Газоразрядные приборы — первые электронные преобразователи

Газоразрядные приборы — первые электронные преобразователи

Опубликовано в номере:
PDF версия
Первым практическим применением открытия электрона было изобретение электронных приборов, среди которых газоразрядные лампы появились даже раньше электровакуумных и продолжили с ними мирно сосуществовать на протяжении всего ХХ века, преимущественно в области мощной электропреобразовательной техники.
АЛЕКСАНДР МИКЕРОВ, д. т. н., проф. каф. систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

АЛЕКСАНДР МИКЕРОВ, д. т. н., проф. каф. систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Открытие электрона, как было отмечено в предыдущей статье [1], было сделано в связи с обнаружением электронной эмиссии с поверхности металлического катода. Термоэлектронная эмиссия твердого катода привела к изобретению Флемингом в 1904 г. первого электровакуумного прибора — диода. Однако еще в 1902 г. появился электронный прибор с ртутным катодом, названный ртутно-дуговым выпрямителем. Его изобрел известный американский электротехник Питер Купер-Хьюитт (Peter Cooper-Hewitt).

Питер Купер-Хьюитт (1861–1921)

Рис. 1. Питер Купер-Хьюитт (1861–1921)

Питер Купер-Хьюитт (рис. 1) родился в богатой американской семье, его отец Абрам Хьюитт (Abram Hewitt) был мэром Нью-Йорка, а мать — дочерью знаменитого предпринимателя и филантропа Питера Купера (Peter Cooper) [2]. Семья Куперов-Хьюиттов создала известный нью-йоркский Музей дизайна.

И отец, и дед Питера Купера-Хьюитта (со стороны матери) были изобретателями и промышленниками, поставлявшими металл для ружей во время Гражданской войны, причем отец занимался плавкой стали, а дед — ее обработкой. Кроме того, Питер Купер создал первый американский паровой локомотив, пневматический двигатель для парома, разработал рецепт желатина, газонокосилку и многое другое.

Закончив технологический институт Стивенса и Горную школу Колумбийского университета, Купер-Хьюитт увлекся электричеством и в 1901 г. запатентовал ртутно-дуговую осветительную лампу (рис. 2) [2–4].

Лампа Купера-Хьюитта

Рис. 2. Лампа Купера-Хьюитта

Она представляла, по существу, вакуумную трубку Геслера [1] с катодом (1) и анодом (2), в которой катод был ртутным. За счет этого при приложении к аноду высокого положительного напряжения (либо при наклоне лампы до кратковременного касания анода ртутью) происходили ионизация паров ртути и зажигание дуги, световая отдача которой в восемь раз выше, чем у аналогичной лампы накаливания Эдисона. К сожалению, такая лампа давала мертвенный свет, пригодный лишь для производственных помещений, и поэтому не нашла применения в быту, однако ее дальнейшее совершенствование привело к созданию популярных люминесцентных ламп.

Двуханодный вентиль

Рис. 3. Двуханодный вентиль

При внедрении систем электроснабжения переменного тока возник вопрос о питании парка оборудования постоянного тока, например для гальванопластики, зарядки аккумуляторов, дугового освещения, электротяги и т. д. [5]. Купер-Хьюитт обнаружил, что при приложении переменного напряжения его лампа действует как однополупериодный выпрямитель (в немецком языке этот термин также обозначает «вентиль»), проводящий ток только при положительном напряжении на аноде. При отрицательном напряжении лампа гаснет. Добавление второго анода позволяло получить двух­полупериодное выпрямление с гораздо меньшими пульсациями. На рис. 3 показана одна из первых двуханодных ламп на 100 В компании General Electric, сделанная по патенту Купера-Хьюитта 1902 г. [4, 6]. Помимо катода (1), рабочих анодов (2) и (3) из стали (а позднее из графита), она снабжена дополнительным зажигающим электродом (4) для «поджига» дуги и ее поддержания при снижении или перемене полярности напряжения. Характерная колба (5) служит для конденсации паров ртути, стекающей затем на катод.

