Tiratron Brown Boveri TQ 41

Danas je nabavljena elektronska cijev, živin tiratron TQ 41, švicarskog proizvođača Brown, Boveri & Compagnie (BBC) iz 1960-tih godina. Tvrtka BBC osnovana je 1891. godine, a u početku je nudila električne proizvode za izgradnju i opremanje željezničkih sustava kao što su elektromotori za lokomotive i sustavi napajanja za električnu željeznicu. S obzirom na specifičnost proizvoda i probleme na domaćem tržištu, tvrtka se vrlo rano počinje širiti na evropsko, a u 1970-tim godinama i na američko tržište. Veliki udio posla tvrtka BBC ugovorila je sa stranim zemljama u području elektroenergetike i elektrifikacije, a na svojem vrhuncu je imala razvijenih sedam proizvodnih baza u Evropi i Južnoj Americi organiziranih u pet granskih područja: proizvodnja električne energije, elektronika, distribucija električne energije, električna željeznica i industrijska oprema. U katalogu tvrtke iz 1966. godine prezentiran je širok spektar različitih industrijskih i energetskih elektronskih cijevi (diode, triode, terode, tiratroni) iz proizvodnog programa BBC-a među kojima i tiratron TQ 41, no prve TQ serije BBC tiratrona datiraju iz 1949. godine. U 1980-tim godinama tvrtka BBC sve više bilježi gubitke u poslovanju, te se nakon pokušaja reorganizacije i  prestrukturiranja 1988. godine spaja sa švedskom tvrtkom ASEA, pri čemu nastaje švicarsko-švedska tvrtka Asea Brown Boverisa sjedištem u Zürichu, koja se i dalje pretežito bavi energetikom i automatizacijom.

Tiratron je plinom punjena ispravljačka elektronska cijev koja se u električnim krugovima ponaša najsličnije tiristoru te se koristi kao prekidački element za visoki napon i u ispravljačkim sklopovima.  Slično kao i svaka druga elektronska cijev, tiratron se sastoji od staklenog balona unutar kojeg su smještene elektrode: anoda, katoda i rešetka (mrežica). Osnova razlika u radu vakuumske elektronske cijevi i one punjene plinom je ta što u vakuumskoj cijevi sudjeluju samo negativni nosioci naboja (elektroni), a u plinom punjenom cijevi i negativni i pozitivni nosioci naboja (pozitivni ioni plina). Osnovni proces u plinom punjenoj cijevi je sudar elektrona (koje stvara katoda) sa neutralnim atomima plina, pri čemu se iz atoma plina izbija jedan elektron, a ostatak atoma zbog toga postane pozitivno nabijen (pozitivni ion). Izbačeni elektron povećava broj elektrona koji se kreću prema anodi, a pozitivni ioni se kreću prema katodi. Ovi dodatni naboji stvoreni unutar balona cijevi povećavaju sposobnost cijevi za strujno opterećenje.

Ono što se točno događa sa kretanjem elektrona i pozitivnih iona unutar prostora elektronske cijevi na određenim promjenama potencijala elektroda nije pretjerano složen proces, no mi ćemo se ovdje ipak ograničiti samo na konačni efekt rada plinom punjenih cijevi, a ne na detaljno razmatranje kako do njega dolazi unutar same cijevi. Stoga ćemo tiratron zamisliti kao balon punjen plinom koji je u normalnom stanju neutralan i nije vodljiv, no ukoliko se izazove njegova ionizacija (stvaranje pozitivnih iona uslijed udara elektrona) u tom trenutku ionizirani plin stvara električki vodljiv put između anode i katode. Dakle kada je plin unutar cijevi ioniziran tiratron je upaljen i vodi, a kada je neutralan tiratron je ugašen i ne vodi.

PALJENJE TIRATRONA

U osnovnom spoju na rešetku tiratrona dovodi se negativan, a na anodu pozitivan napon. Pri tome anodna struja neće teći sve dok se ne zadovolje određeni uvjeti u odnosu negativnog rešetkinog napona prema pozitivnom anodnom naponu. Naime, kada je negativan napon rešetke previše visok, anodna struja neće poteći ma koliko god bio visok anodni napon. Ako sada polako smanjujemo negativni napon rešetke, na određenoj vrijednosti napona anodna struja će odjednom naglo poteći. Kod te vrijednosti napona došlo je do ionizacije plina između anode i katode tiratrona, čime se napravio električki vodljivi put između te dvije elektrode, te je potekla struja. Svakom anodnom naponu dakle odgovara jedan određeni napon rešetke pri kojem će doći do paljenja tiratrona čime on postaje vodljiv.   

