Принцип работы вакуумного диода – диод, триод, электронно-лучевая трубка, электронный микроскоп, рентгеновская трубка.

Принцип устройства и работы вакуумного диода. Как устроен вакуумный диод


Вакуумный диод: характеристика, принцип работы

 

Собирая различные электрические приборы в своей домашней лаборатории, многие люди не только экономят деньги на приобретении новой техники, но и чинят вышедшие из строя электроизделия. Для полноценной работы многих приборов требуются диоды, которые сегодня представлены самыми разнообразными экземплярами. В сегодняшней статье речь пойдет о таком элементе, которые довольно часто встречается в электрических схемах – вакуумный диод.

Чтобы правильно использовать такую детальку, необходимо знать ее устройство, а также какая схема и принцип работы для нее характерны. Обо всем этом вы узнаете из этой статьи.

Что представляет собой устройство

Современный диод вакуумного типа представляет собой баллон, выполненный из металлокерамики или стекла, лишенный воздуха. Их этого баллона выкачивают воздух до давления, находящегося на уровне 10-6 — 10-7 мм рт. ст. Отсюда и название данного элемента электросхем.

Строение диод вакуумного типа

Внутри такой баллон размещены два электрода. Одним из них является катод. Он имеет вид металлического вертикального цилиндра, который покрыт слоем оксида щелочно-земельных металлов (кальция, стронция, бария). Благодаря такому напылению данный элемент получил название оксидный катод.

Обратите внимание! При его нагревании с поверхности происходит значительно большее испускание электродов, чем с обычного металлического элемента аналогичного вида.

Катод внутри содержит изолированный проводник, нагреваемый переменным или постоянным током. При нагревании, катод испускает электроны, которые движутся и достигают второго элемента вакуумного диода – анода.Анод имеет вид овального или круглого цилиндра. Он с катодом имеет общую ось. Схема диода вакуумного типа имеет следующий вид.

Схема диода вакуумного типа

Кроме вакуумного диода существует еще такое понятие, как электровакуумный диод.Под собой электровакуумный диод подразумевает двухэлектродную вакуумную электронную лампу. Ее строение аналогично диоду вакуумного типа. По сути это одно и тоже. Здесь катод представляет собой W-образную или прямую нить. Он, в процессе работы такой лампы, нагревается до определенной температуры. В результате нагрева возникает термоэлектронная эмиссия. В ходе подачи на анод отрицательного напряжения относительно катода, электроны возвращаются обратно на катод. Когда на анод подается положительное напряжение, часть из эмитированных электронов начинает двигаться в нему. В результате возникает ток.В результате своей работы вакуумные диоды и их аналоги способны на выпрямление приложенного к ним напряжения. Таким основным своей свойством обладают вакуумные выпрямители, поэтому они используются в качестве детекторов сигналов высокой частоты и выпрямления переменного тока.Такое устройство характерно для всех изделий подобного типа. При этом данное устройство и определяет основные характеристики изделия, а также то, какое применение оно будет иметь.

Обратите внимание! Частотный диапазон для диода вакуумного типа несколько ограничен и не превышает 500 МГц. При этом интегрированные в волноводы дисковые диоды, способны на детектирование частоты до 10 ГГц.

Формы основных элементов диода

Форма катода и анода

Катод, входящий в состав диода вакуумного типа, зачастую имеет вид латинских букв W или V. Такая форма используется для увеличения длины изделия. В тоже время анод будет более выгодным, если станет изготавливаться в виде коробки, лишенной боковых граней. В сечении анод имеет форму прямоугольника с закругленными углами.

Такая форма анода определяется необходимостью для того, чтобы он во всех направлениях по возможности находился на одинаковом расстоянии от нагреваемого катода. По этой причиной наиболее выгодной формой для обоих элементов является эллиптическая.Чтобы снизить степень нагрева анода в его устройстве часто фигурируют ребра (крылышки). Благодаря их наличию, анод имеет более качественное отведение тепла.И катод и анод в баллоне крепятся при помощи специальных держателей. Для большего удобства в эксплуатации, внизу лампы устанавливается цоколь, состоящий из изоляционного материала. Он оснащен металлическими ножками-штырьками. Эти штырьки обеспечивают контакт лампы при включении ее в гнезда ламповой панели.Вот такое устройство имеет электровакуумная лампы или диод вакуумного типа.

 

Принцип функционирования диода вакуумного типа

Чтобы схема, в которую входит выпрямитель вакуумного типа, работала как надо, следует понимать принцип работы такой детали.

