Pearson–Anson effect
पियर्सन-एनसन प्रभाव, जिसकी खोज 1922 में स्टीफन ओस्वाल्ड पियर्सन और होरेशियो सेंट जॉर्ज एनसन ने की थी, एक संधारित्र के पार जुड़े नियॉन बल्ब द्वारा उत्पादित एक दोलनशील विद्युत वोल्टेज की घटना है, जब एक अवरोधक के माध्यम से एक सीधा प्रवाह लागू किया जाता है। यह परिपथ, जिसे अब पियर्सन-एनसन ऑसिलेटर, नियॉन लैंप ऑसिलेटर या सॉटूथ ऑसिलेटर कहा जाता है, विश्राम ऑसिलेटर के सबसे सरल प्रकारों में से एक है। यह एक सॉटूथ आउटपुट वेवफॉर्म उत्पन्न करता है। इसका उपयोग कम आवृत्ति वाले अनुप्रयोगों जैसे कि टिमटिमाती चेतावनी रोशनी, स्ट्रोबोस्कोप, इलेक्ट्रॉनिक अंगों में टोन जनरेटर और अन्य इलेक्ट्रॉनिक संगीत परिपथों और प्रारंभिक कैथोड-रे ट्यूब ऑसिलोस्कोप के समय आधार और विक्षेपण परिपथों में किया गया है। माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स के विकास के बाद से, इन सरल नकारात्मक प्रतिरोध ऑसिलेटरों को 555 टाइमर आईसी जैसे अधिक लचीले अर्धचालक विश्राम ऑसिलेटरों द्वारा कई अनुप्रयोगों में प्रतिस्थापित किया गया है। एक स्विचिंग उपकरण के रूप में नियॉन बल्ब एक नियॉन बल्ब, जिसे अक्सर उपकरणों में एक संकेतक दीपक के रूप में उपयोग किया जाता है, में दो इलेक्ट्रोड वाला एक कांच का बल्ब होता है, जिसे कम दबाव पर नियॉन जैसी निष्क्रिय गैस द्वारा अलग किया जाता है। इसकी अरैखिक धारा-वोल्टेज विशेषताएँ (नीचे दिया गया आरेख) इसे एक स्विचिंग उपकरण के रूप में कार्य करने की अनुमति देती हैं। जब इलेक्ट्रोड पर वोल्टेज लगाया जाता है, तो गैस तब तक लगभग कोई विद्युत प्रवाह नहीं संचालित करती है जब तक कि एक सीमा वोल्टेज (बिंदु बी) तक नहीं पहुंच जाता है, जिसे फायरिंग या ब्रेकडाउन वोल्टेज, वीबी कहा जाता है। इस वोल्टेज पर गैस में इलेक्ट्रॉनों को गैस परमाणुओं से अन्य इलेक्ट्रॉनों को बाहर निकालने के लिए पर्याप्त उच्च गति से त्वरित किया जाता है, जो एक श्रृंखला प्रतिक्रिया में अधिक इलेक्ट्रॉनों को बंद करने के लिए आगे बढ़ते हैं। बल्ब में गैस आयनित होती है, एक चमक निर्वहन शुरू करती है, और इसका प्रतिरोध कम मूल्य तक गिर जाता है। अपनी संवाहक अवस्था में बल्ब के माध्यम से धारा केवल बाहरी परिपथ द्वारा सीमित होती है। बल्ब के पार वोल्टेज कम वोल्टेज में गिर जाता है जिसे रखरखाव वोल्टेज Vm कहा जाता है। बल्ब तब तक धारा का संचालन करना जारी रखेगा जब तक कि लागू वोल्टेज विलुप्त होने वाले वोल्टेज वी (बिंदु डी) से नीचे नहीं गिर जाता, जो आमतौर पर बनाए रखने वाले वोल्टेज के करीब होता है। इस वोल्टेज के नीचे, धारा गैस को आयनित रखने के लिए अपर्याप्त ऊर्जा प्रदान करती है, इसलिए बल्ब अपने उच्च प्रतिरोध, गैर-प्रवाहकीय स्थिति (बिंदु ए) में वापस आ जाता है। बल्ब का "चालू" वोल्टेज वी. बी. इसके "बंद" वोल्टेज वी. ई. से अधिक होता है। यह गुण, जिसे हिस्टैरिसीस कहा जाता है, बल्ब को ऑसिलेटर के रूप में कार्य करने की अनुमति देता है। हिस्टैरिसीस बल्ब के नकारात्मक प्रतिरोध के कारण होता है, टूटने के बाद बढ़ती धारा के साथ वोल्टेज में गिरावट, जो सभी गैस-निर्वहन लैंप का एक गुण है। 