Вах вакуумного диода – Вольт-амперная характеристика вакуумного диода | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Содержание

Электровакуумный диод — это… Что такое Электровакуумный диод?

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. Покинувшие поверхность электроны будут препятствовать вылету других электронов, 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).

ВАХ

Участки вольт-амперной характеристики диода

Вольт-амперная характеристика электровакуумного диода имеет 3 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 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 закона степени трёх вторых. Зависимость анодного тока от напряжения описывается , где первеанс g — постоянная, зависящая от конфигурации и размеров электродов. В простейшей модели первеанс не зависит от состава и температуры катода, в действительности первеанс растёт с ростом температуры из-за неравномерного его нагрева.
  3. Участок насыщения. При дальнейшем увеличении напряжения на аноде рост тока замедляется, а затем полностью прекращается, так как все электроны, вылетающие из катода, достигают анода. Дальнейшее увеличение анодного тока при данной величине накала невозможно, поскольку для этого нужны дополнительные электроны, а их взять негде, так как вся эмиссия катода исчерпана. Установившейся в этом режиме анодный ток называется
    током насыщения
    . Этот участок описывается законом Ричардсона-Дешмана: , где  — универсальная термоэлектронная постоянная Зоммерфельда.

ВАХ анода зависит от напряжения накала — чем больше накал, тем больше крутизна ВАХ и тем больше ток насыщения. Чрезмерное увеличение напряжения накала приводит к уменьшению срока службы лампы.

Основные параметры

К основным параметрам электровакуумного диода относятся:

  • Крутизна ВАХ:  — изменение анодного тока в мА на 1 В изменения напряжения.
  • Дифференциальное сопротивление:
  • Максимально допустимое обратное напряжение. При некотором напряжении, приложенном в обратном направлении (то есть изменена полярность катода и анода), происходит пробой диода — проскакивает искра между катодом и анодом, что сопровождается резким возрастанием силы тока.
  • Запирающее напряжение — напряжение, необходимое для прекращения тока в диоде.
  • Максимально допустимая рассеиваемая мощность.

Крутизна и внутреннее сопротивление являются функциями от анодного напряжения и температуры катода.

Если температура катода постоянна, то в пределах участка «трех вторых» крутизна равна первой производной от функции «трех-вторых».

Маркировка приборов

Электровакуумные диоды маркируются по такому принципу, как и остальные лампы:

  1. Первое число обозначает напряжение накала, округлённое до целого.
  2. Второй символ обозначает тип электровакуумного прибора. Для диодов:
    • Д — одинарный диод.
    • Ц — кенотрон (выпрямительный диод)
    • X — двойной диод, то есть содержащий два диода в одном корпусе с общим накалом.
      • МХ — механотрон-двойной диод
      • МУХ — механотрон-двойной диод для измерения углов
  3. Следующее число — это порядковый номер разработки прибора.
  4. И последний символ — конструктивное выполнение прибора:
    • С — стеклянный баллон диаметром более 24 мм без цоколя либо с октальным (восьмиштырьковым) пластмассовым цоколем с ключом.
    • П — пальчиковые лампы (стеклянный баллон диаметром 19 или 22,5 мм с жёсткими штыревыми выводами без цоколя).
    • Б — миниатюрная серия с гибкими выводами и с диаметром корпуса менее 10 мм.
    • А — миниатюрная серия с гибкими выводами и с диаметром корпуса менее 6 мм.
    • К — серия ламп в керамическом корпусе.

Если четвертый элемент отсутствует, то это говорит о присутствии металлического корпуса!

Сравнение с полупроводниковыми диодами

По сравнению с полупроводниковыми диодами в электровакуумных диодах отсутствует обратный ток, и они выдерживают более высокие напряжения. Способны кратковременно выдерживать большие перегрузки (полупроводниковые «выгорают» сразу[источник не указан 1008 дней]). Стойки к ионизирующим излучениям. Однако они обладают гораздо большими размерами и меньшим КПД.

Примечания

  1. Батушев, В. А. Электронные приборы. — М.: Высшая школа, 1969. — С. 52. — 608 с. — 90,000 экз.

