スパークギャップ

スパークギャップは、通常、空気などのガスで満たされたギャップによって分離された 2 つの導電性電極の配置で構成され、電気火花が導体間を通過できるように設計されています。導体間の電位差がギャップ内のガスの破壊電圧を超えると、火花が形成され、ガスがイオン化されて電気抵抗が大幅に減少します。次に、イオン化されたガスの経路が切断されるか、電流が「保持電流」と呼ばれる最小値を下回るまで電流が流れます。これは通常、電圧が低下したときに発生しますが、加熱されたガスが上昇してイオン化されたガスのフィラメントが引き伸ばされてから切断されるときに発生する場合もあります。通常、ガスのイオン化作用は激しく破壊的であり、多くの場合、音(スパークプラグのパチンという音から雷放電の雷鳴まで)、光、および熱を引き起こします。

スパークギャップは、歴史的にはスパークギャップ無線送信機、静電機械、X線装置などの初期の電気機器に使用されていました。現在最も広く使用されているのは、内燃機関の燃料に点火するためのスパークプラグですが、避雷器や高電圧過渡現象から電気機器を保護するその他の装置にも使用されています。

破壊電圧

空気の場合、絶縁破壊強度は海面で約30kV/cmです。^[1]

スパークの可視性

火花によって発せられる光は、電子の流れそのものからではなく、電子の衝突に反応して物質媒体が蛍光を発することから生じます。電子がギャップ内の空気分子と衝突すると、電子の軌道電子がより高いエネルギーレベルに励起されます。これらの励起された電子が元のエネルギーレベルに戻ると、光としてエネルギーを発します。真空中では目に見える火花は形成されません。電磁遷移が可能な介在物質がなければ、火花は目に見えません (真空アークを参照)。

アプリケーション

スパークギャップは、多くの電子機器の機能に不可欠です。

点火装置

スパークプラグは、スパークギャップを使用して燃焼を開始します。イオン化トレイルの熱、さらに重要なのは、紫外線と高温の自由電子（どちらも反応性フリーラジカルの形成を引き起こす）^{[要出典]が、}内燃機関内または炉、オーブン、ストーブのバーナー内の燃料と空気の混合物を点火します。より多くの紫外線が生成され、燃焼室にうまく広がるほど、燃焼プロセスが進行します。^[要出典]

スペースシャトルのメインエンジンの水素酸素推進剤混合物はスパーク点火装置によって点火された。^[2]

保護装置

スパークギャップは、電圧サージによる機器の損傷を防ぐためによく使用されます。スパークギャップは、発電所や変電所の高電圧スイッチ、大型電力変圧器で使用されます。このようなスイッチは、1 つの接点としてヒンジ、もう 1 つの接点としてもう一方の端を保持する 2 つの板バネを備えた、リモート操作の大型スイッチングブレードで構成されています。ブレードが開いている場合、スパークによってブレードとバネ間の接続が導通状態を維持できます。スパークによって空気がイオン化されて導電性になり、アークが形成されます。これによりイオン化が維持され、導通が維持されます。スイッチの上部にあるヤコブの梯子により、アークが上昇し、最終的に消滅します。高電圧鉄塔のセラミック絶縁体の上に小さなヤコブの梯子が取り付けられている場合もあります。これらはホーンギャップと呼ばれることもあります。スパークが絶縁体を飛び越えてアークを発生させる場合でも、消滅します。

より小さなスパークギャップは、高電圧サージから敏感な電気機器や電子機器を保護するためによく使用されます。これらのデバイスの洗練されたバージョン（ガス管アレスターと呼ばれる）^[3]では、異常な電圧サージ時に小さなスパークギャップが破壊され、サージを安全に接地にシャントして機器を保護します。これらのデバイスは、建物に入る電話線によく使用されます。スパークギャップは、落雷の影響から建物と内部の電話回路を保護するのに役立ちます。それほど洗練されていない（そしてはるかに安価な）スパークギャップは、改良されたセラミックコンデンサを使用して作られています。これらのデバイスでは、スパークギャップは、コンデンサを回路に接続する2本のリード線の間に鋸で切ったエアギャップです。電圧サージにより、鋸で切ったプロセスによって残ったギャップを越えてリード線からリード線に飛び移るスパークが発生します。これらの低コストのデバイスは、ブラウン管（ CRT）内の電子銃の要素間の損傷を引き起こすアークを防ぐためによく使用されます。^[要出典]

