Генераторы релаксационных колебаний на "холодных" тиратронах

Радио 1957 №5

Применение тиратронов с «холодным» катодом (так называемых «холодных» тиратронов) в самых разнообразных релаксационных генераторах (мультивибраторах) выгодно прежде всего тем, что генераторы на «холодных» тиратронах, по сравнению с собранными на электронных лампах, потребляют значительно меньшую мощность на питание. Обусловливается это не только отсутствием у таких тиратронов нити накала, но и малой величиной собственного внутреннего сопротивления тиратрона при прохождении через него тока. Так, например, типовой мультивибратор на электронных лампах потребляет от источника питания мощность порядка 2-3 Вт, тогда как у такого же мультивибратора, собранного на «холодных» тиратронах, мощность питания обычно не превышает 0,1 Вт.

Схемы генераторов релаксационных колебаний на тиратронах

Рис. 1.

Тиратрон с «холодным» катодом представляет собой ионный прибор тлеющего разряда, моментом зажигания которого можно управлять с помощью напряжения, подаваемого на так называемый поджигающий или стартовый электрод, расположенный между анодом и катодом. При подаче на поджигающий электрод положительного напряжения между этим электродом и катодом тиратрона появляется слабый ток («ток темного разряда»), возбуждающий ионизацию газа, наполняющего тиратрон, и приводящий, при определенных условиях, к зажиганию тиратрона.

Описания схем нескольких наиболее употребительных мультивибраторов, собранных на «холодных» тиратронах типа МТХ-90, приводятся в настоящей статье.

Генератор релаксационных колебаний с двумя устойчивыми состояниями. Принципиальная схема релаксационного генератора (мультивибратора) с двумя устойчивыми состояниями, часто называемого также бинарной пересчётной ячейкой, показана на рис. 1, а. Режим работы генератора подбирается таким, чтобы при отсутствии на поджигающих электродах внешнего положительного напряжения величины напряжений на анодах были достаточны для зажигания этих тиратронов.

Так как оба тиратрона мультивибратора не могут быть абсолютно одинаковыми по своим электрическим характеристикам, то всегда какой-либо из них «загорится» несколько раньше другого. Как только это произойдет, величина сопротивления тиратрона резко упадет, в результате чего напряжение на аноде второго тиратрона снизится и второй тиратрон «загореться» не сможет.

Допустим, что «загорелся» тиратрон Л1. Ток этого тиратрона создаёт на сопротивлении R1 постоянное падение напряжения. Одновременно с этим по цепи Rа-Л1-С-R2 начинается заряд ёмкости С от источника питания и возникающее на ней напряжение оказывается приложенным между катодом и поджигающим электродом тиратрона Л2 так, что поджигающий электрод оказывается под положительным потенциалом по отношению к катоду.

Под действием этого напряжения по цепи Rа-Л1-C - поджигающий электрод - катод - R2 проходит ток темнового разряда, создающий на сопротивлении R4 падение напряжения. Величина сопротивления R4 выбирается такой, чтобы результирующее напряжение между поджигающим электродом и катодом тиратрона Л2 было меньше, чем это нужно для зажигания тиратрона под действием анодного напряжения. Таким образом, после того как «загорелся» тиратрон Л1, генератор находится в устойчивом состоянии, при котором на сопротивлении R1 имеется постоянное напряжение.

Предположим теперь, что на поджигающие электроды тиратронов через конденсаторы С1 и С2 поступил положительный импульс. Так как тиратронов это время «горит», то импульс не окажет никакого влияния на работу тиратрона, подобно тому, как не оказывает влияния на работу обычного тиратрона с нитью накала напряжение, подаваемое на сетку, если такой тиратрон «зажжен». Что же касается тиратрона Л2, то, благодаря положительному напряжению на его поджигающем электроде, этот тиратрон зажигается.

Графики напряжений на тиратронах

Рис. 2.

Напряжение на анодах тиратронов вследствие увеличения падения напряжения на сопротивлении Ra уменьшается, так как через это сопротивление проходит ток обоих тиратронов.

Под действием напряжения, возникающего на сопротивлении R2, начинается перезаряд конденсатора С током тиратрона Л2 (по цепи С-R1-R2). Ток перезаряда создаёт на сопротивлении R1 падение напряжения; плюс этого напряжения попадает на катод тиратрона Л1 (рис. 1, б), в результате чего напряжение между анодом и катодом тиратрона Л1 резко уменьшается и тиратрон Л1 гаснет. Что же касается тиратрона Л2, то минус напряжения, создаваемого током перезаряда конденсатора С на сопротивлении R2, будет приложен к катоду тиратрона, вследствие чего напряжение между анодом и катодом тиратрона увеличивается и тиратрон Л2 продолжает гореть.