Литература

  1. Клейнер Э. Ю. Основы теории электронных ламп. — М., 1974.
  2. Электронные приборы: Учебник для вузов/В. Н. Дулин, Н. А. Аваев, В. П. Демин и др.; Под ред. Г. Г. Шишкина. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 496 с.
  3. Физический энциклопедический словарь. Том 5, М. 1966, «Советская энциклопедия»

Электровакуумный диод — Википедия

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 закона степени трёх вторых. Зависимость анодного тока от напряжения описывается законом степени трёх вторых:

j=g⋅Ua3/2,{\displaystyle j=g\cdot U_{a}^{3/2},}

где g — постоянная, зависящая от конфигурации и размеров электродов (первеанс). В простейшей модели первеанс не зависит от состава и температуры катода, в действительности растёт с ростом температуры из-за неравномерного нагрева катода.

3. Участок насыщения. При дальнейшем увеличении напряжения на аноде рост тока замедляется, а затем полностью прекращается, так как все электроны, вылетающие из катода, достигают анода. Дальнейшее увеличение анодного тока при данной величине накала невозможно, поскольку для этого нужны дополнительные электроны, а их взять негде, так как вся эмиссия катода исчерпана. Установившейся анодный ток называется током насыщения. Этот участок описывается законом Ричардсона-Дешмана:

j=AT2exp⁡(−eφkT),{\displaystyle j=AT^{2}\exp \left(-{e\varphi \over kT}\right),}

где A=4πmek2h4=120Acm2K2{\displaystyle A={4\pi mek^{2} \over h^{3}}=120{{\text{A}} \over {{\text{cm}}^{2}{\text{K}}^{2}}}} — универсальная термоэлектронная постоянная Зоммерфельда.

ВАХ анода зависит от напряжения накала — чем больше накал, тем больше крутизна ВАХ и тем больше ток насыщения. Чрезмерное увеличение напряжения накала приводит к уменьшению срока службы лампы.

Основные параметры

К основным параметрам электровакуумного диода относятся:

  • Крутизна ВАХ: S=dIadUa{\displaystyle S={dI_{a} \over dU_{a}}} — изменение анодного тока в мА на 1 В изменения напряжения.
  • Дифференциальное сопротивление: Ri=1S{\displaystyle R_{i}={1 \over S}}
  • Ток насыщения.
  • Запирающее напряжение — отрицательное напряжение на аноде относительно катода, необходимое для прекращения тока в диоде.
  • Максимально допустимое обратное напряжение. При некотором напряжении, приложенном , происходит пробой диода — проскакивает искра между катодом и анодом, что сопровождается резким возрастанием силы тока.
  • Максимально допустимая рассеиваемая мощность.

Крутизна и внутреннее сопротивление являются функциями от анодного напряжения и температуры катода.

Если температура катода постоянна, то в пределах участка «трех вторых» крутизна равна первой производной от функции «трех-вторых».

Маркировка приборов

Электровакуумные диоды маркируются по такому принципу, как и остальные лампы:

  1. Первое число обозначает напряжение накала, округлённое до целого.
  2. Второй символ обозначает тип электровакуумного прибора. Для диодов:
    • Д — одинарный диод.
    • Ц — кенотрон (выпрямительный диод)
    • X — двойной диод, то есть содержащий два диода в одном корпусе с общим накалом.
      • МХ — механотрон-двойной диод
      • МУХ — механотрон-двойной диод для измерения углов
  3. Следующее число — это порядковый номер разработки прибора.
  4. И последний символ — конструктивное выполнение прибора:
    • С — стеклянный баллон диаметром более 24 мм без цоколя либо с октальным (восьмиштырьковым) пластмассовым цоколем с ключом.
    • П — пальчиковые лампы (стеклянный баллон диаметром 19 или 22,5 мм с жёсткими штыревыми выводами без цоколя).
    • Б — миниатюрная серия с гибкими выводами и с диаметром корпуса менее 10 мм.
    • А — миниатюрная серия с гибкими выводами и с диаметром корпуса менее 6 мм.
    • К — серия ламп в керамическом корпусе.