Slika prikazuje osnovni spoj i kritičnu karakteristiku upravljačke rešetke tiratrona TQ 41. Kao primjer, iz grafa možemo iščitati da uz anodni napon od 16 kV, napon na rešetki potreban za paljenje tiratrona iznosi  od -40V do -90V. Vidimo da paljenje tiratrona možemo očekivati u relativno velikom rasponu negativnih napona rešetke (područje odstupanja), a kod kojeg će točno napona doći do paljenja ovisi o više faktora. Kod živinih tiratrona (kao što je i TQ 41) točan napon paljenja najviše ovisi o temperaturi te će se kod većih temperatura balona cijevi paljenje događati na negativnijim vrijednostima napona rešetke.  Drugi faktor je sama mehanička konstrukcija elemenata tiratrona gdje se tvornički ne mogu izbjeći određena odstupanja, a na točni napon paljenja tiritrona utjecaj ima i pad napona na rešetkinom otporu (Rg) s obzirom da kroz rešetku poteče određena struja prije paljenja tiratrona. Kod tiratrona sa dvije rešetke napon paljenja može se mijenjati naponom dovedenim na drugu rešetku.

GAŠENJE TIRATRONA

Nakon što je tiratron jednom upaljen, promjena napona na upravljačkoj rešetki više nema nikakav utjecaj na njegov rad, a to znači da ponovno povećanje negativnog rešetkinog napona neće ugasiti tiratron. To je i logično za očekivati jer jednom kad je izazvana ionizacija plina ona se dalje održava samim anodnim naponom (Ua) i rešetkina struja tu nema više nikakvog utjecaja. Stoga je gašenje tiratrona moguće izvesti samo potpunim prekidanjem anodnog napona ili smanjivanjem njegove vrijednosti ispod napona luka. Možemo primijetiti da se kod izmjeničnog anodnog napona (kojemu se vrijednost stalno mijenja od nule do maksimuma) gašenje događa automatski na svakoj poluperiodi dok je kod istosmjernog anodnog napona taj napon treba na neki način izvana prekinuti.

KONSTRUKCIJA TIRATRONA           

Za razliku od elektronskih cijevi sa visokim vakuumom, stakleni balon tiratrona obično je od debljeg stakla kako bi bili otporniji na mehanička naprezanja u pogonu i ispunjen je plinom. Kao plin se mogu koristiti živine pare ili neki plemeniti plin (ksenon, argon, helij i sl.), a moguća je i mješavina jednog i drugog. Tiratroni sa živinim parama mogu podnositi veće zaprečne napone, manja je opasnost od povratnog paljenja i veća im je dužina rada od tiratrona sa plemenitim plinovima. No s druge strane potrebno im je duže vrijeme obaveznog zagrijavanja, ovisni su o temperaturi, imaju nižu radnu frekvenciju zbog velikog vremena deionizacije i mogu raditi samo u vertikalnom položaju.

Anoda kod tiratrona mora biti izvedena tako da je moguć brzi odvod nastale topline (u cilju sprječavanja sekundarne emisije) i obično se radi od grafita ili metala koji može biti dodatno pocrnjen. Katoda ima oksidnu prevlaku tako da može dati veliki emisiju elektrona i obično je cilindričnog oblika kako bi se olakšalo njeno hlađenje i smanjili toplinski gubici. Upravljačka rešetka ima oblik prstena ili sita i izrađuje se od metala ili grafita. Zaštitna rešetka predstavlja oklop čitavog prostora pražnjenja unutar cijevi kao i oklope upravljačke rešetke prema anodi i katodi. Ima ulogu ograničavanja struje i korekciju karakteristike upravljačke rešetke, te elektrostatičku zaštitu prostora pražnjenja od staklenog balona.

OSNOVNE KARAKTERISTIKE TIRATRONA TQ  41

ANODNI NAPONI I STRUJE

Granica anodnog negativnog napona označava granicu kod koje nastaje opasnost od povratnog paljenja tiratrona. Naime, u određenim okolnostima, jedan dio anode tiratrona može iznenada početi emitirati elektrone (ponašati se kao katoda) zbog čega se stvara električni luk preko kojeg struja u cijevi dobije suprotan smjer. Najčešći uzroci ove pojave su pregrijanost cijevi, nedovoljno isparavanje žive tijekom grijanja i prejako bombardiranje elektronima od strane katode, no uzroci mogu biti i u samim mehaničko kemijskim svojstvima anode i njene izolacije, utjecaj vanjskih magnetskih polja i drugo.