После погасания тиратрона Л1 релаксационный генератор переходит во второе устойчивое состояние (рис. 1, в) и сохраняет его до поступления на поджигающий электрод следующего внешнего положительного импульса, который вызывает зажигание первого тиратрона и погашение тиратрона Л2. Релаксационный генератор переходит снова в первое устойчивое состояние; происходит это так же, как было описано выше.

Если же в момент включения генератора «загорелся» тиратрон Л2 и поэтому исходным начальным положением релаксационного генератора является второе его устойчивое состояние, то подача внешнего импульса приведет к зажиганию тиратрона Л1 и к погашению тиратрона Л2. Дальнейший процесс происходит в том же, описанном выше порядке.

Изменение величины падения напряжений на катодных сопротивлениях тиратронов в зависимости от поступления внешних импульсов показано на рис. 2, а. На этом рисунке видно, что всплески прямоугольных по форме импульсов напряжения на сопротивлениях R1 и R2 возникают в два раза реже частоты следования приходящих импульсных сигналов. Это позволяет использовать такой релаксационный генератор, например, как счетчик импульсов (до двух). Составляя последовательную цепочку таких ячеек, можно обеспечить по двоичной системе счисления счет любого числа импульсов. Так, например, если к выходу первой ячейки подключить вторую, то на выходе второй ячейки прямоугольный всплеск напряжения будет появляться после прихода четвёртого внешнего импульса. При трех последовательно включенных ячейках полное срабатывание третьей ячейки произойдет после прихода восьмого импульса, при четырех ячейках - после шестнадцатого импульса и т. д. В общем случае, если число ячеек равно р, то может быть обеспечен счёт до 2р импульсов.

Генераторы релаксационных колебаний с одним устойчивым состоянием (ждущие мультивибраторы).

Принципиальная схема релаксационного генератора с одним устойчивым состоянием, в анодной цепи левого тиратрона Л1 которого образуется отрицательный импульс, показана на рис. 3, а. Режим работы ждущего мультивибратора подбирается таким, чтобы при отсутствии импульса на входе один из тиратронов, например тиратрон Л1, пропускал ток.

Схемы ждущих мультивибраторов на тиратронах

Рис. 3.

Как только тиратрон Л1 «загорается», через него начинает проходить ток, под действием которого напряжение на аноде резко падает.

В начальный момент, когда заряд на конденсаторе С отсутствует, разность потенциалов между катодом и поджигающим электродом тиратрона Л2 равна нулю и тиратрон Л2 загореться не может. По мере того как под действием тока, идущего через тиратрон Л1, на конденсаторе С накапливается заряд, на поджигающем электроде тиратрона Л2 появляется постепенно возрастающий по отношению к катоду положительный потенциал.

В некоторый момент времени, определяемый постоянной времени зарядной цепи С*(R'2 + R''2+Ra1+Ri), где Ri - внутреннее сопротивление тиратрона Л1, разность потенциалов между поджигающим электродом и катодом тиратрона Л2 становится достаточной для зажигания тиратрона и тиратрон Л2 загорается.

После того как тиратрон Л2 «загорелся», начинается переразряд конденсатора С в обратном направлении и ток этого переразряда создает на сопротивлении R1 падение напряжения, плюс которого подается на катод. Это падение напряжения снижает разность потенциалов между катодом и анодом тиратрона Л1 ниже уровня погасания и тиратрон Л1 гаснет. Величина напряжения на его аноде достигает прежнего значения, равного напряжению источника питания анодных цепей. Тиратрон Л2 продолжает «гореть».

В момент поступления на вход положительного импульса тиратрон Л1 вновь зажигается и напряжение на его аноде снова падает. В этот момент конденсатор С окажется заряженным током тиратрона Л2 и на катоде этого тиратрона окажется положительный потенциал по отношению к земле. При зажигании тиратрона Л1 начинается перезаряд конденсатора С и ток этого перезаряда, имеющий в начальный момент большую величину, создает на сопротивлениях R'2 и R''2 дополнительное падение напряжения, плюс которого приложен к катоду тиратрона Л2, и тиратрон Л2 гаснет. Переразряд конденсатора С током тиратрона Л1 продолжается и тогда, когда напряжение на конденсаторе достигнет величины, достаточной для зажигания, тиратрон Л2 «загорается», а Л1 «гаснет». В дальнейшем процесс протекает так же, как описано выше.