Если четвертый элемент отсутствует, то это говорит о присутствии металлического корпуса!

Сравнение с полупроводниковыми диодами

По сравнению с полупроводниковыми диодами в электровакуумных диодах отсутствует обратный ток, и они выдерживают более высокие напряжения. Стойки к ионизирующим излучениям. Однако они обладают гораздо большими размерами и меньшим КПД.

Примечания

  1. Батушев, В. А. Электронные приборы. — М.: Высшая школа, 1969. — С. 52. — 608 с. — 90,000 экз.

Литература

  1. Клейнер Э. Ю. Основы теории электронных ламп. — М., 1974.
  2. Электронные приборы: Учебник для вузов/В. Н. Дулин, Н. А. Аваев, В. П. Демин и др.; Под ред. Г. Г. Шишкина. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 496 с.
  3. Физический энциклопедический словарь. Том 5, М. 1966, «Советская энциклопедия»

Вольт-амперная характеристика полупроводниковых диодов, типовые ВАХи

Электровакуумный диод представляет собой прибор, работающий за счет контроля интенсивности нагрева положительного и отрицательного полюсов устройства. Вход устройства при подаче электрического тока нагревается, после чего появляется эффект выхода электронов из металла. Если подавать электрический ток с отрицательным напряжением, осуществляется процесс обратный термоэлектронной эмиссии. За счет этого идет выпрямление мощности, которая подается на радиодеталь.

Вах полупроводникового прибора

Вах полупроводникового прибора

Вольтамперная характеристика вакуумного диода

Данная характеристика состоит из классических трех ступеней:

  1. Нелинейная часть. Вольт амперная характеристика диода в месте подачи тока возрастает небольшими темпами. Это объясняется эффектом противодействия полю анода отрицательного напряжения свободных электронов. На данном участке ток анода крайне низок. Влияние напряжения на силу экспоненциально.
  2. Вторая часть кривой описывается законом степени 3/2. Влияние электричества на аноде от подаваемого напряжения в данном случае записывается формулой трех вторых, в которой напряжение на аноде умножается на константу, характеристики габаритов электрода.
  3. Напряжение насыщения. Если напряжение на аноде продолжает увеличиваться соразмерно предыдущим показателям, скорость увеличения выходного тока снижается. Повысить мощность на выходе невозможно из-за отсутствия свободных электронов.

Как работает диод

Диод – полупроводниковое устройство, которое обладает односторонней проводимостью. Эта характеристика появляется из-за особенностей pn перехода и сопротивления на его концах. Односторонняя проводимость обозначает, что радиодеталь пропустит электрический ток только в том случае, если на аноде (входе) будет больший потенциал. Если мощность выше на катоде, появляется обратный ток. Однако из-за высокой степени сопротивления величины такого электрического тока критически малы. Таким образом строится вольт амперная характеристика полупроводникового устройства.

Принцип функционирования диода вакуумного типа

При подаче электричества на выход электровакуумного диода электроны покидают поверхность из-за эффекта термоэлектронной эмиссии. При этом с накоплением свободных заряженных частиц в атмосфере появляется область, которая характеризуется негативным потенциалом. Характерной особенностью вакуумного прибора является то, что в это время поверхности анода начнут положительно заряжаться. Из-за этого последующим заряженным частицам потребуется более высокий уровень заряда для отрыва. В результате переходных процессов вокруг катода формируется облако заряженных частиц.

Интересно. Незначительная часть электронов возвращается на выход радиодетали. При температуре, которая соответствует требуемой, и стабилизации облака выход и возврат заряженных частиц из катода уравниваются, чем обеспечивают стабильное движение заряженных частиц.

Электрический ток в вакууме

Чтобы появилась возможность передавать ток в вакууме, требуется добавить в пространство свободные заряженные частицы при помощи явлений эмиссии:

  • Термоэлектронная – представляет собой процесс освобождения заряженных частиц металлами во время нагрева. Скорость процесса зависит от площади, условий нагрева и свойств материала. Когда кинетическая энергия превышает мощь электронных связей, происходит освобождение частиц;
  • Фотоэлектронная – возникает под действием освещения.
  • Автоэлектронная эмиссия происходит из-за влияния электрического поля.

