Спрайтрон / Sprytron — это электровакуумная лампа с холодным катодом, которая применяется в качестве управляемого сверхбыстрого коммутатора (силового ключа). Спрайтроны, в отличие от некоторых газонаполненных приборов (например, тиратрон), используют дуговой разряд. Благодаря этому спрайтроны способны управлять токами и коммутировать напряжения весьма большой величины — несколько килоампер в импульсе и десятки киловольт. В этой статье рассмотрим спрайтрон в общих чертах и пример схемы включения данной лампы.
Вообще, спрайтрон был разработан как модификация другой электронной лампы — крайтрона. На сегодняшний день эти лампы всё ещё применяются в военных устройствах и в промышленности. В частности, для включения мощных ксеноновых ламп в копировальных аппаратах или на взлётно-посадочных полосах в аэропортах, в лазерах, а также в детонаторах промышленной пиротехники.
Наиболее известным производителем крайтронов и спрайтронов была компания EG&G — Edgerton, Germeshausen, and Grier, Inc. В ассортименте этой компании были спрайтроны следующих моделей:
- KN11B — напряжение 2,5 кВ, ток 1,5 кА;
- KN12 — напряжение 5 кВ, ток 3 кА.
Конструктивно спрайтрон представляет собой стеклянный, металлостеклянный или металлокерамический корпус, имеющий три вывода: анод, катод и управляющий электрод. При производстве создаётся глубокий вакуум внутри корпуса спрайтрона, что отличает его от аналогичных коммутирующих приборов, которые являются газонаполненными. Например, крайтрон заполнен инертным газом криптон.
В зависимости от номинального значения коммутируемого напряжения, расстояние между анодом и катодом определено тем условием, чтобы это расстояние было несколько больше для возникновения разряда, благодаря этому исключается самопроизвольное включение спрайтрона.
Подача на управляющую сетку кратковременного положительного импульса напряжения относительно катода (порядка 1 кВ) переводят спрайтрон в открытое состояние, поскольку возникают свободные электроны, отчего между анодом и катодом возникает (обычно менее чем за 30 наносекунд) электрическая дуга. За счёт нагрева от дуги материалы электродов частично испаряются, и эти частички вещества поддерживают горение дуги, благодаря чему спрайтрон остаётся во включенном состоянии.
Спрайтроны, зачастую, коммутируют переменное напряжение промышленной частоты (50 Гц). Поэтому, чтобы отключить спрайтрон, необходимо уменьшить уровень напряжения между анодом и катодом, либо полностью снять напряжение. Спрайтроны также применяются для коммутации импульсного напряжения большой величины.
Основной сферой применения спрайтронов — это коммутация очень мощных нагрузок, поскольку на сегодняшний день в этой сфере полупроводниковые приборы не могут составить сколь-нибудь ощутимую конкуренцию (по скорости коммутации и по уровням тока и напряжения).
Более того, спрайтрон имеет одно очень важное преимущество: он невосприимчив к радиации, что делает его применение особенно ценным в устройствах, подразумевающие эксплуатацию при сильном воздействии радиации, например, в устройствах детонации ядерных зарядов.
Спрайтрон. Схема включения
Рассмотрим одну из типичных схем применения спрайтрона. Как уже было сказано выше, спрайтрон применяется для включения мощных импульсных ксеноновых ламп (так называемые лампы-вспышки «flashlamp»), которые являются дуговыми (источником света является электрическая дуга в колбе).
Ниже представлена теоретическая схема включения мощной импульсной ксеноновой лампы (например, лампа HV1-734QF для взлётно-посадочных полос в аэропортах).
На схеме спрайтрон обозначен как VL1, а ксеноновая лампа — EL1. Конденсатор C2 заряжается до 1000 В через резистор R2, в то время как конденсатор C1 изначально остается незаряженным из-за резистора R1.
Замыкая выключатель S1, конденсатор C1 заряжается через первичную обмотку специального импульсного трансформатора T1. При этом на сетку спрайтрона подается импульс напряжения порядка 1 кВ. Напряжение между сеткой и катодом является достаточным для возникновения разряда между ними. Конденсатор C2 быстро разряжается через первичную обмотку трансформатора T2 (например, ZS-1052/1), создавая импульс около 10 кВ во вторичной обмотке.
Возникший импульс прикладывается к поджигающему электроду ксеноновой лампы, вызывающий ионизацию газа в трубке. Вследствие этого происходит электрический разряд между электродами лампы, и возникает электрическая дуга, которая в газе ксеноне начинает гореть ярким светом.
Сама лампа питается постоянным напряжением порядка 2 кВ, но обязательно через токоограничивающий резистор с большой мощностью рассеивания.