Холодный катод - Cold cathode

Эта статья про источники света и индикаторы. Для источников ионов с холодным катодом см. Источник ионов.
Набор разрядных трубок с холодным катодом

А холодный катод[1] это катод который не нагревается электрически нить.[примечание 1] Катод можно считать «холодным», если он испускает больше электронов, чем может обеспечить термоэлектронная эмиссия один. Он используется в газоразрядные лампы, такие как неоновые лампы, разрядные трубки, и некоторые виды вакуумная труба. Другой тип катода - это горячий катод, который нагревается электрическим током, проходящим через нить. Холодный катод не обязательно работает при низкой температуре: он часто нагревается до предела. Рабочая Температура другими способами, такими как ток, проходящий от катода в газ.

Устройства с холодным катодом

Расположение цифр в стопке в Трубка Nixie видно здесь

Вакуумная лампа с холодным катодом не требует внешнего нагрева электрода для обеспечения термоэлектронная эмиссия электронов. Ранние устройства с холодным катодом включали Трубка Гейсслера и Плюккерная трубка, и рано электронно-лучевые трубки. Изучение явлений в этих устройствах привело к открытию электрона.

Неоновые лампы используются как для получения света в качестве индикаторов, так и для подсветки специального назначения, а также как элементы схемы, отображающие отрицательное сопротивление. Добавление триггерного электрода к устройству позволило инициировать тлеющий разряд с помощью внешней схемы управления; Bell Laboratories разработал устройство с холодным катодом «триггерная трубка» в 1936 году.[2]

Было разработано много типов коммутационных трубок с холодным катодом, включая различные типы тиратрон, то Критрон, дисплеи с холодным катодом (Трубка Nixie ) и другие. Регулятор напряжения лампы полагаются на относительно постоянное напряжение тлеющий разряд в широком диапазоне токов и использовались для стабилизации напряжения питания в ламповых приборах. А Декатрон представляет собой трубку с холодным катодом и несколькими электродами, которая используется для счета. Каждый раз, когда на управляющий электрод подается импульс, тлеющий разряд перемещается к ступенчатому электроду; путем размещения десяти электродов в каждой трубке и каскадирования трубок может быть разработана счетная система, и счет будет наблюдаться по положению тлеющих разрядов. Счетные трубки широко использовались до разработки Интегральная схема счетные устройства.

В вспышка устройство с холодным катодом, заполненное ксенон газ, используемый для создания интенсивного короткого импульса света для фотографирования или в качестве стробоскоп исследовать движение движущихся частей.

Лампы

Лампы с холодным катодом включают люминесцентные лампы с холодным катодом (CCFL) и неоновые лампы. Неоновые лампы в первую очередь полагаются на возбуждение молекул газа для излучения света; CCFL используют разряд в парах ртути для излучения ультрафиолетового света, который, в свою очередь, вызывает флуоресцентный покрытие на внутренней стороне лампы, излучающее видимый свет.

Люминесцентные лампы с холодным катодом использовались для подсветка из ЖК-дисплеи, например компьютерные мониторы и телевизионные экраны.

В осветительной промышленности «холодный катод» исторически относится к световым трубкам диаметром более 20 мм, работающим от 120 до 240 миллиампер. Эти трубы большего диаметра часто используются для внутреннего освещения ниш и общего освещения.[3][4]Термин «неоновая лампа» относится к трубке диаметром менее 15 мм.[нужна цитата ] и обычно работает при приблизительно 40 миллиампер. Эти лампы обычно используются для неоновых вывесок.

подробности

Катод - отрицательный электрод. Любая газоразрядная лампа имеет положительный (анод) и отрицательный электроды. Оба электрода попеременно действуют как анод и катод, когда эти устройства работают с переменный ток.

Стандартный компьютерный корпус с синей и зеленой лампами с холодным катодом.
Подсветка люминесцентных ламп с холодным катодом

А холодный катод отличается от горячий катод который нагревается, чтобы вызвать термоэлектронная эмиссия из электроны. Газоразрядные трубки с горячими катодами имеют оболочку, заполненную газом низкого давления и содержащую два электрода. Примеры самые распространенные флюоресцентные лампы, газоразрядные лампы высокого давления и вакуумные люминесцентные дисплеи.

Поверхность холодных катодов может излучать вторичные электроны при соотношении больше единицы (пробой). Электрон, покидающий катод, столкнется с молекулами нейтрального газа. Столкновение может просто возбудить молекулу, но иногда оно выбивает электрон, чтобы создать положительный ион. Исходный электрон и освобожденный электрон продолжают движение к аноду и могут создавать больше положительных ионов (см. Таунсендская лавина ). В результате для каждого электрона, покидающего катод, генерируется несколько положительных ионов, которые в конечном итоге врезаются в катод. Некоторые разрушающиеся положительные ионы могут генерировать вторичный электрон. Разряд является самоподдерживающимся, когда на каждый электрон, покидающий катод, ударяется достаточно положительных ионов, чтобы освободить в среднем еще один электрон. Внешняя схема ограничивает ток разряда. Разрядные лампы с холодным катодом используют более высокие напряжения, чем лампы с горячим катодом. Возникающее в результате сильное электрическое поле вблизи катода ускоряет ионы до скорости, достаточной для создания свободных электронов из материала катода.

