Р А Б О Т А № 2
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ
И
ДИНАМИЧЕСКИХХАРАКТЕРИСТИК ПРОБОЯ ЗАЩИТНЫХ РАЗРЯДНИКОВ
Составители: Тухас В.А.
Подгорный В.И.
Петрозаводск-2002 г.
Содержание
стр. | ||
Введение................................……………………………………...........…… | ||
Цель работы..........................................…………………………………........ | ||
Часть 1 | Импульсный разряд в газе и временные характеристики пробоя.……….. | |
1.1 | Таунсендовский пробой газа..................………………………………....... | |
1.2 | Стримерный пробой...........................……………………………………… | |
1.3 | Статическое и динамическое напряжение пробоя ……………………….. | |
1.4 | Временный характеристики импульсного пробоя в газах................…….. | |
Часть 2 | Измерение характеристик защитных разрядников | |
2.1 | Описание экспериментальной установки........…………………………… | |
2.2 | Техника безопасности........................……………………………………… | |
2.3 | Порядок выполнения работы...................……………………………......... | |
2.4 | Содержание отчёта...........................……………………………………...... | |
Контрольные вопросы..........................……………………………………... | ||
Литература..................................……………………………………….......... |
ВВЕДЕНИЕ
Защитные разрядники предназначены для защиты электронных схем и систем от перенапряжений и переходных состояний. Конструктивно они представляют собой два (или более двух в особых случаях) металлических электрода, разделённых межэлектродным зазором ~ 1мм и размещённым в герметическом корпусе, заполненным инертным газом.
Разрядники включают в электрическую цепь параллельно защищаемой аппаратуре или её источнику питания. Их задачей является шунтирование цепи при возникновении в ней опасных для электронной схемы перенапряжений.
Принцип действия неуправляемых защитных разрядников основан на быстром уменьшении проводимости межэлектродного промежутка в 10-105 раз за счёт его пробоя и зажигания самостоятельного газового разряда. Этот процесс приводит к тому, что практически вся мощность источника перенапряжения поглощается в разряднике.
Известно, что при импульсном пробое газов между моментом приложения к разрядному промежутку электрического напряжения, достаточного для пробоя, и началом пробоя, который обычно фиксируется по резкому спаду напряжения, всегда имеется интервал времени, называемый временем запаздывания пробоя. Время запаздывания пробоя – это одна из основных характеристик защитного разрядника. Она определяет длительность воздействия опасных перенапряжений на защищаемую аппаратуру и, следовательно, играет решающую роль в сохранении работоспособности этой аппаратуры.
В настоящее время защитные разрядники достаточно широко применяются в системах телекоммуникаций, ЭВМ, системах предупреждающего оповещения, приборостроении, системах контроля за производственными процессами.
Цель работы.
1. Изучение основ физики газового разряда и его характеристик.
2. Практическое измерение некоторых характеристик разрядников.
ЧАСТЬ 1. ИМПУЛЬСНЫЙ РАЗРЯД В ГАЗЕ И ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОБОЯ.
1.1 Таунсендовский пробой газа.
В одной из первых теорий газового разряда, предложенной Таунсендом в начале ХХ века, считается, что развитие разряда осуществляется за счёт лавинного размножения электронов, возникающих в разрядном промежутке под действием постороннего ионизатора, и дрейфующих по направлению к аноду. Для характеристики процесса ионизации газа Таунсенд ввёл три коэффициента:
a - коэффициент объёмной ионизации газа электронами (первый коэффициент Таунсенда);
b - коэффициент ионизации положительными ионами (второй коэффициент Таунсенда);
g - коэффициент поверхностной ионизации на катоде (третий коэффициент Таунсенда) (на самом деле, по современным представлениям, он характеризует в основном электронную эмиссию, возникающую с катода в результате бомбардировки его положительными ионами.).
В соответствии с этой теорией будем считать, что длина свободного пробега электронов l е << d – межэлектродного промежутка. Тогда скорость дрейфа электронов Ve и ионов Vi пропорциональны локальному электрическому полю E (х) в промежутке:
Ve = me × E (x) Vi = mi × E (x)
Коэффициенты me × и mi – называются подвижностью электронов и ионов соответственно. Их можно выразить через частоты соударений электронов ne и ионов ni с нейтральными частицами:
me ×= e ∕me·ne mi ×= e ∕ mi·ni
где e – заряд электрона, me и mi - массы электрона и иона. Предположим, что на катоде происходит только вторичная эмиссия электронов под действием бомбардирующих катод ионов. На самом деле возможны и другие вторичные процессы: фотоионизация газа и фотоэмиссия электронов с катода под действием излучения, испускаемого в разряде, эмиссия электронов под действием бомбардировки катода возбуждёнными атомами или молекулами. На аноде не происходит ни эмиссии, ни отражения заряженных частиц.
