Неоновая лампочка индикации сети и десятиразрядная приборная панель на лампах ИН на первый взгляд не имеют друг с другом ничего общего, одна просто мигает, вторая показывает цифры. На деле обе построены на одном и том же физическом явлении, тлеющем разряде в разреженном инертном газе, и обе используют один и тот же участок вольтамперной характеристики, на котором с ростом тока напряжение на приборе не растёт, а падает. Именно эта особенность превращает тлеющий разряд одновременно в удобный стабилизатор напряжения и в источник резкого, контрастного свечения для цифровой индикации, а понимание этой общей физики объясняет сразу оба применения, от простого параметрического стабилизатора на лампе типа СГ до многоразрядного индикатора на лампах серии ИН.
Падающий участок вольтамперной характеристики тлеющего разряда и его роль в стабилизации
В баллоне стабилитрона тлеющего разряда находится инертный газ, чаще всего неон, при давлении в несколько сотен паскаль и два электрода, катод и анод. Пока напряжение между ними ниже порога зажигания, ток через промежуток исчезающе мал, единицы микроампер, поскольку свободных носителей заряда в газе почти нет. Как только напряжение достигает порога зажигания, обычно на 20 40 процентов выше рабочего напряжения горения, в газе развивается лавинная ионизация, промежуток резко переходит в проводящее состояние, и напряжение на приборе скачком падает до рабочего значения горения разряда, а ток ограничивается уже только внешней цепью. Дальше начинается тот самый интересный участок: в диапазоне рабочих токов, для типичных стабилитронов тлеющего разряда это примерно от 5 до 40 миллиампер при напряжениях горения от 60 до 150 вольт в зависимости от конкретного типа лампы и состава газа, напряжение горения меняется очень слабо, на единицы вольт, при изменении тока в разы. Физически это объясняется тем, что рост тока увеличивает площадь катодного пятна, из которого идёт эмиссия, а не плотность тока в существующем пятне, поэтому падение напряжения на катодной области остаётся почти постоянным. Именно эта слабая зависимость напряжения от тока и делает тлеющий разряд удобным стабилизирующим элементом: включив стабилитрон параллельно нагрузке через ограничительный резистор, можно получить на выходе напряжение, почти не зависящее ни от колебаний питающей сети, ни от изменения тока нагрузки в разумных пределах.
Расчёт балластного резистора для параметрического стабилизатора на газоразрядном стабилитроне
Возьмём для примера типовой газоразрядный стабилитрон с напряжением горения 105 вольт и рабочим диапазоном тока от 5 до 30 миллиампер, а входное напряжение источника питания примем равным 150 вольт с возможным разбросом плюс минус 10 процентов, то есть от 135 до 165 вольт. Ток через ограничительный резистор равен сумме тока нагрузки и тока через стабилитрон, а сам резистор должен гасить разницу между входным напряжением и напряжением горения. При минимальном входном напряжении 135 вольт и необходимости оставить в стабилитроне минимальный рабочий ток хотя бы 5 миллиампер, если нагрузка потребляет, скажем, 10 миллиампер, суммарный ток через резистор составит 15 миллиампер, и падение на резисторе должно быть 135 минус 105, то есть 30 вольт, откуда сопротивление резистора получается 30 вольт разделить на 15 миллиампер, около 2 килоом. Проверим тот же резистор при максимальном входном напряжении 165 вольт: падение на резисторе теперь составит 165 минус 105, то есть 60 вольт, ток через резистор при той же нагрузке 10 миллиампер и том же резисторе 2 килоома получится 60 разделить на 2000, то есть 30 миллиампер, из которых 10 уходит в нагрузку, а 20 миллиампер приходится на сам стабилитрон, что укладывается в паспортный рабочий диапазон до 30 миллиампер с небольшим запасом. Такой расчёт, выполненный для крайних значений входного напряжения, и есть основа проектирования параметрического стабилизатора: резистор подбирается так, чтобы во всём диапазоне колебаний питания ток через стабилитрон не опускался ниже минимального рабочего значения, при котором разряд ещё устойчиво горит, и не превышал максимально допустимого по нагреву катода и мощности рассеяния.
