Холодные катоды: типы, применение и принципы работы

Введение

Тип электрода и часть люминесцентной лампы с холодным катодом. Источники света и индикаторы.

Холодный катод – это катод, который не нагревается электрическим током посредством нити накаливания. Катод может считаться "холодным", если он испускает больше электронов, чем может быть обеспечено исключительно термоионной эмиссией. Он используется в газоразрядных лампах, таких как неоновые лампы, разрядные трубки и некоторые типы вакуумных ламп. Другой тип катода – горячий катод, который нагревается электрическим током, проходящим через нить накаливания. Холодный катод не обязательно работает при низкой температуре: он часто нагревается до рабочей температуры другими способами, например, током, проходящим от катода в газ.

Устройства с холодным катодом

Для холодной вакуумной трубки не требуется внешний нагрев электрода для обеспечения термоэлектронной эмиссии электронов. Ранние устройства с холодным катодом включали трубку Гейслера, трубку Плюкера и ранние электронно-лучевые трубки. Изучение явлений в этих устройствах привело к открытию электрона. Неоновые лампы используются как для получения света в качестве индикаторов и специального освещения, так и в качестве элементов схемы, демонстрирующих отрицательное сопротивление. Добавление управляющего электрода позволило инициировать свечение разряда внешней управляющей схемой; Bell Laboratories разработала холодную катодную "триггерную трубку" в 1936 году. Было разработано множество типов переключающих трубок с холодным катодом, включая различные типы тиратронов, критронов, холоднокатодные дисплеи (трубки Никси) и другие. Стабилитроны используют относительно постоянное напряжение свечения разряда в определенном диапазоне тока и применялись для стабилизации напряжения питания в приборах на электронных лампах. Декатрон – это холодная катодная трубка с несколькими электродами, используемая для подсчета. Каждый раз, когда импульс подается на управляющий электрод, свечение разряда перемещается к следующему электроду; используя десять электродов в каждой трубке и соединяя их последовательно, можно создать счетную систему, где положение свечения разряда отображает значение счетчика. Счетные трубки широко использовались до разработки интегральных схем для подсчета. Флэш-лампа – это холодное катодное устройство, заполненное ксеноном, используемое для создания интенсивного короткого светового импульса для фотосъемки или в качестве стробоскопа для изучения движения частей.

Лампы

К холоднокатодным лампам относятся холоднокатодные люминесцентные лампы (CCFL) и неоновые лампы. Неоновые лампы в основном основаны на возбуждении молекул газа для излучения света, в то время как CCFL используют разряд в парах ртути для генерации ультрафиолетового излучения, которое, в свою очередь, вызывает свечение флуоресцентного покрытия на внутренней поверхности лампы, создавая видимый свет. Холоднокатодные люминесцентные лампы применялись для подсветки ЖК-дисплеев, например, компьютерных мониторов и телевизионных экранов. В индустрии освещения термин "холодный катод" исторически относился к светящимся трубкам диаметром более 20 мм и работающим при токе от 120 до 240 миллиампер. Трубки большего диаметра часто используются для освещения ниш и общего освещения помещений. Термин "неоновая лампа" обозначает трубки диаметром менее 15 мм, которые обычно работают при токе около 40 миллиампер. Эти лампы широко используются для изготовления неоновых вывесок.

Подробности

Катод – это отрицательный электрод. Любая лампа с газовым разрядом имеет положительный (анод) и отрицательный электроды. Оба электрода попеременно выступают в роли анода и катода при работе этих устройств с переменным током. Холодный катод отличается от горячего катода, который нагревается для индуцирования термоэлектронной эмиссии. Трубки с горячими катодами имеют оболочку, заполненную газом низкого давления и содержащую два электрода. К устройствам с горячим катодом относятся обычные вакуумные лампы, люминесцентные лампы, лампы высокого давления и вакуумно-люминесцентные дисплеи. Поверхность холодных катодов может испускать вторичные электроны в соотношении, превышающем единицу (пробой). Электрон, покидающий катод, сталкивается с нейтральными молекулами газа. Столкновение может лишь возбудить молекулу, но иногда приводит к выбиванию электрона и образованию положительного иона. Исходный электрон и освобожденный электрон продолжают движение к аноду и могут создавать больше положительных ионов (см. лавину Таунсенда). В результате, на каждый электрон, покидающий катод, генерируется несколько положительных ионов, которые в конечном итоге достигают катода. Некоторые сталкивающиеся положительные ионы могут генерировать вторичный электрон. Разряд становится самоподдерживающимся, когда для каждого электрона, покидающего катод, достаточное количество положительных ионов попадает в катод, чтобы в среднем освободить еще один электрон. Внешняя схема ограничивает ток разряда. Лампы с холодным катодом используют более высокие напряжения, чем лампы с горячим катодом. Образующееся сильное электрическое поле вблизи катода ускоряет ионы до достаточной скорости для создания свободных электронов из материала катода. Другой механизм генерации свободных электронов с холодной металлической поверхности – это полевая электронная эмиссия. Он используется в некоторых рентгеновских трубках, полевом электронном микроскопе (FEM) и дисплеях с полевой эмиссией (FED). Холодные катоды иногда имеют редкоземельное покрытие для повышения эффективности эмиссии электронов. Некоторые типы содержат источник бета-излучения для инициации ионизации газа, заполняющего трубку. В некоторых трубках свечение вокруг катода обычно минимизируется; вместо этого присутствует так называемый положительный столб, заполняющий трубку. Примерами служат неоновые лампы и индикаторные лампы Никсie. Лампы Никсie также являются холодно-катодными неоновыми дисплеями, расположенными в линию, но не в плоскости. Устройства с холодным катодом обычно используют сложный источник питания высокого напряжения с механизмом ограничения тока. Хотя для создания начального пространственного заряда и первой дуги тока через трубку может потребоваться очень высокое напряжение, как только трубка начинает нагреваться, электрическое сопротивление падает, тем самым увеличивая электрический ток через лампу. Чтобы компенсировать этот эффект и поддерживать нормальную работу, напряжение питания постепенно снижается. В случае трубок с ионизирующим газом газ может превратиться в очень горячую плазму, и электрическое сопротивление значительно уменьшается. При работе от простого источника питания без ограничения тока это снижение сопротивления приведет к повреждению источника питания и перегреву электродов трубки.