С учётом этих предположений уравнения баланса, определяющие стационарные значения концентрации электронов и ионов в газовом объёме, можно записать в виде:
(1)
(1¢)
где: f = const – число электрон-ионных пар, созданных внешним ионизатором в 1см3 за 1сек
ne, ni – концентрации электронов и ионов
ni – частота ионизации электронным ударом, т.е. число электронов, которое в среднем создаёт один электрон в данной точке пространства за 1 сек при соударении его с молекулой или атомом газа (ni = a × Ve, где a – коэффициент ионизации Таунсенда).
Граничные условия исходя из наших предположений имеют вид:
на катоде (x = 0); g× ji (0) = je (0);
(2)
на аноде (x = d); ji (d)=0;
где:
je = e×ne (x)× Ve (x) – плотность электронного тока
ji = e×ni (x)× Vi (x) – плотность ионного тока
g – третий коэффициент Таунсенда, который равен отношению числа внешних электронов к полному числу ударяющихся о поверхность катода ионов. Экспериментальные данные показывают, что величина g ~ 10-1 ¸ 10-4.
Поскольку объёмная ионизация, производимая положительными ионами, очень мала, как правило, по сравнению с обычной ионизацией, производимой электронами, то мы пренебрегаем ей, т.е. считаем b = 0. Ионизацию соударениями положительных ионов необходимо учитывать только в случае очень сильных полей.
Решение системы уравнений (1) вместе с граничными условиями (2) приводит к следующему выражению для общего тока j = je + ji в межэлектродном пространстве при зажигании газового разряда [1]:
(3)
Из выражения (3) видно, что j ® ∞ в том случае, если знаменатель стремится к нулю (при любой величине f ≠ 0). Физически это означает переход разряда в самостоятельный, горение которого поддерживается, даже при отсутствии внешнего ионизатора, за счёт процессов, происходящих в нём самом.
Итак, условие перехода разряда в самостоятельный или критерий пробоя Таунсенда имеет вид:
(4)
Коэффициенты a и g являются функциями напряжённости поля E(x), а, следовательно, при данной геометрической конфигурации электродов и функциями разницы потенциалов между анодом и катодом U. При прочих равных условиях a и g возрастают вместе с возрастанием напряжения U и левая часть выражения (4) также увеличивается с увеличением U. Поэтому можно считать, что условие (4) в принципе определяет статическое напряжение пробоя газового промежутка:
(5)
В том случае, когда можно пренебречь искажением начального однородного поля пространственным зарядом электронов и ионов, образующихся на стадии развития пробоя, условие (4) упрощается:
(6)
Отсюда можно определить в явном виде напряжение пробоя UC.
Стримерный пробой.
В случае, когда электрическое поле электронов и ионов, образующихся в газе на стадии развития пробоя, становится сравнимым с приложенным электрическим полем, (это происходит, как правило, при более высоких значениях p·d (где p давление газа)), например при (p·d) ≥ 101 – 102 Тор·см [1]. Из уравнения (4) уже нельзя определить напряжение пробоя, так как распределение электрического поля в межэлектродном промежутке само зависит от плотности газоразрядного тока. В этих условиях рассмотрение процесса зажигания газового разряда требует совместного анализа уравнений переноса электронов и ионов и уравнений электродинамики. Пробой газа, развивающийся в этих условиях, носит название стримерного. Характер развития стримерного пробоя, в отличие от таунсендовского, существенным образом определяется числом первичных электронов, присутствующих в межэлектродном промежутке к моменту приложения электрического поля. Это обстоятельство обусловлено тем, что число первичных электронов определяет тот момент времени в развитии пробоя, когда увеличивающаяся концентрация заряженных частиц исказит первоначально однородное электрическое поле в межэлектродном промежутке.
Стример представляет собой слабо ионизированный тонкий канал, который образуется из первичной лавины в достаточно сильном поле и прорастает в ту или другую или в обе стороны к электродам. У порога пробоя плоского промежутка - от самого анода к катоду. Обладая некоторой проводимостью, он по достижении электродов может так трансформировать поле, что откроется возможность резкого усиления ионизации и тока, и это в конечном итоге приведёт к искровому разряду в промежутке. Для перерождения лавины в стример в ней должно достигаться достаточно высокое усиление. Поле пространственного заряда должно вырасти до величины порядка приложенной, иначе не будет причин для нарушения нормального хода развития лавины. Соответствующее приближенное равенство E ' ≈ E 0 можно рассматривать как критерий возникновения стримера. Здесь E ' - поле пространственного заряда лавины, E 0 - напряженность внешнего поля.