Studená katoda - Cold cathode
Studenou katodou je katoda , který není elektricky vytápěn vlákna . Katodu lze považovat za „studenou“, pokud emituje více elektronů, než kolik může být dodáno samotnou termionickou emisí . Používá se v plynových výbojkách , jako jsou neonové žárovky , výbojky a některé typy vakuových trubic . Druhým typem katody je horká katoda , která je ohřívána elektrickým proudem procházejícím vláknem . Studená katoda nemusí nutně fungovat při nízké teplotě: je často zahřívána na svoji provozní teplotu jinými způsoby, například proudem procházejícím z katody do plynu.
Zařízení se studenou katodou
Vakuová trubice se studenou katodou nespoléhá na externí zahřívání elektrody, aby zajistila termionické emise elektronů. Raná zařízení se studenou katodou zahrnovala Geisslerovu trubici a Pluckerovu trubici a rané katodové trubice . Studium jevů v těchto zařízeních vedlo k objevu elektronu.
Neonové žárovky se používají jak k produkci světla jako indikátorů, tak pro speciální osvětlení a také jako obvodové prvky vykazující negativní odpor . Přidání spouštěcí elektrody k zařízení umožnilo spuštění doutnavého výboje externím řídicím obvodem; Společnost Bell Laboratories vyvinula v roce 1936 zařízení se studenou katodou „se spouštěcí trubicí“.
Bylo vyvinuto mnoho typů přepínací trubice se studenou katodou, včetně různých typů tyratronu , krytronu , displejů se studenou katodou ( trubice Nixie ) a dalších. Trubice regulátoru napětí spoléhají na relativně konstantní napětí doutnavého výboje v určitém rozsahu proudu a byly použity ke stabilizaci napájecích napětí v trubicových přístrojích. Dekatron je za studena katodou trubka s více elektrodami, které se používá pro počítání. Pokaždé, když je na řídicí elektrodu aplikován impuls, žhavicí výboj se přesune na krokovou elektrodu; poskytnutím deseti elektrod v každé trubici a kaskádováním trubic lze vyvinout systém čítačů a počet pozorovat podle polohy zářivých výbojů. Čítačové trubice byly široce používány před vývojem čítačů integrovaných obvodů .
Blesková trubice je za studena katodou zařízení naplněné xenonovým plynem, který se používá k výrobě intenzivní krátký puls světla pro fotografování nebo působit jako stroboskop zkoumat pohyb pohyblivých částí.
Lampy
Mezi žárovky se studenou katodou patří zářivky se studenou katodou (CCFL) a neonové žárovky . Neonové žárovky při vyzařování světla primárně spoléhají na buzení molekul plynu; CCFL používají výboj ve rtuťových parách k vývoji ultrafialového světla, což zase způsobuje, že fluorescenční povlak na vnitřní straně lampy vyzařuje viditelné světlo.
Studena katodou zářivky byly použity pro podsvícení na LCD , například počítačových monitorů a televizních obrazovek.
V osvětlovacím průmyslu se „studenou katodou“ historicky rozumí světelné trubice o průměru větším než 20 mm a pracující při proudu 120 až 240 miliampérů. Tato trubice většího průměru se často používá pro vnitřní výklenek a obecné osvětlení. Termín "neonová lampa" se týká trubek, které jsou menší než 15 mm v průměru a obvykle pracují při přibližně 40 miliampérech. Tyto žárovky se běžně používají pro neonové nápisy.
Podrobnosti
Katoda je záporná elektroda. Každá výbojka má kladnou (anodu) a zápornou elektrodu. Obě elektrody střídavě fungují jako anoda a katoda, když tato zařízení běží se střídavým proudem .
Studenou katodou se odlišuje od horké katody , který se zahřívá k vyvolání thermionic emise z elektronů . Výbojky s horkými katodami mají obal naplněný nízkotlakým plynem a obsahující dvě elektrody. Mezi zařízení s horkou katodou patří běžné vakuové trubice , zářivky , vysokotlaké výbojky a vakuové zářivky .
Povrch studených katod může emitovat sekundární elektrony v poměru větším než jednota (rozpad). Elektron, který opouští katodu, se srazí s neutrálními molekulami plynu. Srážka může molekulu jen nabudit, ale někdy uvolní elektron a vytvoří pozitivní ion. Původní elektron a uvolněný elektron pokračují směrem k anodě a mohou vytvářet více kladných iontů (viz Townsendova lavina ). Výsledkem je, že pro každý elektron, který opouští katodu, je generováno několik kladných iontů, které nakonec narazí na katodu. Některé shazující kladné ionty mohou generovat sekundární elektron. Výboj je soběstačný, když pro každý elektron, který opouští katodu, zasáhne katodu dostatek kladných iontů, aby v průměru uvolnil další elektron. Externí obvody omezují vybíjecí proud. Výbojky se studenou katodou používají vyšší napětí než žárovky s horkou katodou. Výsledné silné elektrické pole v blízkosti katody zrychluje ionty na dostatečnou rychlost, aby se z katodového materiálu vytvořily volné elektrony.