The cathode is the negative electrode. Any gas discharge lamp has a positive (anode) and a negative electrode. Both electrodes alternate between acting as an anode and a cathode when these devices run with alternating current. A cold cathode is distinguished from a hot cathode that is heated to induce thermionic emission of electrons. Discharge tubes with hot cathodes have an envelope filled with low pressure gas and containing two electrodes. Hot cathode devices include common vacuum tubes, fluorescent lamps, high pressure discharge lamps and vacuum fluorescent displays. The surface of cold cathodes can emit secondary electrons at a ratio greater than unity (breakdown). An electron that leaves the cathode will collide with neutral gas molecules. The collision may just excite the molecule, but sometimes it will knock an electron free to create a positive ion. The original electron and the freed electron continue toward the anode and may create more positive ions (see Townsend avalanche). The result is for each electron that leaves the cathode, several positive ions are generated that eventually crash onto the cathode. Some crashing positive ions may generate a secondary electron. The discharge is self sustaining when for each electron that leaves the cathode, enough positive ions hit the cathode to free, on average, another electron. External circuitry limits the discharge current. Cold cathode discharge lamps use higher voltages than hot cathode ones. The resulting strong electric field near the cathode accelerates ions to a sufficient velocity to create free electrons from the cathode material. Another mechanism to generate free electrons from a cold metallic surface is field electron emission. It is used in some x ray tubes, the field electron microscope (FEM), and field emission displays (FEDs). Cold cathodes sometimes have a rare earth coating to enhance electron emission. Some types contain a source of beta radiation to start ionization of the gas that fills the tube. In some tubes, glow discharge around the cathode is usually minimized; instead there is a so called positive column, filling the tube. Examples are the neon lamp and nixie tubes. Nixie tubes too are cold cathode neon displays that are in line, but not in plane, display devices. Cold cathode devices typically use a complex high voltage power supply with some mechanism for limiting current. Although creating the initial space charge and the first arc of current through the tube may require a very high voltage, once the tube begins to heat up, the electrical resistance drops, thus increasing the electric current through the lamp. To offset this effect and maintain normal operation, the supply voltage is gradually lowered. In the case of tubes with an ionizing gas, the gas can become a very hot plasma, and electrical resistance is greatly reduced. If operated from a simple power supply without current limiting, this reduction in resistance would lead to damage to the power supply and overheating of the tube electrodes.

Приложения

Холодные катоды используются в холодно-катодных выпрямителях, таких как кроссатрон и ртутные дуговые клапаны, а также в холодно-катодных усилителях, например, в системах автоматического учета сообщений и других приложениях псевдоискрового переключения. К другим примерам относятся тиратроны, критроны, спритроны и игнитроны. Распространенное применение холодных катодов – в неоновых вывесках и других местах, где температура окружающей среды может опускаться значительно ниже нуля. Часовая башня Вестминстерского дворца (Биг-Бен) использует холодный катод для освещения циферблата, чтобы избежать постоянных сбоев и отказа зажигания в холодную погоду. В прошлом производились большие люминесцентные лампы с холодным катодом (CCFL), которые до сих пор используются, когда требуются долговечные линейные источники света особой формы. По состоянию на 2011 год миниатюрные CCFL широко применялись в качестве подсветки для жидкокристаллических дисплеев компьютеров и телевизоров. Срок службы CCFL в ЖК-телевизорах зависит от переходных скачков напряжения и температуры окружающей среды. Благодаря своей эффективности технология CCFL получила распространение в освещении помещений. Стоимость сопоставима с традиционным люминесцентным освещением, но имеет ряд преимуществ: долгий срок службы, качество излучаемого света, мгновенное включение на полную мощность и возможность диммирования.

Влияние внутреннего нагрева

В системах, использующих переменный ток, но не имеющих отдельных анодных структур, электроды попеременно выступают в роли анодов и катодов, а сталкивающиеся с ними электроны могут вызывать значительный локальный нагрев, часто докрасна. Электрод может использовать этот нагрев для облегчения термоэлектронной эмиссии, когда он функционирует как катод. (Флуоресцентные лампы с мгновенным пуском используют этот принцип: они начинают работу как устройства с холодным катодом, но вскоре локальный нагрев тонких вольфрамовых нитей приводит к их работе в том же режиме, что и лампы с горячим катодом.) Этот аспект представляет проблему в случае подсветки, применяемой в LCD-телевизорах. Новые предлагаемые во многих странах нормы энергоэффективности потребуют регулируемой подсветки; регулируемая подсветка также улучшает воспринимаемый диапазон контрастности, что является желательным для ЖК-телевизоров. Однако степень диммирования CCFL строго ограничена, как из-за того, что снижение тока плазмы понижает температуру катода, вызывая нестабильную работу, так и из-за того, что работа катода при слишком низкой температуре значительно сокращает срок службы ламп. Значительные исследования направлены на решение этой проблемы, но ведущие производители все чаще переходят на высокоэффективные белые светодиоды как на более эффективное решение.