Еще меньшие пульсации обеспечивает трехфазный выпрямитель Купера-Хьюитта с треханодной лампой (1), подключенной непосредственно к обмотке трехфазного генератора (2) через нагрузку (3), например сеть постоянного тока и дроссель фильтра (4) (рис. 4) [4].

Треханодный выпрямитель

Рис. 4. Треханодный выпрямитель

Купер-Хьюитт создал вместе с Джорджем Вестингаузом компанию Cooper Hewitt Electric Company, которой принадлежали монопольные права по производству таких приборов (один из них виден на рис. 1 в руках его изобретателя). Уже в 1905 г. выпрямители стали использоваться в Нью-Йорке для зарядки аккумуляторов, гальваники и сети освещения постоянного тока [3]. После 1911 г. на рынке ртутно-дуговых выпрямителей у Cooper Hewitt Electric Company появились мощные конкуренты: General Electric в США, Brown Boveri, Siemens и AEG в Европе [3, 4]. В СССР производство таких приборов началось на заводе «Электросила» в 1926 г. Ртутный выпрямитель обладает непревзойденной надежностью и практически неограниченным сроком службы, поскольку ни графитовые аноды, ни ртуть, ни, тем более, стеклянная колба не изнашиваются и не портятся. При работе эти приборы издают характерное «жужжание» и фиолетовое свечение, памятное многим из лабораторных работ по элементам автоматики (рис. 5) [3].

Недостатком стеклянных ртутно-дуговых вентилей, помимо их хрупкости, является плохое охлаждение стеклянной колбы. В 1908 г. тот же Купер-Хьюитт запатентовал ртутный вентиль с металлическим корпусом и водяным охлаждением, что позволило довести мощность до десятков мегаватт при напряжении в сотни тысяч вольт [3, 4, 7]. Например, если первый прибор компании Brown Boveri в 1910 г. обеспечивал ток 100 А, то в 1921 г. этот показатель составлял уже 1000 А, а в 1930 г. — 8000 А. Однако металлический корпус, в отличие от стеклянного, не гарантирует герметичность, поэтому такие выпрямители снабжаются насосами для откачки воздуха.

 Вентиль в работе

Рис. 5. Вентиль в работе

Дальнейшее развитие ртутно-дуговых выпрямителей связано с попытками регулирования анодного тока. До этого менять скорость двигателя постоянного тока можно было только по громоздкой схеме Вард-Леонарда, содержащей вспомогательный электродвигатель постоянной скорости, с генератором постоянного тока на валу, выходное напряжение которого управлялось сравнительно небольшим током возбуждения [4]. В 1903 г. Перси Томас (Percy Thomas), помощник Купера-Хьюитта, предложил идею поджигать дугу ртутного выпрямителя не сразу при приложении положительного анодного напряжения, а с некоторой задержкой, как показано на рис. 6 [4]. Регулируя время T (фазу) задержки, можно было изменять среднее значение выпрямленного тока IВ.

Фазовое управление

Рис. 6. Фазовое управление

Впоследствии такой способ регулирования стал называться фазовым управлением, однако на практике реализовать его с помощью зажигающего электрода удалось лишь после изобретения в 1931 г. Иосифом Слепяном (Joseph Slepian) из компании Вестингауза прибора под названием игнитрон [3, 8].

Более эффективный способ регулирования ртутно-дуговых вентилей был предложен гениальным американским ученым Ирвингом Ленгмюром (Irving Langmuir) (1881–1957), лауреатом Нобелевской премии 1932 г. [9, 10]. Ирвинг родился в Нью-Йорке в семье выходцев из Британии. Отец его, страховой агент, не имел значительных средств, однако Ирвинг смог получить фундаментальное химическое образование в знаменитом немецком университете в Геттингене. Вернувшись на родину, он преподавал химию в институте, однако огромная учебная нагрузка, невозможность проводить исследования и низкая зарплата вынудили его искать новую работу. В 1892 г. Эдисон создал крупнейшую американскую компанию General Electric, в составе которой профессор Массачусетского технологического института Уиллис Уитни (Willis Whitney) основал уникальную индустриальную лабораторию фундаментальных исследований, связанных с электротехникой. Уитни пригласил на работу Ленгмюра в 1909 г. и предоставил ему полную свободу в выборе направлений (рис. 7).