電話線が長いと落雷による誘導サージの影響を非常に受けやすいため、電話交換機では小さなスパークギャップが一般的に使用されています。電力線を保護するために、より大きなスパークギャップが使用されます。

スパークギャップは、電子製品のプリント回路基板に、2つの近接した露出したPCBトレースを使用して実装されることがあります。これは、電子製品に粗雑な過電圧保護を追加する、実質的にコストゼロの方法です。^[4]

トランシルとトリシルは、低電力アプリケーション用のスパークギャップの固体代替品です。ネオン電球もこの目的に使用されます。

高速度撮影

エアギャップフラッシュのトリガースパークギャップは、サブマイクロ秒領域で写真の光フラッシュを生成するために使用されます。

無線送信機

火花は電磁スペクトル全体にエネルギーを放射します。今日では、これは通常、違法な無線周波数干渉とみなされ、抑制されますが、無線通信の初期（1880〜1920年）には、これは変調されていない火花ギャップ送信機で無線信号を送信する手段でした。多くの無線火花ギャップには、回転ギャップやヒートシンクなどの冷却装置が含まれています。これは、高出力で連続使用すると火花ギャップが非常に高温になるためです。

電圧測定用球ギャップ

較正された球状のスパークギャップは、気圧、湿度、温度を補正すると、非常に再現性の高い電圧でブレークダウンします。2つの球の間のギャップは、電子機器や電圧分割器なしで約3％の精度で電圧測定を提供できます。スパークギャップは高電圧AC、DC、またはパルスの測定に使用できますが、非常に短いパルスの場合は、端子の1つに紫外線源または放射線源を置いて電子源を提供することができます。^[5]

電力スイッチングデバイス

スパークギャップは、電気抵抗が大きく異なる 2 つの状態を持つため、電気スイッチとして使用できます。電極がガスまたは真空で分離されている場合、電極間の抵抗は 10 ¹² オームまで高くなることがあります。つまり、電極間に高電圧がかかっても電流はほとんど流れません。電極がプラズマで接続されている場合は、抵抗は 10 ^-3オームまで低下します。つまり、高電流でも電力消費が少ないということです。この特性の組み合わせにより、エネルギーがコンデンサに高電圧で保存され、高電流で放電されるパルス電力アプリケーションで、スパークギャップが電気スイッチとして使用されるようになりました。例としては、パルスレーザー、レールガン、マルクス発電機、核融合、超強力パルス磁場研究、核爆弾起爆などがあります。

スパークギャップがガスで隔てられた 2 つの電極のみで構成されている場合、非伝導状態と伝導状態の間の遷移はパッシェンの法則によって決まります。パッシェンの法則によれば、典型的な圧力と電極距離の組み合わせでは、電界強度と圧力の比がガスの組成によって決まる一定値を超えると、タウンゼント放電によって電極間のギャップが導電性プラズマで満たされます。圧力を下げる速度はチョークフローによって制限され、コンデンサ放電回路内の電界の増加は回路の静電容量と静電容量を充電するために利用できる電流によって制限されます。放電を開始する速度に関するこれらの制限は、2 つの電極を持つスパークギャップでは通常ジッターが高いことを意味します。 ^[6]

トリガースパークギャップは、低ジッタを実現するために追加のトリガー手段を備えたデバイスの一種です。最も一般的なのは、トリガトロンなどの第 3 の電極です。トリガー電極と他の電極間の静電容量が小さいため、トリガー電極の電圧をすばやく変更できます。トリガースパークギャップでは、ガス圧が最適化され、ジッタを最小限に抑えるとともに、意図しないトリガーを回避します。トリガースパークギャップには、電圧範囲が制限された永久密封バージョンと、使用可能な圧力範囲に比例した電圧範囲のユーザー加圧バージョンがあります。トリガースパークギャップは、サイラトロン、クライトロン、イグニトロン、クロサトロンなどの他のガス充填管と多くの類似点があります。