Принцип работы диода

Принцип работы вакуумных диодов представляет собой следующую картину:

  • в ходе разогрева катода, электроны с его поверхности начнут отделяться;
  • их отделение происходит за счет формирования термоэлектронной эмиссии;
  • освобожденные с поверхности электроны начинают препятствовать вылету других электронов. В следствии этого вокруг поверхности катода образуется облако электронов;
  • часть электронов этого облака, обладающие наименьшими скоростями, опускается обратно на поверхность катода;
  • в ситуации, когда задается определенная температура, облако электронов стабилизируется. Это означает, что с катода вылетает столько же электронов, сколько потом на него опускается;
  • при наличии нулевого напряжения, например, при ситуации короткого замыкания анода на катоде, в лампе начинает течь ток электронов по направлению от катода к аноду. В данной ситуации наиболее быстрые электроны способны преодолеть имеющуюся потенциальную яму, из-за чего они и притягиваются к аноду. Отсечка тока происходит в той ситуации, когда на анод подается отрицательное запирающее напряжение. Это напряжение должно иметь один вольт или ниже.
  • в ситуации подачи положительного напряжения на анод, в диоде формируется ускоряющее поле

Принцип устройства и работы электро-вакуумных приборов

Главное назначение диодов — выпрямление переменного тока. Иногда диоды применяются для генерации шумов, т. е. беспорядочно изменяющихся токов и напряжений, для ограничения электрических импульсов и т. д.

Диод имеет два электрода в стеклянном, металлическом или керамическом баллоне с вакуумом. Один электрод — это накаленный катод, служащий для эмиссии (испускания) электронов. Другой электрод. — анод — принимает электроны, испускаемые катодом. Катод и анод вакуумного диода аналогичны эмиттеру и базе полупроводникового диода. Анод притягивает электроны, если он имеет положительный относительно катода потенциал. Между анодом и катодом образуется электрическое поле, которое при положительном потенциале анода является ускоряющим для электронов. Электроны, вылетающие из катода, под действием поля движутся к аноду.

Простейший катод делают в виде проволочки, которая накаливается током. Такие катоды называют катодами прямого или непосредственного накала. Большое распространение получил катод косвенного накала (подогревный). Это металлический цилиндр, поверхность которого покрыта активным слоем, эмитирующим электроны. Внутри цилиндра находится подогреватель в виде проволочки, накаливаемой током. В наиболее распространенной цилиндрической конструкции диода (рис. 15.1) анод имеет форму цилиндра.

Цепи диода с катодом косвенного накала показаны на рис. 15.2. Основной является анодная цепь (цепь анода). В нее входят анодный источник

Еа и пространство между анодом и катодом.

Все электроны, вылетающие из катода, образуют ток эмиссии

Ie = Nq, (15.1)

где N — число электронов, вылетающих за 1 с; q заряд электрона.

Между анодом и катодом образуется отрицательный заряд, называемый объемным или пространственным и препятствующий движению электронов к аноду. При недостаточном положительном потенциале анода не все электроны могут преодолеть действие объемного заряда и часть их возвращается на катод.

Электроны, ушедшие с катода безвозвратно, определяют катодный ток (ток катода), обозначаемый Iк или iK:

iK = nq<Ie, (15.2)

где п — число электронов, ушедших за 1 с с катода и не возвратившихся.

Рис. 15.1. Цилиндрическая конструкция электродов диода

 

Рис. 15.2. Цепи диода с катодом косвенного накала

 

Рис. 15.3. Упрощенные схемы с диодами

 

Чем выше потенциал анода, тем больше электронов преодолевает объемный заряд и уходит к аноду, т. е. тем больше катодный ток.

Поток электронов, летящих от катода к аноду и попадающих на анод, называют анодным током (током анода). Он протекает в анодной цепи и обозначается

Iа или ia В диоде катодный и анодный токи равны друг другу:

ia= iк.(15.3)

Анодный ток является главным током электронной лампы. Электроны этого тока движутся внутри лампы от катода к аноду, а вне лампы — от анода к плюсу анодного источника, затем внутри него и от минуса источника к катоду лампы.

При изменении положительного потенциала анода изменяется катодный ток и равный ему анодный ток. В этом заключается электростатический принцип управления анодным током.

Если потенциал анода отрицателен по отношению к катоду, то поле между анодом и катодом тормозит электроны, вылетающие из катода, и возвращает их на катод. В этом случае катодный и анодный токи равны нулю.