Высоковольтные коронные стабилитроны показывают ту же физику в другом масштабе
Тот же самый принцип отрицательного участка характеристики применяется и в стабилитронах коронного разряда, рассчитанных на киловольтные напряжения, где рабочий ток, наоборот, составляет уже не миллиамперы, а доли миллиампера. Например, высоковольтный водородный стабилитрон на напряжение стабилизации в диапазоне от 3800 до 4200 вольт работает при токе от 50 до 1200 микроампер, то есть почти в тысячу раз меньшем, чем у низковольтного газоразрядного стабилитрона на 105 вольт, при этом сам принцип стабилизации остаётся идентичным: коронный разряд с острия анода в разреженном газе тоже даёт участок характеристики, слабо зависящий от тока, просто механизм ионизации у острийного электрода отличается от объёмного тлеющего разряда в плоскопараллельном промежутке. Инженеру, привыкшему считать балластный резистор для низковольтного стабилитрона на десятки миллиампер, при переходе к коронному стабилизатору на киловольты приходится пересчитывать резистор на сопротивления порядка мегаом, поскольку рабочий ток падает на три порядка, а формула расчёта остаётся той же самой: сопротивление равно разности входного и рабочего напряжений, делённой на суммарный ток нагрузки и стабилитрона.
Индикаторные лампы серии ИН используют тот же тлеющий разряд для яркого поштучного свечения цифр
Индикаторная газоразрядная лампа устроена внешне совсем иначе, чем стабилитрон: внутри баллона с неоном находится один общий анод в виде сетки или проволочного каркаса и десять отдельных катодов, каждый выгнут в форме одной цифры от нуля до девяти. Чтобы зажечь конкретную цифру, на соответствующий катод подают потенциал, близкий к потенциалу общего минуса, а на анод через ограничительный резистор подводят повышенное постоянное напряжение, обычно от 170 до 200 вольт. Напряжение зажигания у типовых ламп этой серии составляет около 170 вольт, а напряжение горения после начала разряда падает до 100 150 вольт в зависимости от конкретного типа лампы, то есть работает тот же самый механизм лавинной ионизации и последующего перехода на пологий рабочий участок характеристики, что и в стабилитроне, только здесь важен не стабильный уровень напряжения, а яркое и контрастное свечение газа вокруг работающего катода цифры, оранжевое из за спектра излучения возбуждённого неона. Типичный рабочий ток одного разряда цифры лежит в районе 2 3 миллиампер, и ограничительный резистор при питании 180 вольт и напряжении горения 140 вольт для тока 2,5 миллиампер рассчитывается точно по той же формуле, что и для стабилитрона: 180 минус 140, то есть 40 вольт, разделить на 2,5 миллиампер, что даёт 16 килоом, и именно резисторы такого порядка, от 15 до 30 килоом, чаще всего и встречаются в реальных схемах с лампами этой серии.
Неполное гашение соседних цифр и паразитная засветка как обратная сторона той же физики
Свойство газового разряда ионизировать значительный объём вокруг активного катода, полезное для яркости самой горящей цифры, оборачивается проблемой для соседних, погашенных в этот момент катодов. Облако возбуждённых и частично ионизированных атомов неона от горящей цифры физически соприкасается с соседними катодами внутри общего баллона, и на них при определённых условиях начинается собственное слабое тлеющее свечение, заметное как паразитная неяркая засветка контура соседней цифры даже при отсутствии напряжения непосредственно на этом катоде. Эффект особенно заметен, если несколько ламп индикатора соединены в общую цепь без разделительных резисторов на каждом катоде или если напряжение питания выбрано с избыточным запасом сверх номинала, из за чего общая степень ионизации в баллоне выше необходимой. Практическое решение, применявшееся ещё в оригинальной аппаратуре на этих лампах, заключается не в изоляции погашенного катода, а наоборот, в подтягивании его к положительному потенциалу порядка 50 70 вольт относительно общего минуса, обычно через внутренние ограничительные стабилитроны самой микросхемы дешифратора вроде К155ИД1 или её зарубежного аналога. При анодном напряжении около 170 вольт разница потенциалов между анодом и таким подтянутым катодом составляет уже не полные 170, а около 100 110 вольт, чего недостаточно для поддержания тлеющего разряда, и цифра гаснет надёжно. Если же оставить погашенный катод просто изолированным, висящим в высокоомном состоянии, его потенциал под влиянием окружающей ионизации может просесть куда ниже, разница с анодом вырастет, и именно это провоцирует паразитное тление соседней цифры, а не отсутствие притяжения к минусу, как может показаться на первый взгляд.
Время деионизации газа ограничивает предельную частоту переключения цифр при динамической индикации
В отличие от полупроводниковых индикаторов, где переход между состояниями происходит за наносекунды, газовый разряд после снятия напряжения гаснет не мгновенно: ионы и электроны, оставшиеся в межэлектродном промежутке, должны рекомбинировать или уйти на стенки баллона, и этот процесс деионизации занимает заметное время, порядка десятков, иногда сотен микросекунд, в зависимости от давления газа и геометрии электродов. Для статической индикации, когда каждая цифра горит постоянно без переключений, это не создаёт проблем, но при динамической индикации, когда несколько разрядов индикатора поочерёдно подключаются к общему источнику сигнала для экономии числа декодирующих микросхем, время деионизации напрямую ограничивает максимальную частоту переключения. Если очередной катод получает разрешающий потенциал раньше, чем полностью деионизировался промежуток от предыдущей засветки, возможен паразитный остаточный разряд неверной цифры или заметное на глаз подмигивание соседнего разряда в момент переключения. На практике частоту динамической индикации на газоразрядных лампах старались не поднимать выше нескольких сотен герц на цифру, что для человеческого глаза с его инерцией восприятия порядка 20 30 миллисекунд более чем достаточно для устранения видимого мерцания, но одновременно оставляет солидный запас по времени относительно микросекундных постоянных деионизации самого газового промежутка. Именно поэтому классические схемы часовых индикаторов и вольтметров на лампах серии ИН почти никогда не использовали чисто последовательное сканирование на пределе возможностей лампы, оставляя запас по частоте с большим избытком ради стабильности изображения и отсутствия паразитных засветок.
Старение электродов одинаково влияет на точность стабилизатора и на яркость индикатора
Оба класса приборов роднит и характер деградации со временем: катод, работающий в тлеющем разряде, постепенно распыляется под ударами положительных ионов газа, металл оседает на внутренних стенках баллона тонким тёмным налётом, а поверхность самого катода теряет часть эмитирующего слоя. У стабилитрона это проявляется постепенным ростом напряжения зажигания и небольшим смещением напряжения горения, обычно на единицы процентов за тысячу часов наработки, что для схем, где стабилитрон служит опорным элементом точного измерительного прибора, означает необходимость периодической подстройки или закладки запаса по стабильности уже на этапе проектирования. У индикаторной лампы тот же процесс распыления катода даёт не только потемнение стекла, но и более серьёзную проблему, известную среди специалистов по этим лампам как отравление катодов: металл, распыляемый с постоянно горящей цифры, оседает не только на стекле баллона, но и на поверхности соседних, в этот момент неработающих катодов, образуя на них плёнку, которая меняет условия выхода электронов с поверхности металла. Из за этого редко используемая цифра, скажем восьмёрка или девятка в счётчике, которая большую часть времени работы лампы простаивала, при попытке зажечь её через много тысяч часов эксплуатации может светиться неровно, кусками, с проплешинами по контуру символа, поскольку часть поверхности катода уже покрыта посторонней плёнкой и хуже участвует в разряде. Производители по этой причине нормировали минимальную наработку для приборов обеих категорий на уровне от тысячи до нескольких тысяч часов непрерывной работы, а в схемах с повышенными требованиями к долговечности индикации разработчики часов и измерительных приборов на таких лампах применяли программную ротацию цифр, знакомую любителям как эффект игрового автомата: раз в несколько минут индикатор быстро пробегает все цифры от нуля до девяти подряд, счищая тлеющим разрядом начавший образовываться на редко используемых катодах налёт и заодно выравнивая общую степень распыления по всему набору цифр лампы.