Прямое и обратное напряжение диода

Уровень мощности, при котором прибор открыт, и через него течет электричество, называется ток. Обратное напряжение – отрицательная мощность, которая течет с катода на анод. В случае прямого напряжения уровень препятствия движению заряженных частиц не выше 100 Ом, однако при обратном напряжении уровень сопротивления возрастает в несколько сотен раз и может достигать миллионов Ом.

Прямое и обратное напряжение диода

Прямое и обратное напряжение диода

Обратное включение диода, обратный ток

Обратный ток возникает, когда напряжение на катоде выше, чем на аноде. В такой ситуации заряженные частицы из области n перехода начнут смещаться к положительной части детали и передвигаться к отрицательному полюсу. Это приводит к возникновению области, которая содержит малое количество заряженных частиц, из-за чего повысится сопротивление. Однако течение электронов будет продолжаться.

Прямое включение диода, прямой ток

При подключении к аноду большего напряжения, чем на катоде, возникает прямой ток. В таком случае агрегат находится в открытом состоянии. Итоговое значение на выходе зависит от технических характеристик и уровня напряжения на входе. При этом свободные участки из области n типа передвигаются к заряженным частицам из Р типа и, наоборот. На месте pn перехода происходит встреча дырок и электронов, и осуществляется рекомбинация.

ВАХ и выпрямительный диод

ВАХ диода состоит из нескольких квадрантов:

  • В первом случае прибору присуща высокая проводимость, которая соответствует приложенному напряжению;
  • Во второй части радиоэлектронное устройство получает ток до состояния насыщения, затем сбрасывается;
  • В последующем сегменте присутствует обратная ветвь ВАХ диода. Аппроксимация данного состояния свидетельствует о низкой проводимости.
ВАХ стабилитрона

ВАХ стабилитрона

Идеализированная ВАХ полупроводникового диода

Данная характеристика присуща идеальному диоду. Главной задачей такого устройства является пропуск электричества исключительно в одну сторону. В таком случае сопротивление идеального радиоэлемента равно нулю в случае подключения положительного заряда к аноду, и может равняться бесконечности при обратном способе включения в цепь.

Практическое использование выпрямительного диода

Используют устройства в таких узлах:

  • БП силовых агрегатов автомобилей и кораблей;
  • В диодном мосту;
  • В устройствах для выпрямления переменного тока и гальванических емкостей;
  • В трансформаторах для передачи электричества посредством высоковольтной линии.

Выбор выпрямительных диодов

Во время подбора выпрямительных деталей требуется учитывать большое количество факторов:

  • Частота тока;
  • Значения входного тока в амперах;
  • Параметр входного напряжения в вольтах;
  • Устойчивость к условиям внешней среды..

Что обозначает маркировка

Типичная маркировка:

  • Первый символ – Д – диод;
  • Второй – нумерация, которая соответствует типу элемента, материалу и способу применения;
  • Третий – разновидность устройства.

Вольт амперная характеристика диода показывает основные параметры диода. При помощи графика можно получить точную информацию о зависимости значения напряжения на выходе диода от напряжения на входе. Существует несколько видов диодов: идеальный и реальный, выпрямительный и стабилитрон, кремниевый и германиевый, а также светодиод и вакуумный. Отличия между ними – в выполняемой работе. При этом формула выходного напряжения в цепи будет незначительно отличаться. Так как лабораторные условия встречаются редко, то возможны незначительные погрешности во время включения и последующего выполнения функций устройством. ВАХ полупроводникового агрегата существенно различается от типа к типу, отличные характеристики могут быть значительными.

Видео

Электровакуумный диод — Википедия

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).

