Електровакуумний діод

Електровакуумний діод - вакуумна двохелектродна електронна лампа. Катод діода нагрівається до температур, при яких виникає термоелектронна емісія. При подачі на анод негативного щодо катода напруги всі емітовані катодом електрони повертаються на катод, при подачі на анод позитивної напруги частина емітованих електронів спрямовується до анода, формуючи його ток. Таким чином, діод випрямляє прикладена до нього напруга. Це властивість діода використовується для випрямлення змінного струму і детектування сигналів високої частоти. Практичний частотний діапазон традиційного вакуумного діода обмежений частотами до 500 МГц. Дискові діоди, інтегровані в хвилеводи, здатні детектувати частоти до 10 ГГц [1].


1. Пристрій

Позначення на схемах діода з катодом непрямого розжарення.

Електровакуумний діод являє собою судину (балон), в якому створено високий вакуум. В балоні розміщені два електроди - катод і анод. Катод прямого напруження являє собою пряму або W-подібну нитка, розігрівається струмом розжарення. Катод непрямого напруження - довгий циліндр або короб, всередині яких покладена електрично ізольована спіраль підігрівача. Як правило, катод вкладений всередину циліндричного або коробчатого анода, який в силових діодах може мати ребра або "крильця" для відведення тепла. Висновки катода, анода і підігрівача (в лампах непрямого напруження) з'єднані з зовнішніми виводами (ніжками лампи).


2. Принцип роботи

При розігріві катода електрони почнуть покидати його поверхню за рахунок термоелектронної емісії. Покинувши поверхню електрони будуть перешкоджати вильоту інших електронів, у результаті навколо катода утворюється свого роду хмара електронів. Частина електронів з найменшими швидкостями із хмари падає назад на катод. При заданій температурі катода хмара стабілізується: на катод падає стільки ж електронів, скільки з нього вилітає.

Вже при нульовій напрузі анода щодо катода (наприклад, при короткому замиканні анода на катод) в лампі тече струм електронів з катода в анод: відносно швидкі електрони долають потенційну яму просторового заряду і притягуються до анода. Відсічення струму настає тільки тоді, коли на анод подано замикаюча негативне напруга порядку -1 У і нижче. При подачі на анод позитивної напруги в діоді виникає прискорююче поле, струм анода зростає. При досягненні струмом анода значень, близьких до межі емісії катода, зростання струму сповільнюється, а потім стабілізується (насичується).


3. ВАХ

Ділянки вольт-амперної характеристики діода

Вольт-амперна характеристика електровакуумного діода має 3 ділянки:

  1. Нелінійний ділянку. На початковій ділянці ВАХ струм повільно зростає при збільшенні напруги на аноді, що пояснюється протидією полю анода об'ємного негативного заряду електронного хмари. У порівнянні з струмом насичення, анодний струм при U_a = 0 дуже малий (і не показаний на схемі). Його залежність від напруги зростає експоненціально, що обумовлюється розкидом початкових швидкостей електронів. Для повного припинення анодного струму необхідно докласти деяке анодна напруга менше нуля, зване замикаючим.
  2. Ділянка закону ступеня трьох других. Залежність анодного струму від напруги описується j = g \ cdot U_a ^ {3 \ over 2} , Де первеанс g - постійна, що залежить від конфігурації та розмірів електродів. У найпростішої моделі первеанс не залежить від складу і температури катода, в дійсності первеанс зростає з ростом температури через нерівномірний його нагрівання.
  3. Ділянка насичення. При подальшому збільшенні напруги на аноді зростання струму сповільнюється, а потім повністю припиняється, так як всі електрони, що вилітають з катода, досягають анода. Подальше збільшення анодного струму при даній величині напруження неможливо, оскільки для цього потрібні додаткові електрони, а їх взяти ніде, так як вся емісія катода вичерпана. Усталеною в цьому режимі анодний струм називається струмом насичення. Ця ділянка описується законом Річардсона-Дешмана: j = AT ^ 2 exp (- {e \ varphi \ over kT}) , Де A = {4 \ pi mek ^ 2 \ over h ^ 3} = 120 {A \ over {cm ^ 2 K ^ 2}} - Універсальна термоелектронна постійна Зоммерфельда.

ВАХ анода залежить від напруги розжарення - чим більше напруження, тим більше крутість ВАХ і тим більше струм насичення. Надмірне збільшення напруги напруження призводить до зменшення терміну служби лампи.