Ленгмюр (слева) и Уитни (справа)

Рис. 7. Ленгмюр (слева) и Уитни (справа)

Ленгмюр остановился на электрических явлениях в газах как продолжении темы докторской диссертации, и уже скоро стало ясно, что Уитни не ошибся в своем выборе. Ленгмюр опроверг общепринятое мнение, что для ламп накаливания необходим вакуум, и уже в 1912 г. предложил вместо этого наполнять их инертным газом (аргоном) или азотом, а вольфрамовую нить свернуть в спираль. Такие лампы светили гораздо ярче и дольше, что сразу принесло General Electric огромную прибыль. Продолжение исследований привело Ленгмюра к изобретению в 1914 г. ртутно-дуговых ламп с сеточным управлением (рис. 8) с катодом (1), анодами (2) и (3), зажигающим электродом (4) и сетками (5) и (6). Подача в нужный момент на сетку (5) отрицательного относительно катода напряжения гасит дугу (7) [3].

Сеточное управление

Рис. 8. Сеточное управление

Другой темой, которая многие годы занимала Ленгмюра и принесла ему Нобелевскую премию, были поверхностные явления. Еще в 1916 г. он установил, что покрытие вольфрамовой нити лампы слоем тория толщиной всего в одну молекулу приводило к увеличению в 100 тысяч раз эмиссии электронов с нагретого катода [9]. Это позволило ему в 1928 г. создать новый вид газоразрядных управляемых ламп — тиратронов (рис. 9) c катодом (1), анодом (2) и сеткой (3) [8, 11].

В отличие от ртутно-дуговой лампы, в данном случае катод выполнен в виде подогреваемой спирали, а лампа наполнена инертным газом или, реже, парами ртути. При отрицательном напряжении на сетке (относительно катода) лампа не проводит ток, но при снятии сеточного напряжения тиратрон зажигается. Для выключения тиратрона, как и ртутно-дуговой лампы, необходимо отключение или перемена полярности анодного напряжения. Наследниками тиратронов стали современные твердотельные ключи — тиристоры, появившиеся в конце 1950-х гг., название которых, как и тиратронов, произошло от греческого thyra, в переводе «дверь, которая может быть открыта» [11].

 Тиратрон

Рис. 9. Тиратрон

Работы Ленгмюра также заложили фундамент для разработки электровакуумных приборов, которые будут рассмотрены в последующих статьях. Изобретенный им вакуумный насос позволял создавать в 100 раз большее разряжение, а открытые им законы (например, закон Ленгмюра об эмиссии электронов, волны Ленгмюра в плазме) послужили теоретической базой исследования явлений в вакууме и плазме. Ленгмюр проработал в компании General Electric 37 лет, опубликовав около 200 работ и получив 63 патента [10].

Ртутно-дуговые выпрямители поначалу использовались прежде всего для питания двигателей постоянного тока от сети переменного тока: в 1911 г. для двигателей на 80 кВт литейного цеха во Франкфурте, в 1916 г. для трамвайной сети в Цюрихе, в 1930 г. — для нью-йоркского метро с мощностью сети 3 МВт, а с 1931 г. для немецкой железнодорожной сети [3, 4, 8]. Благодаря газоразрядным приборам были созданы первые бесколлекторные двигатели постоянного тока: в 1932 г. Эрвином Керном (Erwin Kern) на 600 кВт для электрички Brown Boveri и в 1934 г. Эрнстом Александерсоном (Ernst Alexanderson) на 375 кВт для вентилятора General Electric [8]. Эти двигатели были названы вентильным и тиратронным соответственно.

Другое важное применение ртутно-дуговых приборов — для линий электропередачи постоянного тока (ЛПТ) между генерирующей сетью (Л1) и сетью потребителя (Л2) переменного тока, которая содержит повышающий (Т1) и понижающий (Т2) трансформаторы, а также выпрямитель (AC/DC) и преобразователь напряжения постоянного тока в переменный (DC/AC), построенные на ртутно-дуговых лампах (рис. 10).