1960 के दशक तक सॉटूथ ऑसिलेटर भी थायरेट्रॉन के साथ बनाए गए थे। ये गैस से भरे ट्रायोड इलेक्ट्रॉन ट्यूब थे। ये कुछ हद तक नियॉन बल्बों के समान काम करते थे, ट्यूब तब तक संचालित नहीं होती थी जब तक कि कैथोड से एनोड वोल्टेज ब्रेकडाउन वोल्टेज तक नहीं पहुंच जाता। थायराट्रॉन का लाभ यह था कि टूटने वाले वोल्टेज को ग्रिड पर वोल्टेज द्वारा नियंत्रित किया जा सकता था। इसने दोलन की आवृत्ति को इलेक्ट्रॉनिक रूप से बदलने की अनुमति दी। थायराट्रॉन ऑसिलेटर का उपयोग ऑसिलोस्कोप में समय आधार के रूप में किया जाता था। ऑपरेशन पियर्सन-एनसन ऑसिलेटर सर्किट (शीर्ष) में एक संधारित्र सी नियॉन बल्ब एन के पार जुड़ा होता है संधारित्र को प्रतिरोधक आर के माध्यम से धारा द्वारा लगातार चार्ज किया जाता है जब तक कि बल्ब संचालित नहीं होता है, इसे फिर से निर्वहन नहीं करता है, जिसके बाद यह फिर से चार्ज हो जाता है। विस्तृत चक्र को दाईं ओर वर्तमान-वोल्टेज आरेख पर हिस्टैरिसीस लूप एबीसीडी द्वारा चित्रित किया गया हैः जब आपूर्ति वोल्टेज चालू होता है, तो नियॉन बल्ब अपनी उच्च प्रतिरोध स्थिति में होता है और एक खुले परिपथ की तरह कार्य करता है। प्रतिरोधक के माध्यम से धारा संधारित्र को चार्ज करना शुरू कर देती है और इसका वोल्टेज आपूर्ति वोल्टेज की ओर बढ़ने लगता है। जब संधारित्र के पार वोल्टेज b तक पहुंचता है, तो बल्ब का टूटने वाला वोल्टेज Vb चालू हो जाता है और इसका प्रतिरोध कम हो जाता है। संधारित्र पर आवेश विद्युत धारा (सी) की क्षणिक स्पंद में बल्ब के माध्यम से तेजी से निर्वहन करता है। जब वोल्टेज बल्ब (डी) के विलुप्त होने वाले वोल्टेज वी तक गिर जाता है, तो बल्ब बंद हो जाता है और इसके माध्यम से धारा निम्न स्तर (ए) तक गिर जाती है। अवरोधक के माध्यम से धारा संधारित्र को फिर से चार्ज करना शुरू कर देती है, और चक्र दोहराता है। इस प्रकार परिपथ एक कम आवृत्ति वाले विश्राम दोलक के रूप में कार्य करता है, संधारित्र वोल्टेज जो लकड़ी के दांत की लहर में बल्ब के टूटने और विलुप्त होने वाले वोल्टेज के बीच दोलन करता है। अवधि समय स्थिरांक आर. सी. के समानुपाती होती है। नियॉन लैंप हर बार संचालित होने पर प्रकाश की एक संक्षिप्त चमक पैदा करता है, इसलिए परिपथ का उपयोग "फ्लैशर" परिपथ के रूप में भी किया जा सकता है। प्रकाश स्रोत और स्विचिंग उपकरण दोनों के रूप में लैंप का दोहरा कार्य सर्किट को कई वैकल्पिक फ्लैशर सर्किट की तुलना में कम भागों की गिनती और लागत देता है। दोलन के लिए स्थितियाँ आपूर्ति वोल्टेज वी. एस. बल्ब ब्रेकडाउन वोल्टेज वी. बी. से अधिक होना चाहिए या बल्ब कभी संचालन नहीं कर सकता है। अधिकांश छोटे नियॉन लैंप में 80 और 150 वोल्ट के बीच ब्रेकडाउन वोल्टेज होता है। यदि आपूर्ति वोल्टेज टूटने वाले वोल्टेज के करीब है, तो संधारित्र वोल्टेज Vb तक पहुंचने तक अपने घातीय वक्र के "पूंछ" में होगा, इसलिए आवृत्ति टूटने की सीमा और आपूर्ति वोल्टेज स्तरों पर संवेदनशील रूप से निर्भर करेगी, जिससे आवृत्ति में भिन्नता होगी। इसलिए, आपूर्ति वोल्टेज को आमतौर पर बल्ब फायरिंग वोल्टेज की तुलना में काफी अधिक बनाया जाता है। यह चार्जिंग को अधिक रैखिक भी बनाता है, और सॉटूथ तरंग को अधिक त्रिकोणीय बनाता है। परिपथ के दोलन के लिए प्रतिरोधक आर भी मूल्यों की एक निश्चित सीमा के भीतर होना चाहिए। यह IV ग्राफ पर लोड लाइन (नीली) द्वारा सचित्र है। भार रेखा का ढलान आर के बराबर होता है। परिपथ के संभावित डीसी संचालन बिंदु भार रेखा और नियॉन लैंप के IV वक्र (काला) के प्रतिच्छेदन पर होते हैं। परिपथ के अस्थिर और दोलनशील होने के लिए, भार रेखा को अपने ऋणात्मक प्रतिरोध क्षेत्र में, बी और डी के बीच, जहां वोल्टेज बढ़ती धारा के साथ घटता है, IV वक्र को काटना चाहिए। यह आरेख पर छायांकित क्षेत्र द्वारा परिभाषित किया गया है। यदि भार रेखा IV वक्र को पार करती है जहां इसका सकारात्मक प्रतिरोध होता है, छायांकित क्षेत्र के बाहर, यह एक स्थिर संचालन बिंदु का प्रतिनिधित्व करता है, इसलिए परिपथ दोलन नहीं करेगाः यदि R बहुत बड़ा है, उसी क्रम का जो बल्ब के "बंद" रिसाव प्रतिरोध के समान है, तो भार रेखा मूल और b के बीच IV वक्र को पार कर जाएगी। इस क्षेत्र में, आपूर्ति से आर के माध्यम से धारा इतनी कम होती है कि बल्ब के माध्यम से रिसाव धारा इसे बंद कर देती है, इसलिए संधारित्र वोल्टेज कभी भी वीबी तक नहीं पहुंचता है और बल्ब कभी नहीं जलता है। अधिकांश नियॉन बल्बों का रिसाव प्रतिरोध 100 एम. ओ. एच. से अधिक है, इसलिए यह एक गंभीर सीमा नहीं है। यदि आर बहुत छोटा है, तो भार रेखा सी और डी के बीच IV वक्र को पार कर जाएगी। इस क्षेत्र में आर के माध्यम से धारा बहुत बड़ी है; एक बार बल्ब चालू हो जाने के बाद, आर के माध्यम से धारा इतनी बड़ी होगी कि इसे संधारित्र से धारा के बिना संचालित रखा जा सके, और बल्ब के पार वोल्टेज कभी भी वी तक नहीं गिरेगा ताकि बल्ब कभी बंद न हो। छोटे नियॉन बल्ब आमतौर पर 500 के. ओ. एम. और 20 एम. ओ. एम. के बीच आर के मानों के साथ दोलन करेंगे। यदि सी छोटा नहीं है, तो नियॉन बल्ब के साथ श्रृंखला में एक अवरोधक जोड़ना आवश्यक हो सकता है, ताकि संधारित्र के निर्वहन पर क्षति को रोकने के लिए इसके माध्यम से धारा को सीमित किया जा सके। यह निर्वहन समय को बढ़ाएगा और आवृत्ति को थोड़ा कम कर देगा, लेकिन कम आवृत्ति पर इसका प्रभाव नगण्य होगा। आवृत्ति दोलन की अवधि की गणना उपयोग किए गए दीपक के टूटने और विलुप्त होने वाले वोल्टेज की सीमा से की जा सकती है। चार्जिंग अवधि के दौरान, बल्ब में उच्च प्रतिरोध होता है और इसे एक खुला परिपथ माना जा सकता है, इसलिए शेष ऑसिलेटर एक आर. सी. परिपथ का गठन करता है जिसमें संधारित्र वोल्टेज समय स्थिरांक आर. सी. के साथ तेजी से वी. एस. तक पहुंचता है। यदि v (t) संधारित्र के पार समय के लिए आउटपुट वोल्टेज है, हल करने के लिए हालांकि पहली अवधि दूसरों की तुलना में लंबी है क्योंकि वोल्टेज शून्य से शुरू होता है, बाद की अवधि के वोल्टेज तरंग रूप वी और वीबी के बीच पहले के समान होते हैं। तो अवधि T उस समय के बीच का अंतराल है जब वोल्टेज वे तक पहुँचता है, और उस समय जब वोल्टेज वीबी तक पहुँचता है यह सूत्र केवल लगभग 200 हर्ट्ज तक की दोलन आवृत्तियों के लिए मान्य है; इसके ऊपर विभिन्न समय की देरी वास्तविक आवृत्ति को इससे कम होने का कारण बनती है। गैस के आयनीकरण और निर्जलीकरण के लिए आवश्यक समय के कारण, नियॉन लैंप धीमे स्विचिंग उपकरण हैं, और नियॉन लैंप ऑसिलेटर लगभग 