Другой механизм генерации свободных электронов на холодной металлической поверхности - это полевая электронная эмиссия. Он используется в некоторых рентгеновские трубки, то полевой электронный микроскоп (FEM) и автоэмиссионные дисплеи (ФРС).

Холодные катоды иногда имеют редкоземельный покрытие для усиления электронной эмиссии. Некоторые типы содержат источник бета-излучение начать ионизация газа, наполняющего трубку.[5] В некоторых трубках тлеющий разряд вокруг катода обычно сводится к минимуму; вместо этого есть так называемый положительный столб, заполняющий трубку.[6][7][заметка 2] Примерами являются неоновая лампа и никси трубки. Лампы Nixie также представляют собой неоновые дисплеи с холодным катодом, которые расположены в линию, но не в плоскости.

В устройствах с холодным катодом обычно используется сложная высоковольтный источник питания с каким-то механизмом ограничения тока. Хотя для создания начального объемного 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 стать очень горячим. плазма, и электрическое сопротивление значительно снижается. Если работать от простого источника питания без ограничения тока, это уменьшение сопротивления приведет к повреждению источника питания и перегреву трубчатых электродов.

Приложения

Фотография компактной люминесцентной лампы (КЛЛ) с холодным катодом.
Освещенный холодный катод CFL

Холодные катоды используются в выпрямители с холодным катодом, такой как кроссатрон и ртутно-дуговые клапаны, и усилители с холодным катодом, например, в автоматический учет сообщений и другие псевдоискровое переключение Приложения. Другие примеры включают тиратрон, Критрон, спритрон, и игнитрон трубки.

Обычное применение с холодным катодом находится в неоновые вывески и в других местах, где температура окружающего воздуха может упасть ниже нуля. Часовая башня, Вестминстерский дворец (Биг Бен) использует освещение с холодным катодом за циферблатами часов, где постоянные удары и отказ от них в холодную погоду были бы нежелательны. Большие люминесцентные лампы с холодным катодом (CCFL) производились в прошлом и используются до сих пор, когда требуются формованные долговечные линейные источники света. По состоянию на 2011 г., миниатюрные CCFL широко использовались как подсветка за компьютер и телевидение жидкокристаллические дисплеи. Срок службы ЖК-телевизоров CCFL варьируется в зависимости от переходных скачков напряжения и уровней температуры в условиях эксплуатации.

Благодаря своей эффективности технология CCFL распространилась на освещение помещений. Стоимость аналогична стоимости традиционных флуоресцентное освещение,[требуется разъяснение ] но с рядом преимуществ: излучаемый свет легче для глаз[прояснить ], лампы мгновенно включаются на полную мощность, а также регулируются.[8]

Эффекты внутреннего отопления

В системах, использующих переменный ток но без отдельных анод В структурах электроды чередуются как аноды и катоды, а падающие электроны могут вызвать значительный локальный нагрев, часто Красная жара. Электрод может использовать преимущества этого нагрева для облегчения термоэлектронной эмиссии электронов, когда он действует как катод. (Мгновенный старт люминесцентные лампы используют этот аспект; они начинаются как устройства с холодным катодом, но вскоре локальный нагрев мелкой вольфрам -проволочные катоды заставляют их работать в том же режиме, что и горячий катод лампы.)

Этот аспект проблематичен в случае использования подсветки для ЖК-дисплей ТВ-дисплеи. Новые правила энергоэффективности, предлагаемые во многих странах, потребуют регулируемой подсветки; регулируемая подсветка также улучшает воспринимаемый диапазон контрастности, что желательно для ЖК-телевизоров. Тем не менее, CCFL строго ограничены в степени, в которой они могут быть затемнены, как потому, что более низкий плазменный ток снижает температуру катода, вызывая неустойчивую работу, так и потому, что работа катода при слишком низкой температуре резко сокращает срок службы катода. лампы.[нужна цитата ] Этой проблеме посвящено много исследований.[кем? ], но производители высокого класса теперь обращаются к высокоэффективным белым Светодиоды как лучшее решение.

Смотрите также

Ссылки и примечания

Примечания

  1. ^ Отрицательно заряженный электрод испускает электроны или является положительно заряженной клеммой. Подробнее см. автоэлектронная эмиссия.
  2. ^ Положительный столб является частью тлеющего разряда, например, в Лампа Мура.

Цитаты

  1. ^ Патент США 1,993,187 , Разрядная трубка с холодным катодом
  2. ^ Д. М. Нил, Конструкция цепи трубки с холодным катодом, Фрэнсис и Тейлор, 1964. С. 1–7.
  3. ^ "Ifay справочник по электроразрядным осветительным системам с холодным катодом".
  4. ^ «Светотехническая продукция EGL». Архивировано из оригинал 26 октября 2010 г.. Получено 9 февраля 2011.
  5. ^ Патент США 1860149 , Нагнетательная трубка.
  6. ^ Патент США 2103033 , Электронно-эмиссионный электрод.
  7. ^ Патент США 1316967 , Газопроводная лампа.
  8. ^ Соле Освещение (коммерческий сайт, защищающий CCFL).