Видео по теме

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 закона степени трёх вторых. Зависимость анодного тока от напряжения описывается законом степени трёх вторых:

j=g⋅Ua3/2,{\displaystyle j=g\cdot U_{a}^{3/2},}

где g — постоянная, зависящая от конфигурации и размеров электродов (первеанс). В простейшей модели первеанс не зависит от состава и температуры катода, в действительности растёт с ростом температуры из-за неравномерного нагрева катода.

3. Участок насыщения. При дальнейшем увеличении напряжения на аноде рост тока замедляется, а затем полностью прекращается, так как все электроны, вылетающие из катода, достигают анода. Дальнейшее увеличение анодного тока при данной величине накала невозможно, поскольку для этого нужны дополнительные электроны, а их взять негде, так как вся эмиссия катода исчерпана. Установившейся анодный ток называется током насыщения. Этот участок описывается законом Ричардсона-Дешмана:

j=AT2exp⁡(−eφkT),{\displaystyle j=AT^{2}\exp \left(-{e\varphi \over kT}\right),}

где A=4πmek2h4=120Acm2K2{\displaystyle A={4\pi mek^{2} \over h^{3}}=120{{\text{A}} \over {{\text{cm}}^{2}{\text{K}}^{2}}}} — универсальная термоэлектронная постоянная Зоммерфельда.

ВАХ анода зависит от напряжения накала — чем больше накал, тем больше крутизна ВАХ и тем больше ток насыщения. Чрезмерное увеличение напряжения накала приводит к уменьшению срока службы лампы.

Основные параметры

К основным параметрам электровакуумного диода относятся:

  • Крутизна ВАХ: S=dIadUa{\displaystyle S={dI_{a} \over dU_{a}}} — изменение анодного тока в мА на 1 В изменения напряжения.
  • Дифференциальное сопротивление: Ri=1S{\displaystyle R_{i}={1 \over S}}
  • Ток насыщения.
  • Запирающее напряжение — отрицательное напряжение на аноде относительно катода, необходимое для прекращения тока в диоде.
  • Максимально допустимое обратное напряжение. При некотором напряжении, приложенном , происходит пробой диода — проскакивает искра между катодом и анодом, что сопровождается резким возрастанием силы тока.
  • Максимально допустимая рассеиваемая мощность.

Крутизна и внутреннее сопротивление являются функциями от анодного напряжения и температуры катода.

Если температура катода постоянна, то в пределах участка «трех вторых» крутизна равна первой производной от функции «трех-вторых».

Маркировка приборов

Электровакуумные диоды маркируются по такому принципу, как и остальные лампы:

  1. Первое число обозначает напряжение накала, округлённое до целого.
  2. Второй символ обозначает тип электровакуумного прибора. Для диодов:
    • Д — одинарный диод.
    • Ц — кенотрон (выпрямительный диод)
    • X — двойной диод, то есть содержащий два диода в одном корпусе с общим накалом.
      • МХ — механотрон-двойной диод
      • МУХ — механотрон-двойной диод для измерения углов
  3. Следующее число — это порядковый номер разработки прибора.
  4. И последний символ — конструктивное выполнение прибора:
    • С — стеклянный баллон диаметром более 24 мм без цоколя либо с октальным (восьмиштырьковым) пластмассовым цоколем с ключом.
    • П — пальчиковые лампы (стеклянный баллон диаметром 19 или 22,5 мм с жёсткими штыревыми выводами без цоколя).
    • Б — миниатюрная серия с гибкими выводами и с диаметром корпуса менее 10 мм.
    • А — миниатюрная серия с гибкими выводами и с диаметром корпуса менее 6 мм.
    • К — серия ламп в керамическом корпусе.

Если четвертый элемент отсутствует, то это говорит о присутствии металлического корпуса!

Сравнение с полупроводниковыми диодами

По сравнению с полупроводниковыми диодами в электровакуумных диодах отсутствует обратный ток, и они выдерживают более высокие напряжения. Стойки к ионизирующим излучениям. Однако они обладают гораздо большими размерами и меньшим КПД.

Примечания

  1. Батушев, В. А. Электронные приборы. — М.: Высшая школа, 1969. — С. 52. — 608 с. — 90,000 экз.

