气体排放管

如果您曾经目睹过闪电风暴，您就会看到电滞后的作用（并且可能没有意识到您看到的是什么）。强风和大雨的作用会在云与地之间以及云与云之间积累巨大的静电荷。电荷不平衡表现为高电压，当空气的电阻无法再抑制这些高电压时，巨大的电流浪涌会在我们称为“闪电”的电荷对极之间传输。

风和雨造成的高压积累是一个相当连续的过程，在适当的大气条件下，电荷积累的速度会增加。然而，闪电并不是连续的：它们以相对短暂的浪涌而不是连续放电的形式存在。为什么是这样？为什么我们看不到柔和、发光的闪电弧，而不是短暂的猛烈闪电闪电 ?答案在于空气的非线性（和滞后）阻力。

在普通条件下，空气具有极高的阻力。事实上，它是如此之高，以至于我们通常将其电阻视为无限大，而通过空气的电传导则可以忽略不计。空气中水和灰尘的存在会降低其电阻，但对于大多数实际用途而言，它仍然是绝缘体。然而，当在一定距离的空气中施加足够高的电压时，其电特性会发生变化：电子从其各自原子周围的正常位置“剥离”并被释放以构成电流。在这种状态下，空气被认为是电离的 并且被称为等离子体而不是气体。 “血浆”一词的这种用法不要与医学术语（意思是血液的流体部分）混淆，而是物质的第四种状态，其他三种状态是固体、液体和蒸气（气体）。等离子体是一种相对较好的电导体，其电阻率远低于气态相同物质的电阻率。

当电流通过等离子体时，等离子体中会以热量的形式耗散能量，就像通过固体电阻器的电流以热量的形式耗散能量一样。在闪电的情况下，所涉及的温度非常高。高温也足以将气态空气转化为等离子体或在不存在高压的情况下将等离子体保持在该状态。随着云与地之间或云与云之间的电压随着电荷不平衡被闪电电流中和而降低，闪电散发的热量使空气路径保持在等离子状态，从而保持其低电阻。闪电一直是等离子体，直到电压降低到太低而无法维持足够的电流来散发足够的热量。最后，空气返回气态并停止传导电流，从而使电压再次升高。

请注意，在整个循环过程中，空气如何表现出滞后现象。当不导电时，它往往保持绝缘体 直到电压超过临界阈值点。然后，一旦它改变状态并变成等离子体，它就会保持导体 直到电压低于一个较低的临界阈值点。一旦“开启”，它往往会保持“开启”状态，而一旦“关闭”，它往往会保持“关闭”状态。这种滞后现象，再加上由于风雨的静电效应导致电压的稳定积累，解释了闪电的作用是短暂的爆发。

松弛振荡器

用电子术语来说，我们在闪电的作用中拥有的是一个简单的弛豫振荡器 .振荡器是从稳定的直流电源供应中产生振荡 (AC) 电压的电子电路。张弛振荡器的工作原理是充电电容器在每次电压达到临界阈值时突然放电。现存最简单的弛张振荡器之一由三个组件组成（不包括直流电源）：电阻器、电容器和下图中的氖灯。

霓虹灯只不过是密封玻璃灯泡内的两个金属电极，由内部的氖气隔开。在室温和不施加电压的情况下，灯具有几乎无限的电阻。然而，一旦超过某个阈值电压（该电压取决于灯的气压和几何形状），氖气将被电离（变成等离子体）并且其电阻显着降低。实际上，氖灯在闪电风暴中表现出与空气相同的特性，并伴随着放电的光发射，尽管规模要小得多。

上面显示的张弛振荡器电路中的电容器以由电阻器大小决定的反指数速率充电。当其电压达到灯的阈值电压时，灯会突然“点亮”，并迅速将电容器放电至低电压值。一旦放电，灯“关闭”并允许电容器再次建立电荷。结果是灯发出一系列短暂的闪光，其速率由电池电压、电阻器电阻、电容器电容和灯阈值电压决定。

闸流管

虽然气体放电灯更常用作照明源，但它们的滞后特性在稍微更复杂的变体中被利用，称为闸流管 .本质上是一个充气三极管（三极管是一种三元件真空电子管，其功能与 N 沟道、D 型 IGFET 非常相似），可以通过在栅极之间施加小的控制电压来开启闸流管和阴极，并通过降低板对阴极电压关闭。

简单的闸流管控制电路

从本质上讲，闸流管是控制的 专为将电流切换到负载而制造的霓虹灯版本。原理图符号圆圈内的点表示充气，与其他电子管设计中常见的硬真空相反。在上图所示的电路中，当栅极和阴极之间连接的小直流控制电压触发时，闸流管允许电流沿一个方向通过负载（注意负载电阻两端的极性）。请注意，负载的电源是交流电，这提供了有关闸流管在触发后如何关闭的线索：由于交流电压在半周期之间周期性地通过 0 伏的条件，因此通过交流供电负载的电流必须也定时停止。半周期之间电流的这种短暂暂停使电子管的气体有时间冷却，使其恢复到正常的“关闭”状态。只有当交流电源施加足够的电压（波周期中的其他时间）并且直流控制电压允许时，导电才能恢复。

这种电路中负载电压的示波器显示类似于下图。

闸流管波形

随着交流电源电压从零伏上升到其第一个峰值，负载电压保持为零（无负载电流），直到达到阈值电压。在这一点上，管子“打开”并开始导通，负载电压现在在半个周期的其余部分跟随交流电压。即使交流电压波形下降到电子管的阈值以下，也存在负载电压（以及负载电流）。这是工作中的滞后：管子在它第一次打开的点之后保持其导电模式，继续导电直到电源电压下降到几乎零伏。由于闸流管是单向（二极管）器件，因此在 AC 的负半周期间不会在负载上产生电压。在实际的闸流管电路中，多管排列成某种形式的全波整流电路，以方便向负载提供全波直流电源。

闸流管已应用于张弛振荡器电路。频率由栅极和阴极之间的小直流电压控制。 （见下图）这种压控振荡器称为 VCO。弛张振荡器产生非常非正弦的输出，它们主要作为演示电路（如这里的情况）或在需要谐波丰富的波形的应用中存在。

电压控制的闸流管弛张振荡器

我用过去时谈到闸流管是有充分理由的：现代半导体元件已经淘汰了闸流管技术，除了少数非常特殊的应用。 晶闸管这个词绝非巧合 与thyratron这个词非常相似 ，对于这类半导体元件，它们的作用大致相同：使用 hysteretic 打开和关闭电流。我们现在关注的正是这些现代设备。

评论：

• 电气迟滞 ，元件开始导通后保持“导通”（导通）和停止导通后保持“断开”（不导通）的趋势有助于解释为什么闪电以瞬时电流浪涌而不是持续放电的形式存在通过空气。
• 简单的气体放电管（例如霓虹灯）会出现电滞现象。
• 更先进的气体放电管带有控制元件，因此它们的“开启”电压可以通过外部信号进行调节。这些管中最常见的称为闸流管 .
• 称为弛豫振荡器的简单振荡器电路 只需一个电阻-电容充电网络和一个连接在电容两端的迟滞设备即可创建。

相关工作表：

• 晶闸管工作表