Основное свойство диода — способность проводить ток в одном направлении. Электроны могут двигаться только от накаленного катода к аноду, имеющему положительный потенциал. Если же на аноде отрицательный относительно катода потенциал, то диод заперт, т. е. он размыкает цепь. Такой анод отталкивает электроны, а сам он не накален и не испускает электронов. Диод обладает односторонней проводимостью и подобно полупроводниковому диоду может выпрямлять переменный ток. В отличие от полупроводникового диода в вакуумном при обратном напряжении обратный ток практически отсутствует.

Анодный ток составляет доли миллиампера в самых маломощных диодах, применяемых в радиоприемниках или измерительной аппаратуре. В более мощных диодах (кенотронах), работающих в выпрямительных установках для питания аппаратуры, анодный ток достигает сотен миллиампер и более.

Разность потенциалов между анодом и катодом называют анодным напряжением (напряжением анода)

и обозначают Ua или uа.

В практических схемах, когда в анодную цепь включена нагрузка, на которой падает часть напряжения анодного источника, анодное напряжение меньше Eа. Нередко возникают ошибки от того, что напряжение анодного источника Eа неправильно называют анодным напряжением. Но они равны только в том случае, когда зажимы анодного источника непосредственно присоединены к аноду и катоду лампы (см. рис. 15.2). Положительное анодное напряжение у маломощных диодов составляет доли вольта или единицы вольт. У кенотронов средней мощности оно достигает десятков вольт, а у мощных кенотронов сотен вольт и более.

Условились принимать потенциал катода за нулевой, так как от катода электроны начинают свое движение. Потенциал любого электрода определяют относительно катода. У катода прямого накала за точку нулевого потенциала принимают минус источника накала.

Второй цепью диода является цепь накала. Она состоит из источника Eн и подогревателя (или катода прямого накала). Ток накала обозначают Iн, а напряжение накала, т. е. напряжение между выводами подогревателя (или катода прямого накала), обозначают Uн. Напряжение накала всегда низкое — единицы, реже десятки вольт. Ток накала у маломощных ламп составляет десятки миллиампер, а у мощных — до десятков и даже сотен ампер. Во многих схемах вывод катода соединяют с корпусом (рис. 15.3, а, б) аппаратуры.

Основные аннотации по теме ламповой схемотехники

 

Принцип устройства и работы электро-вакуумных приборов

Главное назначение диодов — выпрямление переменного тока. Иногда диоды применяются для генерации шумов, т. е. беспорядочно изменяющихся токов и напряжений, для ограничения электрических импульсов и т. д.

Диод имеет два электрода в стеклянном, металлическом или керамическом баллоне с вакуумом. Один электрод — это накаленный катод, служащий для эмиссии (испускания) электронов. Другой электрод. — анод — принимает электроны, испускаемые катодом. Катод и анод вакуумного диода аналогичны эмиттеру и базе полупроводникового диода. Анод притягивает электроны, если он имеет положительный относительно катода потенциал. Между анодом и катодом образуется электрическое поле, которое при положительном потенциале анода является ускоряющим для электронов. Электроны, вылетающие из катода, под действием поля движутся к аноду.

Простейший катод делают в виде проволочки, которая накаливается током. Такие катоды называют катодами прямого или непосредственного накала. Большое распространение получил катод косвенного накала (подогревный). Это металлический цилиндр, поверхность которого покрыта активным слоем, эмитирующим электроны. Внутри цилиндра находится подогреватель в виде проволочки, накаливаемой током. В наиболее распространенной цилиндрической конструкции диода (рис. 15.1) анод имеет форму цилиндра.

Цепи диода с катодом косвенного накала показаны на рис. 15.2. Основной является анодная цепь (цепь анода). В нее входят анодный источник Еаи пространство между анодом и катодом.

Все электроны, вылетающие из катода, образуют ток эмиссии

Ie = Nq, (15.1)

где N — число электронов, вылетающих за 1 с; qзаряд электрона.

Между анодом и катодом образуется отрицательный заряд, называемый объемным или пространственным и препятствующий движению электронов к аноду. При недостаточном положительном потенциале анода не все электроны могут преодолеть действие объемного заряда и часть их возвращается на катод.

Электроны, ушедшие с катода безвозвратно, определяют катодный ток (ток катода), обозначаемый Iк или iK:

iK = nq<Ie, (15.2)

где п — число электронов, ушедших за 1 с с катода и не возвратившихся.

Рис. 15.1. Цилиндрическая конструкция электродов диода

 

Рис. 15.2. Цепи диода с катодом косвенного накала

 

Рис. 15.3. Упрощенные схемы с диодами

 

Чем выше потенциал анода, тем больше электронов преодолевает объемный заряд и уходит к аноду, т. е. тем больше катодный ток.