Пионером в области высоковольтных линий передачи постоянного тока был известный французский электротехник Марсель Депре (Marcel Deprez), построивший, начиная с 1882 г., несколько дальних линий с напряжением до 6 кВ [12]. В ХХ в. настало, казалось бы, безраздельное господство линий электропередачи переменного тока [5]. Однако к концу Второй мировой войны в Берлине была создана линия постоянного тока на 200 кВ длиной 115 км — с использованием ртутно-дуговых вентилей. Линия была кабельной и обеспечивала лучшую защиту от бомбежек, что и послужило побудительным мотивом для ее строительства. После капитуляции Германии оборудование было демонтировано Красной Армией, перевезено в СССР и использовано в 1954 г. при строительстве линии Кашира — Москва [4]. В том же году аналогичная линия с ртутно-дуговыми приборами и подводным кабелем была запущена в Швеции компанией ASEA [13]. В настоящее время линии постоянного тока считаются более эффективными на дальности более 1000 км, где они и широко применяются, но уже с тиристорами.

 Линия постоянного тока

Рис. 10. Линия постоянного тока

Важным преимуществом линий постоянного тока является возможность развязывания энергосистем переменного тока соседних стран, защищающая их от блэкаутов (т. е. от аварий). Такая линия также называется вставкой постоянного тока. В августе 2003 г. в результате крупнейшего блэкаута в Северной Америке на два дня остались без электричества более 55 млн жителей северо-востока США и Канады [14]. Выстояла только канадская провинция Квебек, имеющая вставки постоянного тока на своих границах. Аналогичная вставка есть на границе России и Финляндии.

Уже в 1970-х гг. ртутно-дуговые приборы стали вытесняться тиристорами, и в начале 2000-х гг. век мощных газоразрядных приборов закончился [3, 7, 13]. Последние «ветераны» были демонтированы на железной дороге острова Мэн в Великобритании (рис. 5) и на линиях постоянного тока в Манитобе (Канада) и Новой Зеландии.

Однако мощные тиратроны с водородным заполнением на напряжение более 20 кВ и на токи в десятки килоампер остаются пока вне конкуренции в импульсных устройствах с очень крутым фронтом импульсов — в радиолокаторах, лазерах, радиотерапии, защите телевизионных передатчиков и даже во взрывателях ядерного оружия [3, 11].


Обнаружение электрона открыло возможность бесконтактного регулирования и преобразования электрического тока электронными приборами:

  • Первым среди них был ртутно-дуговой выпрямитель Купера-Хьюитта, 1902 г.

  • Результаты исследований Ленгмюра с 1914 г. позволили регулировать с помощью сетки ток такого выпрямителя, привели к созданию нового управляемого прибора с твердым катодом — тиратрона, а также заложили теоретическую базу электровакуумных приборов.

  • Газоразрядные приборы широко применялись до конца ХХ в. для мощных электроприводов постоянного и переменного тока.

Литература
  1. Микеров А. Г. Начало электроники — открытие электрона // Control Engineering Россия. № 5 (77).
  2. Peter Cooper Hewitt, inventor. 1903.
  3. Guarnieri M. Solidifying Power Electronics // IEEE Industrial Electronics Magazine. 2018. March.
  4. Dittmann F. The development of power electronics in Europe // IEEE Conference on the History of Electronics.
  5. Микеров А. Г. Война токов и победа переменного тока // Control Engineering Россия. №2 (68).
  6. Mercury Arc Rectifiers. Edison Tech Center.
  7. Mercury-arc valve.
  8. Johns T. M., Owen E. L. AC Adjustable-Speed Drives at the Millennium: How Did We Get Here? // IEEE Transactions on power electronics. V.16. N1.
  9. Уилсон М. Американские ученые и изобретатели. М.: Знание. 1964.
  10. Аснин Л. Ирвинг Лэнгмюр и деньги.
  11. www.en.wikipedia.org/wiki/Thyratron.
  12. Микеров А. Г. Марсель Депре — ученый, реализовавший идею передачи электроэнергии // Control Engineering Россия. № 3 (75).
  13. Wolf G. A Short History of The Mercury-Arc Valve.
  14. Northeast blackout of 2003.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *