Тригатрон: принцип работы, конструкция и применение.

Введение

Тригатрон – это тип искрового переключателя, предназначенный для работы с высоким током и высоким напряжением (обычно 10–100 кВ и 20–100 кА, хотя существуют и устройства в диапазоне мегаампер). Он имеет очень простую конструкцию и во многих случаях является наиболее экономичным вариантом переключения высокой энергии. Тригатрон может работать на открытом воздухе, быть герметичным или заполненным диэлектрическим газом, отличным от воздуха, или жидким диэлектриком. Газовый диэлектрик может находиться под давлением, а жидкий диэлектрик (например, минеральное масло) может быть использован для дальнейшего увеличения рабочего напряжения. Тригатроны могут быть рассчитаны на многократное использование (более 10 000 циклов переключения) или быть одноразовыми, разрушающимися после однократного использования. Тригатрон имеет три электрода. Основные, массивные электроды предназначены для коммутации высокого тока, а меньший третий электрод служит триггером. В нормальном режиме работы напряжение между основными электродами несколько ниже пробивного напряжения, соответствующего расстоянию между ними и диэлектрику между ними (обычно воздух, аргон, кислород, азот, водород или гексафторид серы). Для переключения устройства на триггерный электрод подается импульс высокого напряжения. Это ионизирует среду между ним и одним из основных электродов, создавая искру, которая уменьшает толщину неионизированной среды между электродами. Эта искра также генерирует ультрафиолетовое излучение и свободные электроны в основном зазоре. Это приводит к быстрому электрическому пробою основного зазора, в результате чего между основными электродами возникает электрическая дуга с низким сопротивлением. Дуга будет продолжать гореть, пока ток не уменьшится до уровня, достаточного для ее гашения. Триггерный электрод чаще всего устанавливается через отверстие в центре положительного основного электрода. Непросверленный основной электрод является отрицательным электродом. При переключении высоких токов электроды испытывают значительные тепловые нагрузки, поскольку они непосредственно участвуют в электрической дуге. Это вызывает постепенное испарение поверхности, поэтому некоторые конструкции предусматривают возможность легкой регулировки расстояния между электродами или даже их замены. Основные электроды обычно изготавливаются из латуни, меди или ее сплавов, вольфрама или композита медь-вольфрам для увеличения срока службы электродов. Триггерный импульс чаще всего подается с помощью триггерного трансформатора. Некоторые тригатроны имеют встроенные триггерные модули, а другие используют внешние. Вторичная обмотка триггерного трансформатора может быть гальванически развязана от первичной. Некоторые производители предлагают триггерные модули, управляемые оптоволокном, что изолирует управляющую схему от электромагнитных помех, создаваемых резкими и мощными электрическими импульсами. Триггерный импульс от выхода трансформатора обычно представляет собой узкий пик очень высокого напряжения с относительно небольшой энергией по сравнению с энергией, управляемой тригатроном. Энергия для триггерного импульса обычно берется из конденсатора, который может заряжаться от источника питания самой схемы тригатрона. В этом отношении вся схема очень похожа на импульсную лампу, в которой триггерный трансформатор обеспечивает ионизацию в лампе, а сама лампа одновременно функционирует как источник света и элемент переключения мощности. Воздушный искровой разряд, в котором сам искровой промежуток содержит триггерный электрод и действует как переключатель, является формой тригатрона с той же двойной функцией. Тригатроны часто помещают в "носки" из рыхлой ткани, пропитанной смолой, для удержания осколков в случае взрыва устройства из-за внутреннего избыточного давления. Тригатроны находят широкое применение в импульсных энергетических установках. Например, они использовались в ранних модулях радаров для подачи мощных импульсов в магнетроны, для работы с детонаторами типа "шлеппер" или для запуска генератора Маркса.

A trigatron is a type of triggerable spark gap switch designed for high current and high voltage (usually 10–100 kV and 20–100 kA, though devices in the mega ampere range exist as well). It has very simple construction and in many cases is the lowest cost high energy switching option. It may operate in open air, it may be sealed, or it may be filled with a dielectric gas other than air or a liquid dielectric. The dielectric gas may be pressurized, or a liquid dielectric (e. g. mineral oil) may be substituted to further extend the operating voltage. Trigatrons may be rated for repeated use (over 10,000 switching cycles), or they may be single shot, destroyed in a single use. A trigatron has three electrodes. The heavy main electrodes are for the high current switching path, and a smaller third electrode serves as the trigger. During normal operation, the voltage between the main electrodes is somewhat lower than the breakdown voltage corresponding to their distance and the dielectric between them (usually air, argon oxygen, nitrogen, hydrogen, or sulfur hexafluoride). To switch the device, a high voltage pulse is delivered to the triggering electrode. This ionizes the medium between it and one of the main electrodes, creating a spark which shortens the thickness of non ionized medium between the electrodes. The triggering spark also generates ultraviolet light and free electrons in the main gap. These lead to the rapid electrical breakdown of the main gap, culminating in a low resistance electric arc between the main electrodes. The arc will continue to conduct until current flow drops sufficiently to extinguish it. The triggering electrode is most often mounted through a hole in the center of the positive main electrode. The undrilled main electrode is the negative electrode. When switching high currents, the electrodes undergo considerable heat stress, as they are directly involved in the electric arc. This causes the surfaces to undergo gradual vaporization, so some designs incorporate methods to easily adjust the distance between the electrodes or to actually replace the electrodes. The main electrodes are typically fabricated from brass, copper or its alloys, tungsten, or copper–tungsten composite, to achieve longer electrode life. The trigger pulse is most often delivered by a trigger transformer. Some trigatron units have trigger modules integrated; others use external ones. The trigger transformer secondary can be galvanically isolated from its primary side. Some manufacturers offer trigger modules controlled by an optical fiber, which isolates the control circuitry from the electromagnetic interference effects of the sharp and intense electrical pulses. The trigger pulse from the transformer output is typically a narrow spike of very high voltage, with relatively small energy compared to the energy controlled by the trigatron. The energy for the trigger pulse is usually derived from a capacitor, which may be charged from the power source of the trigatron's own circuit. In this regard, the entire circuit is very similar to a flashtube based photoflash, where the trigger transformer provides the ionization in the tube and the tube functions simultaneously as the light source and the power switching element for itself. An air gap flash type, where the flash gap itself contains a trigger electrode and acts as a switch, is a form of a trigatron with the same dual function. Trigatrons are often enclosed in resin impregnated loose knit fabric "socks", to contain fragments if the device explodes due to internal overpressure. Trigatrons find many uses in pulsed power applications. For example, they were used in early radar modulators to feed the high power pulses into the magnetrons, for use with slapper detonators, or for triggering a Marx generator.