Поток электронов, летящих от катода к аноду и попадающих на анод, называют анодным током (током анода). Он протекает в анодной цепи и обозначается Iа или ia В диоде катодный и анодный токи равны друг другу:

ia = iк.(15.3)

Анодный ток является главным током электронной лампы. Электроны этого тока движутся внутри лампы от катода к аноду, а вне лампы — от анода к плюсу анодного источника, затем внутри него и от минуса источника к катоду лампы.

При изменении положительного потенциала анода изменяется катодный ток и равный ему анодный ток. В этом заключается электростатический принцип управления анодным током.

Если потенциал анода отрицателен по отношению к катоду, то поле между анодом и катодом тормозит электроны, вылетающие из катода, и возвращает их на катод. В этом случае катодный и анодный токи равны нулю.

Основное свойство диода — способность проводить ток в одном направлении. Электроны могут двигаться только от накаленного катода к аноду, имеющему положительный потенциал. Если же на аноде отрицательный относительно катода потенциал, то диод заперт, т. е. он размыкает цепь. Такой анод отталкивает электроны, а сам он не накален и не испускает электронов. Диод обладает односторонней проводимостью и подобно полупроводниковому диоду может выпрямлять переменный ток. В отличие от полупроводникового диода в вакуумном при обратном напряжении обратный ток практически отсутствует.

Анодный ток составляет доли миллиампера в самых маломощных диодах, применяемых в радиоприемниках или измерительной аппаратуре. В более мощных диодах (кенотронах), работающих в выпрямительных установках для питания аппаратуры, анодный ток достигает сотен миллиампер и более.

Разность потенциалов между анодом и катодом называют анодным напряжением (напряжением анода) и обозначают Ua или uа.

В практических схемах, когда в анодную цепь включена нагрузка, на которой падает часть напряжения анодного источника, анодное напряжение меньше Eа. Нередко возникают ошибки от того, что напряжение анодного источника Eа неправильно называют анодным напряжением. Но они равны только в том случае, когда зажимы анодного источника непосредственно присоединены к аноду и катоду лампы (см. рис. 15.2). Положительное анодное напряжение у маломощных диодов составляет доли вольта или единицы вольт. У кенотронов средней мощности оно достигает десятков вольт, а у мощных кенотронов сотен вольт и более.

Условились принимать потенциал катода за нулевой, так как от катода электроны начинают свое движение. Потенциал любого электрода определяют относительно катода. У катода прямого накала за точку нулевого потенциала принимают минус источника накала.

Второй цепью диода является цепь накала. Она состоит из источника Eн и подогревателя (или катода прямого накала). Ток накала обозначают Iн, а напряжение накала, т. е. напряжение между выводами подогревателя (или катода прямого накала), обозначают Uн. Напряжение накала всегда низкое — единицы, реже десятки вольт. Ток накала у маломощных ламп составляет десятки миллиампер, а у мощных — до десятков и даже сотен ампер. Во многих схемах вывод катода соединяют с корпусом (рис. 15.3, а, б) аппаратуры.

Основные аннотации по теме ламповой схемотехники

 

Принцип действия и статические характеристики вакуумного диода » hifisound.com.ua

Теперь самое время подвести некоторый итог вышесказанному и рассмотреть прин­цип действия простейшего электровакуумного прибора — диода. В основе работы любых электронных ламп, электронно-лучевых трубок (осциллоскопов, кинескопов, видиконов) и ряда других приборов, лежит эффект протекания электрического тока в вакууме. Казалось бы вакуум, заполняющий баллон любого электровакуумного прибора (к которым относятся и электронные лампы) является идеальным диэлект­риком, и электрический ток через него протекать никак не может.

Однако, в реальной жизни все бывает по другому. Природа существования тока в вакууме обусловлена в первую очередь физическим явлением, называемым термоэлектронной эмиссией, которое было рассмотрено в предыдущем параграфе. Итак, суть явления термоэлек­тронной эмиссии состоит в том, что при разогреве металлической пластины, находя­щейся внутри баллона из которого откачан воздух, происходит отрыв электронов от поверхности пластины. При нагреве, как известно, кинетическая энергия хаотически движущихся частиц возрастает, и при определенной температуре разогрева пласти­ны, энергии электронов оказывается достаточно, для того, чтобы преодолеть дейст­вие сил, удерживающих свободные электроны в металле. Покидая поверхность ме­талла, электрон совершает работу, называемую работой выхода. Для снижения величины этой работы, пластину часто покрывают специальными примесями — соля­ми бария, тория, различными оксидами.

Однако, для существования тока в вакууме наличие только одной лишь эмиссии электронов недостаточно. Представим себе лампочку от карманного фонарика, к ко­торой подключена батарейка (рис. 1).

