第2节 气体放电管 (修订中)
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如果您曾经目睹过闪电风暴，那么您已经看到了电[滞后](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt- 电阻 (opens new window)不再能承受这些高压时，巨大的电流浪涌在相反的电荷极之间传播，我们称之为“闪电”。
风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，闪电绝不是连续的：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，而不是猛烈短暂的_闪电_？答案在于空气的非线性（和滞后）阻力。
在一般情况下，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，而将其通过空气的电传导视为可以忽略不计。空气中存在水和灰尘会降低其电阻，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，它的电学特性会发生变化：电子从它们各自原子周围的正常位置“剥离”，并被释放出来形成电流。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。“等离子”这个词的用法不要与医学术语（意思是血液的液体部分）混淆，而是物质的第四种状态，其他三种是固体、液体和蒸汽（气体）。等离子体是一种相对良好的电导体 (opens new window)，其电阻率远低于相同物质的气态电阻率。
当电流通过等离子体时，等离子体中的能量以热的形式消散，就像电流通过固体电阻器以热的形式消散能量一样。在闪电的情况下，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。由于云与地之间或云与云之间的电压随着闪电电流中和电荷不平衡而降低，闪电散发的热量使空气路径保持在等离子体状态，使其电阻保持在低水平。闪电一直是等离子体，直到电压降低到太低的水平，无法维持足够的电流来消散足够的热量。最后，
请注意在整个循环中，空气如何表现出滞后现象。当不导电时，它往往会_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，它往往会_保持导体_状态，直到电压低于较低的临界阈值点。一旦“打开”，它往往会保持“打开”，而一旦“关闭”，它往往会保持“关闭”。这种滞后，加上风雨静电效应导致的稳定电压积累，将闪电的作用解释为短暂的爆发。 (opens new window)
# 弛豫振荡器
用电子术语来说，我们在闪电作用中所拥有的是一个简单的_张弛振荡器_。[振荡器](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt- 电源 (opens new window)）组成：下图中的电阻器、电容器和氖灯。
霓虹灯无非是一个密封的玻璃灯泡内的两个金属电极，被里面的氖气隔开。在室温和没有施加电压的情况下，灯的电阻几乎是无限大的。但是，一旦超过某个阈值电压（该电压取决于气体压力和灯的几何形状），氖气就会被电离（变成等离子体），其电阻会急剧降低。实际上，氖灯表现出与闪电风暴中的空气相同的特性，并且由于放电而发光，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 (opens new window)以反指数速率充电，该速率由电阻器的大小决定。当其电压达到灯管的阈值电压时，灯管突然“点亮”，并迅速将电容放电至低电压值。一旦放电，灯“关闭”并允许电容器再次积聚电荷。结果是灯发出一系列短暂的闪光，其频率取决于电池电压、电阻器电阻、电容器电容和灯阈值电压。
# 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称为_闸流管_的稍微复杂的变体中得到了利用。本质上是一个充气三极管（三极管是一种三元真空电子管，其功能与 N 沟道 D 型 IGFET 非常相似），闸流管可以通过在栅极之间施加一个小的控制电压来开启和阴极，并通过降低板到阴极电压来关闭。
简单的闸流管控制电路
本质上，闸流管是_受控的_专门用于将电流切换到负载的霓虹灯版本。原理图符号圆圈内的点表示气体填充，与其他电子管设计中通常看到的硬真空相反。在上图所示的电路中，当由连接在栅极和阴极之间的小直流控制电压触发时，闸流管允许电流沿一个方向流过负载（注意负载电阻两端的极性）。请注意，负载的电源是交流电源，这提供了关于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周期性地停止。半周期之间的这种短暂的电流暂停使管的气体有时间冷却，使其恢复到正常的“关闭”状态。
这种电路中负载电压的示波器显示如下图所示。
闸流管波形
随着交流电源电压从零伏爬升至其第一个峰值，负载电压保持为零（无负载电流），直到达到阈值电压。此时，管子“打开”并开始导通，负载电压现在跟随交流电压通过剩余的半个周期。即使交流电压波形下降到管子的阈值以下，负载电压也存在（因此也存在负载电流）。这是工作中的滞后现象：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为零伏。由于闸流管是单向（二极管）器件，因此在交流电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，多个管子以某种形式排列成全波整流电路 (opens new window)，便于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）或在需要谐波丰富波形的应用中存在。
压控闸流管张弛振荡器
我用过去时说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，除了一些非常特殊的应用。_晶闸管这个词与__thyratron_有如此多的相似之处并非巧合，因为这类半导体元件的作用大致相同：使用_滞后_开关电流打开和关闭。我们现在将注意力转向这些现代设备。
# 总结
- 电_滞后_，即组件在开始导通后保持“导通”（导通）并在停止导通后保持“关断”（不导通）的趋势，有助于解释为什么闪电以电流的瞬时浪涌而不是电流的形式存在通过空气连续排放。
- 诸如霓虹灯之类的简单气体放电管表现出电滞后。
- 更先进的气体放电管采用控制元件制成，因此它们的“开启”电压可以通过外部信号进行调整。这些管中最常见的称为_闸流管_。
- 可以创建称为_张弛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器两端的滞后装置。_
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