Литература

  1. Клейнер Э. Ю. Основы теории электронных ламп. — М., 1974.
  2. Электронные приборы: Учебник для вузов/В. Н. Дулин, Н. А. Аваев, В. П. Демин и др.; Под ред. Г. Г. Шишкина. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 496 с.
  3. Физический энциклопедический словарь. Том 5, М. 1966, «Советская энциклопедия»

5. Эффект Шоттки. Вольтамперная характеристика вакуумного диода

До сих пор мы рассматривали термоэлектронную эмиссию катода как такового, безотносительно к аноду. Однако в электронных лампах между анодом и катодом приложена разность потенциалов. Поэтому значительный интерес представляет случай, когда на поверхности эмиттера существует электрическое поле, ускоряющее или замедляющее эмитированные электроны.

Рисунок 10-Зависимость энергии Рисунок 11-Вольтамперная характеристика

Электрона от расстояния до анода вакуумного диода

Рассмотрим вакуумный диод. Т. е. лампу, содержащую всего два электрода — анод (коллектор) и катод (эмиттер). На рис. 10 прямая с соответствует работе, произведенной над свободным электроном электрическим полем Е, которое создается анодным напряжением Ua:

(32)

Поскольку электрон при выходе из катода должен преодолеть потенциальный барьер (кривая а на рис. 10), то в действительности характер изменения работы, производимой над электроном, отражается кривой b (рис. 10). Из данного рисунка видно, что вначале, до расстояния хт, электрон находится в тормозящем поле. При х=хт тормозящая сила равна силе внешнего поля (ускоряющая сила).

Если считать, что максимум кривой b (точка А на рис. 10) находится в области сил изображения, можно найти хт и подсчитать уменьшение работы выхода В точке А. Тогда из формулы (5)

(33)

Следовательно,

(34)

Подсчитаем уменьшение работы выхода. Во-первых, отпадает работа против сил зарядов изображения на участке от хт до х=∞

(35)

Во-вторых, на участке от х =0 до хт внешнее поле совершает положительную работу

(36)

Полное уменьшение работы выхода определяется следующим образом:

(37)

Или

(38)

Таким образом, внешнее электрическое поле уменьшает работу выхода электрона из катода.

В рассмотренном распределении потенциала для электрона, эмитированного катодом, мы не учли один весьма важный факт. Поскольку максимум потенциальной кривой (см. b на рис. 10) находится вне катода, часть электронов, которые имеют скорости, достаточные для вылета из катода, но недостаточные для преодоления потенциального барьера, создадут электронное облако вблизи катода. Отрицательный объемный заряд этого облака повышает потенциальный барьер.

Рассмотрим вольтамперную характеристику вакуумного диода (рис. 11). На ней можно выделить три основных участка. Во-первых, вольтамперная характеристика начинается в области отрицательных анодных напряжений (участок аb на рис. 11). Существование тока в этой области объясняется тем, что часть эмитированных электронов имеет кинетическую энергию, достаточную для преодоления не только потенциального барьера и потенциала объемного отрицательного заряда (электронного облака), но и для тормозящего потенциала анода. Правда, таких электронов немного, и если бы рисунок был выполнен в одном масштабе, то отрицательный участок был бы близок к оси абсцисс. Следующий участок bс — область резкого возрастания анодного тока вследствие быстрого «рассасывания» электронного облака, окружающего эмиттер, положительным потенциалом анода. Точное математическое выражение зависимости анодного тока от анодного напряжения на всей вольт-амперной характеристике найти не удается. Но если принять некоторые вполне реальные допущения, то наиболее важный для технического применения участок характеристики — bс — можно достаточно точно описать формулой

(39)

Этот закон называется законом Богуславского—Лэнгмюра, или законом трех вторых. Допущения, сделанные при его выводе, следующие: 1) начальными скоростями эмитированных электронов можно пренебречь и считать их равными нулю; 2) анодный ток далек от насыщения; 3) пространственный заряд создает такое распределение потенциала, что непосредственно на поверхности катода напряженность поля равна нулю.