Рис. 1   Нить накаливания простейшей лампочки

При протекании по этой цепи электрического тока, нить лампочки сильно разогревается, и электроны, преодолевая работу выхода, вырываются из нее в окружающее пространство внутри баллона. Однако, эти элект­роны никуда от нити не разлетаются, поскольку нет силы, которая заставила бы их двигаться в каком-либо направлении в сторону от нити. Сама же нить частично притя­гивает электроны обратно на себя, поскольку, теряя отрицательный заряд в виде вырвавшихся из нее электронов, нить заряжается положительно. Таким обра­зом, одни электроны покидают нить, преодолевая работу выхода, а другие притягиваются к ней обратно, образуя некий баланс. При этом вокруг нити образуется облачко свободных электронов, как это условно показано на рис. 2

Рис. 2 Электронное облако вокруг нити накаливания

 

Для существования электрического тока в любой среде необходимо выполнение двух обязательных условий — это наличие носителей тока и наличие силы, которая заставляла бы их двигаться. Для того, чтобы через вакуум потек электрический ток, носителями которого являлись бы вырвавшиеся из раскаленной нити электроны, не­обходимо приложить к какой-либо вспомогательной пластине положительный заряд относительно нити, что создаст необходимую электрическую силу, заставляющую электроны двигаться в определенном направлении. Такая конструкция, показанная на рис. 2.4, является простейшим вакуумным диодом. Здесь в баллон, из которого предварительно откачан воздух, помимо нити накала, разогреваемой за счет тока, протекающего через нее от источника постоянного напряжения Ен, помещена также металлическая пластина, называемая анодом (А). К этой пластине подключен положительный полюс источника постоянного напряжения Еа, а отрицательный полюс этого источника соединен с одним из выводов нити накала. Таким образом, анод зара­жен положительно, а электрод создающий носители, называемый катодом (К) — от­рицательно. Роль катода в простейшем вакуумном диоде, изображенном на рис. 3, выполняет непосредственно нить, называемая в электровакуумных приборах нитью накала или подогревателем.

Рис. 3 Конструкция простейшего вакуумного диода

 

Рис. 4  Катод косвенного накала

При питании нити накала (подогревателя) не постоянным, а переменным током (в аппаратуре работающей от электросети переменного тока), во избежание пара­зитной модуляции анодного тока фоном частоты сети, часто катоды ламп делают по­догревными, когда роль катода выполняет не сам нить накала, а вспомогательная пластина, расположенная близко к ней, и нагреваемая за счет излучаемого нитью тепла. Эту катодную пластину также покрывают веществами с малой работой выхода (солями, оксидами и т. п.). Такой катод, показанный на рис. 4, называют катодом косвенного накала, а когда роль катода выполняет сама нить, так как показано на рис. 3, ее называют катодом прямого накала.

 

В случае, когда анод заряжен положительно относительно катода, электроны, на вылетевшие из катода (нити накала), действует электрическая сила, создаваемая поло­жительным полем анода. Под действием этой силы, электроны начинают притягивать­ся к аноду, создавая в цепи, включающей в себя источник Еа, анод, вакуумный проме­жуток и катод, электрический ток. Протекающий в направлении, противоположном движению электронов (как принято в физике и электротехнике), то есть от плюса ис­точника к его минусу через анод, вакуумный промежуток и катод Если же изменить полярность включения источника Еа, приложив минус к аноду, а плюс к катоду, отрица­тельное поле анода будет отталкивать электроны, прижимая их к катоду, и электриче­ский ток в цепи батарейка — вакуумный диод существовать не будет. Таким образом, для протекания электрического тока в вакууме необходимо выполнить два условия: обеспечить эмиссию электронов из катода (для чего необходимо катод разогреть), а также обеспечить положительный заряд на аноде относительно катода.

Из вышесказанного следует, что вакуумный диод обладает односторонней прово­димостью — электрический ток через него протекает только тогда, когда на аноде на­пряжение положительно. При подаче отрицательного напряжения на анод, ток через диод не течет. В случае если к такому вакуумному диоду приложить переменное на­пряжение гармонической (синусоидальной) формы, то ток через диод будет сущест­вовать только в течении положительных полупериодов. Это явление широко использу­ется на практике. В частности, в век ламповой техники, вакуумные диоды применяли для выпрямления переменного тока, а также для детектирования модулированных колебаний. Вакуумные диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока, называются кенотронами.

Рис. 5   Статическая вольт-амперная характеристика вакуумного диода

На рис. 5 показана графическая зависимость анодного тока вакуумного диода, от величины положительного напряжения на аноде относительно катода. Эта зависи­мость называется статической вольт-амперной анодной характеристикой. Как видно из графика, при увеличении анодного напряжения, анодный ток возрастает, причем в области малых анодных напряжений этот рост достаточно медленный, что обуслов­лено малой величиной силы, притягивающей электроны, а при более высоких напря­жениях на аноде, ток нарастает практически линейно.

Наклон линейного участка вольт-амперной характеристики диода характеризуется его внутренним сопротивле­нием rа, которое можно определить через закон Ома, отсчитав приращения напряже­ния и токов на этом участке непосредственно по графику. Наконец, при очень боль­ших анодных напряжениях, ток перестает возрастать, поскольку эмиссионная способность катода (то есть максимальное количество электронов, могущих покинуть поверхность катода) всегда ограничена. Это явление называют насыщением.

Помимо величины внутреннего сопротивления, вакуумные диоды также характе­ризуются максимальной величиной анодного тока, предельным анодным напряжени­ем и максимальной мощностью тепла, рассеиваемого на аноде. Эти параметры явля­ются предельно допустимыми, и их превышение может привести к физическому разрушению прибора.

Рис. 6   Обозначение на схемах вакуумного диода с прямонакальным катодом

Рис. 7   Обозначение на схемах вакуумного диода с катодом косвенного накала

В завершение данного экскурса в физику работы вакуумного диода, приведем их изображения на принципиальных схемах. На рис. 6 и 7 показаны обозначения ди­одов с катодами прямого и косвенного накала.

Морган Джонс. Ламповые усилителию. Перевод с английского под общей научной редакцией к.т.н. доц. Иванюшкина Р.Ю.

 

500 Internal Server Error

500 Internal Server Error

Ошибка в настройках сайта Вероятнее всего, эта ошибка возникла из-за несовместимых настроек .htaccess

3. 5. Электрический ток в вакуумном диоде

Рис.3.4. Схема включения вакуумного диода.

Явление испускания электронов нагретыми металлами называется термо­элек­тронной эмиссией. С повышением температуры возрастает кинетическая энергия электронов и они получают возможность, пре­одолев ра­боту выхода, покинуть поверхность металла. Термоэлек­тронная эмиссия лежит в основе работы электронных ламп. Простейшая электронная лампа — вакуумный диод, — представляет собой вакууммиро­ванный стеклян­ный или металлический баллон, внутри которого нахо­дятся два электрода: нагреваемый нитью накала, ме­таллический катод К и холодный метал­лический анод А. Высокий вакуум в диоде создается для того, чтобы электроны при своем движении не сталкивались с молекулами воздуха. На рис.3.4 приведена схема включения вакуумного диода. Батарея БН служит для нагревания нити накала и далее катода. Напряжение между анодом и катодом создается с помощью батареи Ба.

Вакуумный диод обладает односторонней проводимостью, то есть электроны могут двигаться только от катода к аноду, притягиваясь Кулоновскими силами к положительно заряженному аноду. Если же анод заряжен батареей Ба отрицательно, то анод отталкивает испускаемые нагретым като­дом электроны обратно и они образуют «электронное облако», которое сосредоточено вблизи катода. Такое же «электронное облако» образуется при нулевом и даже при положительном напряжении анода за счет притяжения электронов к катоду, где после вылета электронов возникает поверхностный, положительный заряд. При увеличении положительного анодного напряжения все большая часть электронов будет лететь прямо к аноду, не задерживаясь в «электронном облаке», его плотность начнет уменьшаться и количество электронов, притяги­ваемых анодом в каждую секунду, будет увеличиваться. Электроны, долетевшие до анода, двигаются далее по проводам под действием батареи Ба , доходят до катода и снова испускаются к аноду.

Рис.3.5. Вольт-амперные характеристики диода при различных температурах катода.

В замкнутой цепи возникает электрический ток, называемый анодным током. Зависимость анодного токаIа от анод­ного напряжения Uа называется вольт­ампер­ной характеристикой диода. На рис.3.5 пред­ставлены три вольт-амперные ха­рактеристи­ки, снятые при различных температурах като­да Т1Т2Т3. На всех трех кривых видно, что при определенных значе­ниях Uа=Uнас (напряжение насыщения) рост анодного тока прекращается, кривые стано­вятся практиче­ски параллельными оси абс­цисс. Максималь­ное значение анодного тока называется током насыще­ния Iнас. Это озна­чает, что все электроны, покидающие катод в единицу времени, под действием достаточно сильного поля двигаются сразу к аноду, не создавая облака. Дальнейшее увели­чение Uа не мо­жет привести к росту анод­ного тока, так как число электронов, вылетающих каждую секунду из катода, зависит от температуры катода, но не зависит от величины анодного напряжения. Поэтому, плот­ность тока насыщения jнас определяется плотностью тока термоэлектронной эмиссии (они равны по величине), которая рассчитывается по формуле Ричардсона-Дешмена: , гдеIнас — ток насыщения, k — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура, АВЫХ — работа выхода электрона из металла катода, С=1.2106 А/м2К2 — эмиссионная постоянная Ричардсона.