Dalším mechanismem pro generování volných elektronů ze studeného kovového povrchu je emise pole . Používá se v některých rentgenových trubicích , polním elektronovém mikroskopu (FEM) a displejových emisních polích (FED).
Studené katody mají někdy povlak vzácných zemin, který zvyšuje emise elektronů. Některé typy obsahují zdroj beta záření pro zahájení ionizace plynu, který plní trubici. V některých trubicích je doutnavý výboj kolem katody obvykle minimalizován; místo toho existuje takzvaný pozitivní sloupec, plnící zkumavku. Příklady jsou neonová lampa a nixie trubice . Také trubice Nixie jsou neonové displeje se studenou katodou, které jsou řadová, ale nikoli rovinná zobrazovací zařízení.
Zařízení se studenou katodou obvykle používají komplexní vysokonapěťový napájecí zdroj s určitým mechanismem pro omezení proudu. Přestože vytvoření počátečního vesmírného náboje a prvního oblouku proudu trubicí může vyžadovat velmi vysoké napětí, jakmile se trubice začne zahřívat, elektrický odpor klesá, čímž se zvyšuje elektrický proud lampou. Aby se tento efekt vykompenzoval a zachoval normální provoz, napájecí napětí se postupně snižuje. V případě trubic s ionizujícím plynem se z plynu může stát velmi horké plazma a elektrický odpor je výrazně snížen. Pokud by bylo provozováno z jednoduchého napájecího zdroje bez omezení proudu, vedlo by toto snížení odporu k poškození napájecího zdroje a přehřátí trubicových elektrod.
Aplikace
Studené katody se používají v usměrňovačích se studenou katodou , jako jsou ventily s crossatronovým a rtuťovým obloukem , a v zesilovačích se studenou katodou , například v automatickém účtování zpráv a v dalších spínacích aplikacích pseudosparku . Další příklady zahrnují thyratron , krytronové , sprytronové a ignitron trubky.
Běžná aplikace se studenou katodou je v neonových nápisech a na dalších místech, kde je pravděpodobné, že okolní teplota klesne hluboko pod bod mrazu, Hodinová věž, Westminsterský palác (Big Ben) využívá osvětlení studené katody za ciferníky, kde dochází k neustálému zarážení a selhání udeřit v chladném počasí by bylo nežádoucí. V minulosti se vyráběly velké zářivky se studenou katodou (CCFL), které se používají dodnes, když jsou požadovány tvarované lineární světelné zdroje s dlouhou životností. Od roku 2011, miniaturní CCFL byly široce používány jako podsvícení pro počítače a televize s tekutými krystaly displeje . Životnost CCFL se u LCD televizorů liší v závislosti na přechodových vlnách napětí a teplotních úrovních v prostředích použití.
Díky své účinnosti se technologie CCFL rozšířila do osvětlení místnosti. Náklady jsou podobné jako u tradičního zářivkového osvětlení , ale s několika výhodami: vyzařované světlo je pro oči jednodušší , žárovky se okamžitě zapnou na plný výkon a jsou také stmívatelné.
Účinky vnitřního vytápění
V systémech využívajících střídavý proud, ale bez oddělených anodových struktur, se elektrody střídají jako anody a katody a dopadající elektrony mohou způsobit značné lokalizované zahřívání, často až červené teplo . Elektroda může využít tohoto zahřívání k usnadnění termionické emise elektronů, když působí jako katoda. ( Tento aspekt využívají zářivky s okamžitým startem ; začínají jako zařízení se studenou katodou, ale brzy lokalizované zahřívání jemných wolframových drátových katod způsobí, že budou pracovat ve stejném režimu jako žárovky s horkou katodou .)
Tento aspekt je problematický v případě podsvícení displeje LCD . Nové předpisy o energetické účinnosti navrhované v mnoha zemích budou vyžadovat variabilní podsvícení; variabilní podsvícení také zlepšuje vnímaný rozsah kontrastu, což je u LCD televizorů žádoucí. CCFL jsou však přísně omezeny v míře, ve které mohou být stmívány, a to jednak proto, že nižší plazmový proud sníží teplotu katody, což způsobí nepravidelný provoz, a také proto, že provoz katody na příliš nízké teplotě drasticky zkrátí životnost lampy. Na tento problém směřuje hodně výzkumu, ale špičkoví výrobci se nyní obracejí na vysoce účinné bílé LED diody jako na lepší řešení.
Viz také
- Měnič CCFL (nebo rezonanční transformátor)