Форма напряжения на аноде тиратрона Л1 имеет вид импульсов, фронт которых соответствует моментам подачи входных импульсов, а длительность зависит от величин ёмкости конденсатора С и сопротивлений R'2, R''2 и Rai.

Если же в момент включения мультивибратора загорелся тиратрон Л2, то потенциал катода Л2, действующий на поджигающем электроде тиратрона Л1, вызовет зажигание его. Далее процессы пойдут в порядке, описанном выше. Сформировав на выходе импульс и отдав его в последующую ячейку, мультивибратор будет находиться в ждущем состоянии до прихода очередного запускающего импульса.

На рис. 3, б приведена схема ждущего мультивибратора, который позволяет получать импульсы напряжения положительной полярности. Эти импульсы снимаются с сопротивления R1. Указанные на схеме величины ёмкости конденсатора С и сопротивлений соответствуют длительности импульса в 2,5 мсек. Принцип действия мультивибратора легко понять, пользуясь приведенным выше описанием.

Форма напряжения на катоде тиратрона Л1 мультивибратора, собранного по схеме рис. 3, а, приведена на рис. 2, б.

Мультивибратор с самовозбуждением. Принципиальная схема мультивибратора с самовозбуждением, собранного на «холодных» тиратронах типа МТХ-90, показана на рис. 3, в. Режим работы мультивибратора подбирается таким, чтобы при включении анодного питания один из тиратронов «загорелся».

Предположим, что «загорелся» тиратрон Л1. Ток этого тиратрона начинает заряжать конденсатор С по цепи R2-Ra1 -тиратрон Л1 и создаёт на сопротивлении R2 падение напряжения, плюс которого подается на катод тиратрона Л2, и поэтому, если «вспыхнул» тиратрон Л1, то тиратрон Л2 в это время «загореться» не может.

По мере заряда конденсатора С положительное напряжение на катоде тиратрона Л2 постепенно уменьшается и в то же время на поджигающем электроде этого тиратрона по отношению к катоду увеличивается положительный потенциал, обусловленный увеличением напряжения на конденсаторе С.

В некоторый промежуток времени, определяемый постоянной времени цепи заряда С*(R2+Ra1+Ri тиратрона Л1), положительный потенциал на поджигающем электроде тиратрона Л2 становится достаточным для зажигания, и тиратрон Л2 «загорается».

Как только произошло зажигание Л2, ток, идущий через этот тиратрон, вызывает перезаряд конденсатора С и создает на сопротивлении R1 значительное падение напряжения, плюс которого подается на катод и тиратрон Л1 гаснет.

Потенциал на поджигающем электроде тиратрона Л1, сначала отрицательный по отношению к потенциалу катода, убывает по величине, а затем, изменив знак, возрастает.

В момент, определяемый постоянной времени цепи С*(R1+Rа2+Ri тиратрона Л2), когда положительный потенциал на поджигающем электроде Л1 станет достаточным для зажигания, тиратрон Л1 «загорается». Тиратрон Л2 при этом «гаснет» и процесс работы мультивибратора полностью повторяется.

На выходе мультивибратора можно получить напряжения как симметричные по форме, так и несимметричные, в зависимости от соотношения постоянных времени С*(R2+ Ra1+Ri) тиратрона Л1 и C*(R1+Rа2+Ri) тиратрона Л2. Они могут изменяться в больших пределах при изменении любого из этих параметров. Симметричные по форме напряжения, снимаемые с анодных сопротивлений Rа1 и Rа2, показаны на рис. 2, в (частота колебаний порядка 100 Гц). Амплитуда колебаний при напряжении питания анодных цепей 150 В составляет около 40 В.

На рис. 3, г изображена видоизмененная схема мультивибратора с самовозбуждением, с катодных сопротивлений которого можно снимать положительное напряжение. Этот мультивибратор удобен тем, что выходное напряжение можно снимать непосредственно с катодного сопротивления без переходной ёмкости.

В настоящей статье из большого числа различных релаксационных генераторов (мультивибраторов, собранных на «холодных» тиратронах)) описаны лишь несколько наиболее типичных. Большое удобство и универсальность, малая потребляемая мощность в различных приборах, устойчивость при длительной работе и небольшие габариты таких генераторов открывают перед ними перспективы для широкого применения.

Л. Клопов, Ю. Поляков

BACK