На участках кривых при UАUнас зависимость анодного тока от анодного на­пряжения описывается формулой Богуславского-Ленгмюра или законом «трех вторых» , где В — константа, зависящая от размеров, формы и взаимного расположения катода и анода.

С ростом температуры катода увеличивается число испускаемых им электро­нов, растет плотность «электронного облака». Для рассеивания объемного заряда об­лака требуется большее анодное напряжение. Поэтому при увеличении темпера­туры катода насыщение анодного тока наступает при больших значениях Uа и сама величи­на тока насыщения Iнас также возрастает.

Явление термоэлектронной эмиссии используется в различных электронных лампах, рентгеновских трубках, электронном микроскопе и т.д. Рассмотренная выше двухэлектродная лампа применяется в электро- и радиотехнике, автоматике и телеме­ханике для выпрямления переменного тока, усиления тока и электрических сигналов, для генерирования электромагнитных колебаний.

8.2. Электровакуумные диоды

106Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru

тельных каскадах передатчиков, развивают мощность в 500 кВт и более.

8.2.1.Конструкция и принцип действия электровакуумных

диодов

Электровакуумным диодом называют электронную лампу, имеющую два основных электрода – анод и катод, обладающую свойством односторонней проводимости. Катод – это электрод, который раскалѐн до такой степени, что его поверхность покидают электроны и устремляются к аноду. Анод – это электрод, к которому внутри лампы прилетают заряженные частицы. Анод имеет чаще всего положительный потенциал. Для увеличения эффективности желательно отводить тепло от анода. Анод и катод электровакуумного диода помещают в баллон, который обычно выполняют из стекла или ме-

талла, с откачанным воздухом, причѐм вакуум составляет обычно от 10–3 Па до 10–8 Па.

Различают катоды двух разновидностей: с косвенным и с непосредственным накалом. Катод непосредственного, или, иначе, прямого накала, непосредственно подключаемый к источнику питания обычно постоянного тока, выполняют из проволоки с высокой температурой плавления, изготовленной обычно из молибдена, вольфрама и других металлов и сплавов. Эту проволоку внутри баллона размещают так, чтобы расстояние от любой еѐ точки до поверхности катода было примерно одинаковым, и закрепляют на специальных держателях, именуемых траверсами. Масса катода непосредственного накала не велика и при попытке питания переменным током может возникнуть ситуация, при которой его пульсации будут при-

107Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru

водить к циклическому изменению температуры катода, и, следовательно, паразитной флюктуации прямого тока, что недопустимо.

Катод косвенного накала, чаще всего изготавливаемый из никеля, имеет форму полого цилиндра. Внутри такого трубчатого катода размещена нить накала, изолированная термостойким веществом, например, Al2O3. Масса катода косвенного накала больше, чем катода непосредственного накала, и пульсации тока в цепи накала не приведут к существенным флюктуациям его температуры. Поэтому катод косвенного накала допускает подключение нити накала к источнику питания переменного тока.

Подключим соответствующий источник питания к нити накала, к аноду подсоединим нагрузку и рассмотрим принцип действия электровакуумного диода. В прямом включении к катоду прикладывают напряжение отрицательной полярности, а к аноду – положительной. В лампе возникает электрическое поле, которое будет ускоряющим для электронов, пребывающих на поверхности катода, что принуждает их покинуть катод и лететь к аноду. В результате в цепи течѐт прямой ток от анода к катоду.

В обратном включении к катоду подводят напряжение положительной полярности, а к аноду – отрицательной. Возникающее электрическое поле будет тормозящим для электронов катода, и заставляет электроны не покидать катод. Поэтому обратный ток не течѐт.

8.2.2. Основные параметры и анодная характеристика электровакуумных диодов

Зависимость тока анода от напряжения анод-катод при фиксированной температуре катода или стабильном напряжении накала, называемая анодной характеристикой, выступает в качестве важнейшего показателя электровакуумных диодов. Типовая, резко нелинейная анодная характеристика электровакуумного диода дана на рис. 8.1.

108Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru

Рис. 8.1. Анодная характеристика электровакуумного диода На ней можно выделить три участка. На отрицательном участке

имеет место незначительное повышение тока анода в связи с тем, что электроны обладают достаточной энергией для того, чтобы по-

кинуть разогретый катод. Затем, при увеличении анодного напряжения Uа, ток анода Iа возрастает по выражению Iа = k • Uа3/2, где

k – это коэффициент, соответствующий конструкции и габаритам катода и анода. Затем, при большом напряжении анода, на анодной характеристике можно различить участок насыщения, когда сила тока анода замедляет рост из-за того, что почти все электроны покидают поверхность катода и устремляются к аноду.

Располагая анодной характеристикой и выбрав на ней почти линейный участок, можно определить крутизну характеристики электровакуумного диода как отношение приращения тока анода к приращению анодного напряжения (мА / В):

S = Iа / Uа.

Внутренним сопротивлением именуют отношение приращения анодного напряжения к приращению тока анода, Ом:

Rв = Uа / Iа = 1 / S.

Также важным параметром электровакуумных диодов следует считать максимально допустимое обратное напряжение, при кото-

Электровакуумный диод Википедия

several vacuum rectifier valves (WI1 5/20, PY88, EY51)

Электровакуумный диод — вакуумная двухэлектродная электронная лампа. Катод диода нагревается до температур, при которых возникает термоэлектронная эмиссия. При подаче на анод отрицательного относительно катода напряжения все эмитированные катодом электроны возвращаются на катод, при подаче на анод положительного напряжения часть эмитированных электронов устремляется к аноду, формируя его ток. Таким образом, диод выпрямляет приложенное к нему напряжение. Это свойство диода используется для выпрямления переменного тока и детектирования сигналов высокой частоты. Практический частотный диапазон традиционного вакуумного диода ограничен частотами до 500 МГц. Дисковые диоды, интегрированные в волноводы, способны детектировать частоты до 10 ГГц[1].

Устройство

Обозначение на схемах диода с катодом непрямого накала.

Электровакуумный диод представляет собой сосуд (баллон), в котором создан высокий вакуум. В баллоне размещены два электрода — катод и анод. Катод прямого накала представляет собой прямую или W-образную нить, разогреваемую током накала. Катод косвенного накала — длинный цилиндр или короб, внутри которых уложена электрически изолированная спираль подогревателя. Как правило, катод вложен внутрь цилиндрического или коробчатого анода, который в силовых диодах может иметь рёбра или «крылышки» для отвода тепла. Выводы катода, анода и подогревателя (в лампах косвенного накала) соединены с внешними выводами (ножками лампы).

Принцип работы

При разогреве катода электроны начнут покидать его поверхность за счёт термоэлектронной эмиссии. По мере того как электроны покидают поверхность катода и накапливаются в его атмосфере, возникает область отрицательного заряда. При этом в такой же пропорции поверхность начинает заряжаться положительно. В итоге каждому следующему электрону для отрыва из атома потребуется больше энергии, а сами электроны будут удерживаться положительно заряженной поверхностью в некоторой ограниченной по объему области над катодом. В результате вокруг катода образуется своего рода облако электронов. Часть электронов с наименьшими скоростями из облака падает обратно на катод. При заданной температуре катода облако стабилизируется: на катод падает столько же электронов, сколько из него вылетает.

Уже при нулевом напряжении анода относительно катода (например, при коротком замыкании анода на катод) в лампе течёт ток электронов из катода в анод: относительно быстрые электроны преодолевают потенциальную яму пространственного заряда и притягиваются к аноду. Отсечка тока наступает только тогда, когда на анод подано запирающее отрицательное напряжение порядка −1 В и ниже. При подаче на анод положительного напряжения в диоде возникает ускоряющее поле, ток анода возрастает. При достижении током анода значений, близких к пределу эмиссии катода, рост тока замедляется, а затем стабилизируется (насыщается).

Вольт-амперная характеристика

Участки вольт-амперной характеристики диода

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) электровакуумного диода имеет 3 характерных участка:

1. Нелинейный участок. На начальном участке ВАХ ток медленно возрастает при увеличении напряжения на аноде, что объясняется противодействием полю анода объёмного отрицательного заряда электронного облака. По сравнению с током насыщения, анодный ток при Ua=0{\displaystyle U_{a}=0} очень мал (и не показан на схеме). Его зависимость от напряжения растет экспоненциально, что обуславливается разбросом начальных скоростей электронов. Для полного прекращения анодного тока необходимо приложить некоторое анодное напряжение меньше нуля, называемое запирающим.

2. Участок

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о