4. Основні параметри

До основних параметрів електровакуумного діода відносяться:

  • Крутизна ВАХ: S = {dI_a \ over dU_a} - Зміна анодного струму в мА на 1 В зміни напруги.
  • Диференціальний опір: R_i = {1 \ over S}
  • Максимально допустимий зворотна напруга. При деякій напрузі, доданому у зворотному напрямку (тобто змінена полярність катода і анода), відбувається пробій діода - проскакує іскра між катодом і анодом, що супроводжується різким зростанням сили струму.
  • Замикаюча напруга - напруга, необхідне для припинення струму в діоді.
  • Максимально допустима розсіює потужність.

Крутизна і внутрішній опір є функціями від анодної напруги і температури катода.

Якщо температура катода постійна, то в межах ділянки "трьох других" крутизна дорівнює першої похідною від функції "трьох-других".


5. Маркування приладів

Електровакуумні діоди маркіруються за таким принципом, як і решта лампи:

  1. Перше число позначає напругу розжарення, округлене до цілого.
  2. Другий символ позначає тип електровакуумного приладу. Для діодів:
    • Д - одинарний діод.
    • Ц - кенотрон (випрямний діод)
    • X - подвійний діод, тобто містить два діоди в одному корпусі із загальним напруженням.
      • МХ - Механотрон -подвійний діод
      • МУХ - механотронні-подвійний діод для вимірювання кутів
  3. Наступне число - це порядковий номер розробки приладу.
  4. І останній символ - конструктивне виконання приладу:
    • З - скляний балон діаметром більше 24 мм без цоколя або з октальним (восьміштирьковим) пластмасовим цоколем з ключем.
    • П - пальчикові лампи (скляний балон діаметром 19 або 22,5 мм з жорсткими штирьовими висновками без цоколя).
    • Б - мініатюрна серія з гнучкими висновками і з діаметром корпусу менше 10 мм.
    • А - мініатюрна серія з гнучкими висновками і з діаметром корпусу менше 6 мм.
    • К - серія ламп в керамічному корпусі.

Якщо четвертий елемент відсутній, то це говорить про присутність металевого корпусу!


6. Порівняння з напівпровідниковими діодами

У порівнянні з напівпровідниковими діодами в електровакуумних діодах відсутня зворотний струм, і вони витримують більш високі напруги. Здатні короткочасно витримувати великі перевантаження (напівпровідникові "вигорають" відразу ). Стійки до іонізуючих випромінювань. Однак вони володіють набагато більшими розмірами і меншим ККД.


Примітки

  1. Батушев, В. А. Електронні прилади. - М .: Вища школа, 1969. - С. 52. - 608 с. - 90,000 прим.

Література

  1. Клейнер Е. Ю. Основи теорії електронних ламп. - М., 1974.
  2. Електронні прилади: Підручник для вузів / В. Н. Дулін, Н. А. Аваев, В. П. Дьомін та ін; Під ред. Г. Г. Шишкіна. - М.: Вища школа, 1989. - 496 с.
  3. Фізичний енциклопедичний словник. Том 5, М. 1966, "Радянська енциклопедія"


Пасивні твердотільні Резистор Змінний резистор Підлаштування резистор Варистор Конденсатор Змінний конденсатор Конденсатори підлаштування Котушка індуктивності Кварцовий резонатор Запобіжник Самовідновлюється запобіжник Трансформатор Мемристор
Активні твердотільні Діод Світлодіод Фотодіод Напівпровідниковий лазер Діод Шотткі Стабілітрон Стабистор Варикап Варікондамі Діодний міст Лавинно-пролітний діод Тунельний діод Діод Ганна
Транзистор Біполярний транзистор Польовий транзистор КМОП-транзистор Одноперехідного транзистора Фототранзистор Складовою транзистор Балістичний транзистор
Інтегральна схема Цифрова інтегральна схема Аналогова інтегральна схема
Тиристор Сімістор Динистор
Пасивні вакуумні Бареттера
Активні вакуумні та газорозрядні Електронна лампа Електровакуумний діод Тріод Тетрод Пентод Гексод Гептод Пентагрид Октод Нонод Механотрон Клістрон Магнетрон Амплітрон Платінотрон Електронно-променева трубка Лампа біжучої хвилі
Пристрої відображення Електронно-променева трубка РК-дисплей Світлодіод Газорозрядний індикатор Вакуумно-люмінесцентний індикатор Прапорцевий індикатор Семисегментний індикатор
Акустичні пристрої і датчики Мікрофон Гучномовець Тензорезистор
Термоелектричні пристрої Термістор Термопара Елемент Пельтьє