они функционируют аналогично тиратронам: импульс на электроде зажигания включает устройство, позволяя протекать высокому току между катодом и анодом. После включения ток через анод необходимо снизить до нуля, чтобы вернуть устройство в непроводящее состояние. Они применяются для коммутации больших токов в тяжелой промышленности.
An ignitron is a type of gas filled tube used as a controlled rectifier and dating from the 1930s. Invented by Joseph Slepian while employed by Westinghouse, Westinghouse was the original manufacturer and owned trademark rights to the name "Ignitron". Ignitrons are closely related to mercury arc valves but differ in the way the arc is ignited. They function similarly to thyratrons; a triggering pulse to the igniter electrode turns the device "on", allowing a high current to flow between the cathode and anode electrodes. After it is turned on, the current through the anode must be reduced to zero to restore the device to its nonconducting state. They are used to switch high currents in heavy industrial applications.
Строительство и эксплуатация
Игнитрон обычно представляет собой большой стальной контейнер с резервуаром ртути на дне, который выполняет функцию катода во время работы. Большой графитовый или огнеупорный металлический цилиндр, удерживаемый над резервуаром изолированным электрическим соединением, служит анодом. Электрод зажигания (именуемый зажигателем), изготовленный из огнеупорного полупроводникового материала, такого как карбид кремния, кратковременно импульсно подается высоким током для создания облака электропроводящей плазмы ртути. Плазма быстро замыкает пространство между резервуаром с ртутью и анодом, обеспечивая интенсивную проводимость между основными электродами. На поверхности ртути нагрев, вызванный образующейся дугой, высвобождает большое количество электронов, которые помогают поддерживать ртутную дугу. Таким образом, поверхность ртути служит катодом, и ток обычно течет только в одном направлении. После зажигания игнитрон продолжает проводить ток до тех пор, пока ток не будет внешне прерван или полярность напряжения, приложенного между катодом и анодом, не будет изменена на противоположную.
An ignitron is usually a large steel container with a pool of mercury in the bottom that acts as a cathode during operation. A large graphite or refractory metal cylinder, held above the pool by an insulated electrical connection, serves as the anode. An igniting electrode (called the ignitor), made of a refractory semiconductor material such as silicon carbide, is briefly pulsed with a high current to create a puff of electrically conductive mercury plasma. The plasma rapidly bridges the space between the mercury pool and the anode, permitting heavy conduction between the main electrodes. At the surface of the mercury, heating by the resulting arc liberates large numbers of electrons which help to maintain the mercury arc. The mercury surface thus serves as the cathode, and current is normally only in one direction. Once ignited, an ignitron will continue to pass current until either the current is externally interrupted or the voltage applied between cathode and anode is reversed.
Приложения
Игнитроны долгое время использовались в качестве высоковольтных выпрямителей в крупных промышленных и энергетических установках, где требовалось преобразование тысяч ампер переменного тока в постоянный, например, на алюминиевых плавильных заводах. Игнитроны применялись для управления током в электрических сварочных аппаратах. Большие электродвигатели также управлялись игнитронами, работающими в импульсном режиме, подобно современным полупроводниковым приборам, таким как кремниевые выпрямители и триаки. Многие электровозы использовали их совместно с трансформаторами для преобразования высокого напряжения переменного тока, получаемого с контактной сети, в относительно низкое напряжение постоянного тока для тяговых двигателей. Грузовые локомотивы E44 железной дороги Пенсильвании, как и российский грузовой локомотив ВЛ60, были оснащены игнитронами. Для многих современных применений игнитроны были заменены твердотельными аналогами. Однако, благодаря значительно более высокой устойчивости к повреждениям от перегрузки по току или обратного напряжения, игнитроны до сих пор производятся и используются вместо полупроводников в некоторых установках. Например, специально разработанные "импульсные" игнитроны по-прежнему применяются в определенных приложениях импульсного питания. Эти устройства способны коммутировать сотни килоампер и выдерживать напряжение до 50 кВ. Аноды в этих устройствах часто изготавливаются из тугоплавких металлов, обычно молибдена, для обеспечения устойчивости к обратному току во время затухающих (или колебательных) разрядов. Импульсные игнитроны обычно работают в режиме очень малого рабочего цикла. Они часто используются для коммутации высоковольтных конденсаторных батарей при электромагнитном формовании, электрогидравлическом формовании или для аварийного короткого замыкания высоковольтных источников питания ("crowbar"-коммутация).
Ignitrons were long used as high current rectifiers in major industrial and utility installations where thousands of amperes of AC must be converted to DC, such as aluminum smelters. Ignitrons were used to control the current in electric welding machines. Large electric motors were also controlled by ignitrons used in gated fashion, in a manner similar to modern semiconductor devices such as silicon controlled rectifiers and triacs. Many electric locomotives used them in conjunction with transformers to convert high voltage AC from the overhead lines to relatively low voltage DC for the traction motors. The Pennsylvania Railroad's E44 freight locomotives carried on board ignitrons, as did the Russian ВЛ 60 freight locomotive. For many modern applications, ignitrons have been replaced by solid state alternatives. Because they are far more resistant to damage due to overcurrent or back voltage, ignitrons are still manufactured and used in preference to semiconductors in some installations. For example, specially constructed "pulse rated" ignitrons are still used in certain pulsed power applications. These devices can switch hundreds of kiloamperes and hold off as much as 50 kV. The anodes in these devices are often fabricated from a refractory metal, usually molybdenum, to handle reverse current during ringing (or oscillatory) discharges without damage. Pulse rated ignitrons usually operate at very low duty cycles. They are often used to switch high energy capacitor banks during electromagnetic forming, electrohydraulic forming, or for emergency short circuiting of high voltage power sources ("crowbar" switching).
Сравнение с ртутным дуговой клапаном
Хотя основные принципы формирования дуги, а также многие аспекты конструкции очень похожи на другие типы ртутных дуговых клапанов, игнитроны отличаются от них тем, что дуга зажигается при каждом начале цикла проводимости и гаснет, когда ток падает ниже критического значения. В других типах ртутных дуговых клапанов дуга зажигается лишь однажды при первоначальном включении клапана и затем остается постоянно поддерживаемой, переключаясь между основным (и) анодом (ами) и вспомогательным анодом малой мощности или цепью поддержания горения. Более того, для регулирования момента начала проводимости необходимы управляющие сетки. Возможность зажигания дуги в контролируемый момент времени при каждом цикле позволяет игнитрону обходиться без вспомогательного анода и управляющих сеток, требуемых другими ртутными дуговыми клапанами. Однако, недостатком является то, что электрод зажигания должен быть расположен с высокой точностью, едва касаясь поверхности ртутного бассейна, что требует очень точной установки игнитрона в пределах нескольких градусов от вертикального положения.
Although the basic principles of how the arc is formed, along with many aspects of construction, are very similar to other types of mercury arc valves, ignitrons differ from other mercury arc valves in that the arc is ignited each time a conduction cycle is started, and then extinguished when the current falls below a critical threshold. In other types of mercury arc valve, the arc is ignited just once when the valve is first energised, and thereafter remains permanently established, alternating between the main anode(s) and a low power auxiliary anode or keep alive circuit. Moreover, control grids are required in order to adjust the timing of the start of conduction. The action of igniting the arc at a controlled time, each cycle, allows the ignitron to dispense with the auxiliary anode and control grids required by other mercury arc valves. However, a disadvantage is that the ignition electrode must be positioned very accurately, just barely touching the surface of the mercury pool, which means that ignitrons must be installed very accurately within a few degrees of an upright position.