Come le lampade al neon hanno contribuito all'elettronica aerospaziale autoalimentata

Ai tempi che John Kennedy era presidente degli Stati Uniti, lavoravo come tecnico elettronico alla realizzazione di dispositivi di rilevamento dell'accelerazione e dell'altitudine per applicazioni aerospaziali. L'unicità di questi dispositivi risiedeva nel fatto che erano autoalimentati da una batteria nucleare. La batteria si basava sulla cattura di particelle beta (elettroni) emessi dal kripton 85 (Kr85), isotopo radioattivo del kripton. Come potete immaginare, la potenza disponibile era nell'ordine di frazioni di un milliwatt. Per essere più precisi, queste batterie generavano una corrente costante di circa 600 picoampere. I componenti attivi usati in questi dispositivi erano delle piuttosto comuni lampade al neon, come la venerabile lampada NE-2, attualmente disponibile nell'incarnazione moderna WX-EGA2-0 di Interlight (Figura 1).

Figura 1: L'incarnazione moderna della venerabile lampada al neon NE-2 è WX-EGA2-0 di Interlight, simile alle lampade al neon usate come interruttori sensibili alla tensione attiva in dispositivi di sicurezza autoalimentati per il settore aerospaziale. (Immagine per gentile concessione di Interlight)

Altri dispositivi più moderni sono GT-NE4H1125T e GT-NG6H1825T di Lumex Optical Components Inc.

Le lampade al neon sono dispositivi sensibili alla tensione. Se vengono applicate tensioni basse, sono essenzialmente spente e il loro flusso di corrente interno è davvero ridotto. In tale modalità, queste lampade sono parzialmente sensibili alla luce e alle cariche elettrostatiche, pertanto sono dotate di una schermatura metallica. Più la tensione applicata aumenta, più il gas all'interno della lampada si ionizza, la corrente che la attraversa aumenta rapidamente e la lampada inizia ad accendersi. A questo punto viene mantenuta una tensione pressoché costante all'interno della lampada. Se la corrente non viene limitata, si crea un arco tra gli elettrodi della lampada, la corrente aumenta rapidamente e il dispositivo si accende. Per via di queste caratteristiche, una lampada al neon può essere usata come interruttore o regolatore di tensione.

Vediamo in che modo, prendendo come esempio un attuatore sensibile all'altitudine (Figura 2).

Figura 2: Un attuatore autoalimentato (con batteria nucleare) sensibile all'altitudine può usare lampade al neon come dispositivi attivi. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

La batteria nucleare è composta da un'ampolla in vetro al cui interno si trova del Kr85. Il tubo di alimentazione in rame è l'anodo della batteria. Sull'esterno dell'ampolla sono state elettrodepositate due guaine in rame emisferiche che formano un elemento a due catodi. A basse altitudini, mano a mano che l'aria riempie l'intercapedine tra i catodi, le radiazioni del Kr85 ionizzano l'aria, collegando i due emisferi. I condensatori C1 e C2 vengono caricati dalla batteria nucleare.

La lampada al neon, che noi chiamavamo diodi a gas del catodo freddo, serve a diversi scopi. D3, insieme al suo resistore in serie R2, forma un regolatore di tensione che mantiene una tensione costante su C1 e C2. Con l'aumentare dell'altitudine, la pressione atmosferica nell'intercapedine si riduce fino a quando questo diventa non conduttivo. A questo punto, il regolatore di tensione viene scollegato da C1. Con il regolatore di tensione escluso dal circuito, l'uscita di corrente costante della batteria aumenta la tensione da C1 all'induttore, L1. L'impulso risultante viene applicato alla schermatura del diodo D2, rendendolo conduttivo. Ciò scarica la carica immagazzinata da C2 sui morsetti di uscita. L'uscita può fornire energia a un relè o attivare una miccetta, come richiesto. Le lampade al neon agiscono quindi come regolatori di tensione e interruttori attivi.

Realizzare e testare questi dispositivi di alimentazione a bassissimo consumo è una bella sfida. Le camere di assemblaggio e collaudo devono essere pulite e asciutte. Tutte le superfici devono essere pulite con dell'alcol: una sola impronta digitale causa un cortocircuito. I nostri condensatori vennero realizzati su misura in dielettrico in Teflon o in vetro con una resistenza di isolamento minima di 10¹⁵ Ω. Furono fondamentali come strumenti di misurazione voltmetri elettrostatici ed elettrometri.

Ho detto che la maggior parte dei collaudi dei dispositivi eseguiti prima della sigillatura delle unità venne realizzata sotto luci rosse da camera oscura?

Conclusione

Come discusso, le umili lampade al neon che vedete sulle vostre prese multiple sono in grado di fare molto più di quanto sembri. Possono fungere anche da regolatori di tensione o interruttori di cedimento particolarmente utili in applicazioni a bassissimo consumo energetico.