По мере приближения напряжения к точке UH (см. рис. 11) объемный отрицательный заряд вокруг катода уменьшается, и при дальнейшем увеличении Ua все эмитированные электроны попадают на анод. Рост анодного тока при этом должен был бы прекратиться, т. е. вольт-амперная характеристика должна соответствовать участку cf (см. рис. 11). Однако на самом деле кривая соответствует участку cd, т. е. анодный ток возрастает, хотя и более медленно. Причину этого мы уже рассматривали выше: в отсутствие объемного заряда повышение анодного напряжения приводит к снижению эффективной работы выхода электронов из катода [см. рис. 11 и формулу (38)]. Этот эффект впервые рассмотрен немецким ученым Шоттки и получил его имя.

Википедия — свободная энциклопедия

Избранная статья

Американская экспедиция на К2 1953 года (англ. 1953 American Karakoram expedition) — американская экспедиция на вершину Чогори под руководством доктора Чарльза Хьюстона, состоявшаяся летом 1953 года и ставившая своей целью первое восхождение на второй по высоте восьмитысячник планеты. Это была пятая по счёту попытка восхождения на К2 и третья со стороны американских альпинистов.

Экспедиция вылетела из Нью-Йорка в Карачи 25 мая 1953 года и после почти месячного перехода к Базовому лагерю у подножия К2 начала свою работу на горе. За чуть менее чем полтора месяца осады ребра Абруццкого (Абруцци) были организованы восемь промежуточных лагерей. В последнем из них (на высоте 7770 м) 2 августа собрались все участники экспедиции, готовясь к финальному рывку. Однако в ночь на 3 августа на гору обрушился шторм, который не утихал последующие две недели. На пятые сутки пережидания непогоды неожиданно тяжело заболел один из сильнейших участников экспедиции Арт Гилки, которому требовалась немедленная эвакуация вниз, но альпинисты смогли её начать лишь 10 августа. Вечером того же дня Арт Гилки погиб в результате схода снежной лавины, но, даже не имея «на руках» больного, все альпинисты смогли спуститься в Базовый лагерь только 15 августа, претерпев все возможные испытания.

Хотя экспедиция не достигла своей главной цели, в альпинистских кругах на десятилетия вперёд она стала эталоном альпинистской взаимовыручки и, по словам Райнхольда Месснера, «самой потрясающей неудачей, которую только можно себе представить».

Хорошая статья

Солове́цкий ка́мень в Санкт-Петербурге — памятник жертвам политических репрессий в СССР и борцам за свободу. Он находится на Петроградской стороне в историческом центре города, на его старейшей площади — Троицкой. Этот сквер расположен рядом с местами, непосредственно связанными с политическими репрессиями в СССР — Домом политкаторжан, тюрьмой и некрополем Петропавловской крепости, Большим домом.

Памятник представляет собой гранитную глыбу, привезённую с территории бывшего Соловецкого лагеря, считающегося символом ГУЛАГа и советского государственного террора в целом. Он был установлен по инициативе и силами бывших политических заключённых и Санкт-Петербургской организации «Мемориал». Авторами памятника выступили художники Юлий Рыбаков и Евгений Ухналёв, которые в советское время сами пережили политическое заключение. Мемориал призван увековечить память не только о жертвах репрессивной системы и о борцах с ней, но в широком смысле он символизирует ценность свободы, прав человека и человеческого достоинства. Соловецкий камень является центральным местом мероприятий, посвящённых памяти жертв государственного террора в СССР, а также других правозащитных акций.

Изображение дня

«Дрозд-отшельник» — один из геоглифов Наски

Вакуумный 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 закона степени трёх вторых. Зависимость анодного тока от напряжения описывается законом степени трёх вторых:

j=g⋅Ua3/2,{\displaystyle j=g\cdot U_{a}^{3/2},}

где g — постоянная, зависящая от конфигурации и размеров электродов (первеанс). В простейшей модели первеанс не зависит от состава и температуры катода, в действительности растёт с ростом температуры из-за неравномерного нагрева катода.