トリガー真空ギャップ、またはスプライトロンは、外観と構造の両方でトリガースパークギャップに似ていますが、動作原理が異なります。トリガー真空ギャップは、真空にされた気密ガラスまたはセラミックエンベロープ内の 3 つの電極で構成されます。つまり、トリガースパークギャップとは異なり、トリガー真空ギャップは、圧力の上昇によって絶縁破壊が促進されるパッシェン最小値の左側のパラメータ空間で動作します。電極間の電流は、非伝導状態での電界放出によって小さな値に制限されます。絶縁破壊は、トリガー電極または隣接する抵抗コーティングから急速に蒸発する材料によって開始されます。真空アークが発生すると、トリガー真空ギャップは他のスパークギャップと同様に導電性プラズマで満たされます。パッシェン曲線は、高圧時よりもパッシェン最小値の左側ではるかに急峻になるため、トリガー真空ギャップの動作電圧範囲は密閉トリガースパークギャップよりも広くなります。トリガー真空ギャップは非伝導状態では放射線によってイオン化される可能性のあるガスを含まないため、放射線に対しても耐性があります。 ^[7]

害虫駆除

これらは、殺虫器としても使用されます。2 つの電極は、電圧が急上昇しない程度に少し離れた位置に配置された金属格子として実装されています。昆虫が電極間に入ると、導電性のある昆虫の体によってギャップ距離が短縮され、火花放電が発生して昆虫が感電して火傷を負います。

この用途では、スパークギャップ機構は、昆虫をスパークギャップに誘引するために、ライトなどの餌と組み合わせて使用されることが多いです。

参照

参考文献

^ Meek, J. (1940). 「スパーク放電の理論」. Physical Review . 57 (8): 722–728. Bibcode :1940PhRv...57..722M. doi :10.1103/PhysRev.57.722.
^ 「ボーイング：スペースシャトルのメインエンジンオリエンテーション」（PDF）。ボーイング。1998年6月。 2019年11月16日閲覧。
^ [1] 過渡保護製品、ガス管、ハイブリッド保護システム | 定格最大20,000アンペア...ほこりや湿気から保護...一部には少量のトリチウム充填ガス（10マイクロキュリー）が含まれています | レイノルズインダストリーズインコーポレイテッド
^ 「ESD および EMC 設計ガイド」(PDF)。NXP Semiconductors。2010 年 1 月 19 日。2019年 8 月 3 日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) 。
^ Ryan, Hugh M. (ed) 高電圧工学と試験 (第 2 版)、Institution of Engineering and Technology 2001、ISBN 978-0-85296-775-1ページ
^ 「トリガースパークギャップ設計」。 2019年2月17日閲覧。
^ ガス放電閉路スイッチ。Springer Science+Business Media, LLC. 1990. ISBN 978-1-4899-2132-1。

外部リンク

ジェイコブス・ラダーのビデオ:

ネバダ州の変圧器
誰かの家で

[1] Meek, J. (1940). 「スパーク放電の理論」. Physical Review . 57 (8): 722–728. Bibcode :1940PhRv...57..722M. doi :10.1103/PhysRev.57.722.

[2] 「ボーイング：スペースシャトルのメインエンジンオリエンテーション」（PDF）。ボーイング。1998年6月。 2019年11月16日閲覧。

[3] [1] 過渡保護製品、ガス管、ハイブリッド保護システム | 定格最大20,000アンペア...ほこりや湿気から保護...一部には少量のトリチウム充填ガス（10マイクロキュリー）が含まれています | レイノルズインダストリーズインコーポレイテッド

[4] 「ESD および EMC 設計ガイド」(PDF)。NXP Semiconductors。2010 年 1 月 19 日。2019年 8 月 3 日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) 。

[5] Ryan, Hugh M. (ed) 高電圧工学と試験 (第 2 版)、Institution of Engineering and Technology 2001、ISBN 978-0-85296-775-1ページ

[6] 「トリガースパークギャップ設計」。 2019年2月17日閲覧。

[7] ガス放電閉路スイッチ。Springer Science+Business Media, LLC. 1990. ISBN 978-1-4899-2132-1。