• Maksimalna vrijednost anodnog pozitivnog napona (anoda pozitivna prema katodi): 15-20 kV(ovisno o frekvenciji i obliku napona)
• Maksimalna vrijednost anodnog negativnog napona (anoda negativa prema katodi): 15-20 kV(ovisno o frekvenciji i obliku napona)
• Maksimalna vrijednost anodne struje (kratkotrajno): 6,4 – 11,5 A (ovisno o frekvenciji i obliku napona)
• Maksimalna srednja vrijednost anodne struje (20 sekundi): 1,6 – 2,5 A (ovisno o frekvenciji i obliku napona)
• Maksimalna struja kratkog spoja: 70 A
• Napon luka ili radni napon (pad napona na upaljenoj cijevi): 15 V kod anodne struje 11,5 A

NAPONI I STRUJE REŠETKI

Deklarirane napone i struje rešetki (upravljačka i zaštitna) ne smiju se prekoračiti kako iste ne bi bile izložene prekomjernom djelovanju iona ili elektrona (ovisno da li je rešetka nakon paljenja tiratrona pozitivna ili negativna) što bi dovelo do prekomjernog zagrijavanja i oštećenja ovih elektroda.  

• Maksimalni dozvoljeni negativni napon upravljačke i zaštitne rešetke prije paljenja: 500 V
• Maksimalni dozvoljeni negativni napon upravljačke i zaštitne rešetke nakon paljenja, odnosno tijekom vođenja: 10 V
• Maksimalna srednja vrijednost pozitivne struje rešetke: 100 mA
• Kritična struja rešetke: 50 µA
• Maksimalno prosječno vrijeme struje rešetke: 20 sekundi

RADNA FREKVENCIJA

• Vrijeme ionizacije (vrijeme koje proteče od trenutka dovođenja napona paljenja do početka pražnjenja):  cca 10 µs
• Vrijeme deionizacije (vrijeme koje proteče od trenutka gašenja do trenutka kad je tiratron ponovno sposoban za paljenje): cca 1000µs
• Radna frekvencija: 25-60 Hz

GRIJANJE

Prije puštanja u pogon tiratron sa živinom parom mora se obavezno zagrijati kako bi isparili ostaci žive koji su se u hladnom stanju nataložili na anodi i na staklenim zidovima. Minimalno vrijeme zagrijavanja katode tiratrona stoga se mora obavezno poštivati i anoda se smije opteretiti tek nakon isteka toga vremena. Također za vrijeme rada treba paziti da temperatura živine pare odgovara propisanim vrijednostima.

• Napon grijanja: 5 V
• Struja grijanja: 7,5 A
• Minimalni vrijeme zagrijavanja: 60 sekundi
• Temperaturne granice kondenzacije žive: 25-55 °C
• Prosječni porast temperature žive na sobnoj temperaturi kod punog opterećenja: 18 °C

UNUTRAŠNJI OTPORI

Kapacitet (i otpor) između anode i rešetke predstavlja električnu spregu između te dvije elektrode preko koje se dovodi impuls na rešetku u njenom električnom krugu. Veći kapacitet između ove dvije elektrode povećava opasnost od neželjenog paljenja tiratrona. Ugradnja dodatne rešetke u prostor pražnjenja uvelike smanjuje kapacitet između anode i rešetke.

• Kapacitet između anode i rešetke: 4 pF
• Maksimalni otpor strujnog kruga rešetke: 100 kΩ

Tvrtka Brown, Boveri & Compagnie u svom proizvodnom programu nudila je razne tipove tiratrona za napone u rasponu 1 do 26 kV i struje u rasponu 1 do 115 A, punjene živom, ksenonom ili kombinacijom žive i argona. Vidjeli smo da za ispravno i kontrolirano paljenje i gašenje tiratrona moramo imati dobro proračunat električki sklop, a osim paljenja postepenim smanjivanjem istosmjernog negativnog napona rešetke (tzv. vertikalno upravljanje) tiratronom se može upravljati i izmjeničnim naponom dovedenim na rešetku (tzv. horizontalno upravljanje) gdje je onda točku paljenja moguće regulirati veličinom faznog pomaka između napona na mrežici i napona na anodi.  Danas su tiratroni uglavnom zamijenjeni poluvodičkim prekidačkim elementima (tranzistori, tiristori, triaci) no lijepo je imati u kolekciji jednu ovakvu industrijsku elektronsku cijev kako zbog njenog nekadašnjeg značaja tako i zbog njene prilično impozantne veličine 🙂