3. Участок насыщения. При дальнейшем увеличении напряжения на аноде рост тока замедляется, а затем полностью прекращается, так как все электроны, вылетающие из катода, достигают анода. Дальнейшее увеличение анодного тока при данной величине накала невозможно, поскольку для этого нужны дополнительные электроны, а их взять негде, так как вся эмиссия катода исчерпана. Установившейся анодный ток называется током насыщения. Этот участок описывается законом Ричардсона-Дешмана:

j=AT2exp⁡(−eφkT),{\displaystyle j=AT^{2}\exp \left(-{e\varphi \over kT}\right),}

где A=4πmek2h4=120Acm2K2{\displaystyle A={4\pi mek^{2} \over h^{3}}=120{{\text{A}} \over {{\text{cm}}^{2}{\text{K}}^{2}}}} — универсальная термоэлектронная постоянная Зоммерфельда.

ВАХ анода зависит от напряжения накала — чем больше накал, тем больше крутизна ВАХ и тем больше ток насыщения. Чрезмерное увеличение напряжения накала приводит к уменьшению срока службы лампы.

Основные параметры

К основным параметрам электровакуумного диода относятся:

  • Крутизна ВАХ: S=dIadUa{\displaystyle S={dI_{a} \over dU_{a}}} — изменение анодного тока в мА на 1 В изменения напряжения.
  • Дифференциальное сопротивление: Ri=1S{\displaystyle R_{i}={1 \over S}}
  • Ток насыщения.
  • Запирающее напряжение — отрицательное напряжение на аноде относительно катода, необходимое для прекращения тока в диоде.
  • Максимально допустимое обратное напряжение. При некотором напряжении, приложенном , происходит пробой диода — проскакивает искра между катодом и анодом, что сопровождается резким возрастанием силы тока.
  • Максимально допустимая рассеиваемая мощность.

Крутизна и внутреннее сопротивление являются функциями от анодного напряжения и температуры катода.

Если температура катода постоянна, то в пределах участка «трех вторых» крутизна равна первой производной от функции «трех-вторых».

Маркировка приборов

Электровакуумные диоды маркируются по такому принципу, как и остальные лампы:

  1. Первое число обозначает напряжение накала, округлённое до целого.
  2. Второй символ обозначает тип электровакуумного прибора. Для диодов:
    • Д — одинарный диод.
    • Ц — кенотрон (выпрямительный диод)
    • X — двойной диод, то есть содержащий два диода в одном корпусе с общим накалом.
      • МХ — механотрон-двойной диод
      • МУХ — механотрон-двойной диод для измерения углов
  3. Следующее число — это порядковый номер разработки прибора.
  4. И последний символ — конструктивное выполнение прибора:
    • С — стеклянный баллон диаметром более 24 мм без цоколя либо с октальным (восьмиштырьковым) пластмассовым цоколем с ключом.
    • П — пальчиковые лампы (стеклянный баллон диаметром 19 или 22,5 мм с жёсткими штыревыми выводами без цоколя).
    • Б — миниатюрная серия с гибкими выводами и с диаметром корпуса менее 10 мм.
    • А — миниатюрная серия с гибкими выводами и с диаметром корпуса менее 6 мм.
    • К — серия ламп в керамическом корпусе.

Если четвертый элемент отсутствует, то это говорит о присутствии металлического корпуса!

Сравнение с полупроводниковыми диодами

По сравнению с полупроводниковыми диодами в электровакуумных диодах отсутствует обратный ток, и они выдерживают более высокие напряжения. Стойки к ионизирующим излучениям. Однако они обладают гораздо большими размерами и меньшим КПД.

Примечания

  1. Батушев, В. А. Электронные приборы. — М.: Высшая школа, 1969. — С. 52. — 608 с. — 90,000 экз.

Литература

  1. Клейнер Э. Ю. Основы теории электронных ламп. — М., 1974.
  2. Электронные приборы: Учебник для вузов/В. Н. Дулин, Н. А. Аваев, В. П. Демин и др.; Под ред. Г. Г. Шишкина. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 496 с.
  3. Физический энциклопедический словарь. Том 5, М. 1966, «Советская энциклопедия»

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о