20 किलोहर्ट्ज़ की शीर्ष आवृत्ति तक सीमित है। नियॉन लैंप के टूटने और विलुप्त होने के वोल्टेज समान भागों के बीच भिन्न हो सकते हैं; निर्माता आमतौर पर इन मापदंडों के लिए केवल विस्तृत श्रेणियों को निर्दिष्ट करते हैं। इसलिए यदि एक सटीक आवृत्ति वांछित है तो परिपथ को परीक्षण और त्रुटि द्वारा समायोजित किया जाना चाहिए। तापमान के साथ सीमाएं भी बदलती हैं, इसलिए नियॉन लैंप ऑसिलेटर की आवृत्ति विशेष रूप से स्थिर नहीं होती है। अन्य विश्राम ऑसिलेटरों की तरह, नियॉन बल्ब ऑसिलेटर में खराब आवृत्ति स्थिरता होती है, लेकिन इसे नियॉन बल्ब के साथ श्रृंखला में लागू बाहरी आवधिक वोल्टेज के साथ समक्रमित (प्रवेशित) किया जा सकता है। भले ही बाहरी आवृत्ति ऑसिलेटर की प्राकृतिक आवृत्ति से अलग हो, लागू संकेत के शिखर बल्ब की टूटने की सीमा को पार कर सकते हैं, संधारित्र को समय से पहले निर्वहन कर सकते हैं, ताकि ऑसिलेटर की अवधि लागू संकेत पर बंद हो जाए। दिलचस्प व्यवहार बाहरी वोल्टेज के आयाम और आवृत्ति में बदलाव के परिणामस्वरूप हो सकता है। उदाहरण के लिए, ऑसिलेटर एक ऑसिलेटिंग वोल्टेज का उत्पादन कर सकता है जिसकी आवृत्ति बाहरी आवृत्ति का एक उप गुणक है। इस घटना को "सबमल्टिप्लिकेशन" या "डिमल्टिप्लिकेशन" के रूप में जाना जाता है, और पहली बार 1927 में बाल्थासर वैन डेर पोल और उनके सहयोगी जान वैन डेर मार्क द्वारा देखा गया था। कुछ मामलों में परिपथ में देखी गई दोलन की आवृत्ति के लिए बाहरी आवृत्ति का अनुपात एक परिमेय संख्या हो सकती है, या यहां तक कि एक अपरिमेय भी हो सकती है (बाद वाले मामले को "अर्धकालिक" व्यवस्था के रूप में जाना जाता है)। जब आवधिक और अर्ध-आवधिक शासन ओवरलैप होते हैं, तो परिपथ का व्यवहार अपेरियोडिक हो सकता है, जिसका अर्थ है कि दोलनों का पैटर्न कभी नहीं दोहराता है। यह अपेरियोडिसिटी सर्किट के अराजक होने के व्यवहार के अनुरूप है (अराजकता सिद्धांत देखें)। मजबूर नियॉन बल्ब ऑसिलेटर पहली प्रणाली थी जिसमें अराजक व्यवहार देखा गया था। वान डेर पोल और वान डेर मार्क ने डिमल्टिप्लिकेशन के साथ अपने प्रयोगों के बारे में लिखा है कि अक्सर टेलीफोन रिसीवरों में एक अनियमित शोर सुना जाता है, इससे पहले कि आवृत्ति अगले कम मूल्य पर कूद जाए। हालाँकि यह एक सहायक घटना है, जिसका मुख्य प्रभाव नियमित आवृत्ति अवगुणन है। किसी भी आवधिक दोलन ने एक संगीतमय स्वर उत्पन्न किया होगा; केवल अपेरियोडिक, अराजक दोलन एक "अनियमित शोर" उत्पन्न करेंगे। ऐसा माना जाता है कि यह अराजकता का पहला अवलोकन था, हालांकि वैन डेर पोल और वैन डेर मार्क को उस समय इसके महत्व का एहसास नहीं था। यह भी देखें कि रिलैक्सेशन ऑसिलेटर श्मिट ट्रिगर 555 टाइमर नकारात्मक प्रतिरोध नोट्स संदर्भ एस. ओ. पियर्सन और एच. सेंट जी. एनसन, नियॉन से भरे लैंप के कुछ विद्युत गुणों का प्रदर्शन, लंदन की भौतिक सोसायटी की कार्यवाही, vol.34, नहीं। 1 (दिसंबर 1921), पृ. 175-176 एस. ओ. पियर्सन और एच. सेंट जी. एनसन, द नियॉन ट्यूब एज़ ए मीन्स ऑफ़ प्रोड्यूसिंग इंटरमिटेंट करेंट्स, प्रोसीडिंग्स ऑफ़ द फिजिकल सोसाइटी ऑफ़ लंदन, वॉल्यूम। 34, नहीं। 1 (दिसंबर 1921), पृ. 204-212 एनालॉग सर्किट इलेक्ट्रॉनिक ऑसिलेटर