Электронно-вакуумный диод

Простейший электронно-вакуумный прибор, состоящий из двух электродов, называется диодом. Электронно-вакуумный диод, представляет собой металлический или стеклянный баллон, внутри которого размещены два электрода: катод (эмиттер электронов) и анод. Эмиссия электронов с катода может быть термоэлектронной (горячий катод) и полевой (холодный катод). В холодных катодах используется эффект стекания заряда с острия. В баллоне должен быть глубокий вакуум, который достигается откачкой воздуха и последующей герметизацией. Поскольку полную герметизацию достичь не возможно (в месте выводов электродов будет натекание воздуха), то для поддержания вакуума на поверхность баллона напыляют металл-геттер (поглотитель). Рассмотрим работу диода с горячим катодом (рис. 13).

–U_Н +U_Н I_A

U_А

Рис. 13. Схема включения диода

Катоды изготовляются косвенного и прямого подогрева. Катоды косвенного подогрева представляют собой изолированную вакуумом от катода-эмиттера нить накала. Тепло передается металлу катода посредством теплового излучения. Катод прямого накала представляет из себя нить накала, выполненную из тугоплавкого металла и покрытую веществом с малой работой выхода электронов, с которого происходит эмиссия электронов. На накальную нить катода подается напряжение накала U_Н. Анод сделан в виде пластины металла.

Если между катодом и анодом отсутствует разница потенциалов, то часть электронов, испущенных с поверхности катода, долетают до анода и в лампе протекает слабый электрический ток. При подаче ускоряющего напряжения между катодом и анодом (на анод «плюс», на катод «минус») электроны от катода устремляются к аноду, при этом в лампе протекает так называемый прямой ток. При определенном значении ускоряющего напряжения прямой ток достигает насыщения. В этом случае катод со своей поверхности не может больше отдавать электронов и сила тока в лампе достигает максимального значения. Сила анодного тока насыщения в лампах не значительна и ограничена количеством электронов, эмитированных с поверхности катода.

При перемене полярности напряжения между катодом и анодом (на катод «плюс», на анод «минус») сила тока в лампе уменьшается, за счет работы электрического поля против скорости электронов к аноду. При некотором напряжении (запирающем напряжении) ток в лампе прекращается. Значение запирающего напряжения равно в данном случае потенциалу ионизации металла катода или работе выхода электрона из металла в эВ. Зависимость силы тока в лампе, от напряжения между электродами (вольт-амперная характеристика) приведена на рис. 14.

I_А

I_Н

U_З U_А

Рис. 14. Вольт-амперная характеристика лампового диода

Теоретически показано, что при анодном токе (I_А) меньшем тока насыщения (I_Н), когда существенное влияние на термоэлектронный ток оказывает отрицательный пространственный заряд, зависимость анодного тока от положительного анодного напряжения подчиняется закону трех вторых:

где С – константа, зависящая от формы, размеров, взаимного расположения электродов, и не зависящая от температуры катода и его материала.

Ламповый диод проводит ток преимущественно в одном направлении при подаче на анод положительного потенциала. Поэтому ламповый диод используется в радиотехнике как односторонний вентиль (выпрямитель). Схема простейшего лампового выпрямителя и диаграммы его работы приведены на рис. 15. Кроме выпрямления переменного тока в постоянный диоды применяются в некоторых логических схемах, детекторах амплитудно-модулированных радиосигналов и в схемах аналоговой математики.

Ламповые диоды по применению в электронной технике и по конструкционным особенностям делятся на: выпрямительные низковольтные (рабочее напряжение до 1000 В); детекторные; и выпрямительные высоковольтные (кенотроны).

U_ВХ U_ВЫХ

U_ВХ

U_ВЫХ

Рис.15. Схема однопериодного лампового выпрямителя

и диаграммы его работы

Если пространство между электродами заполнить разряженным газом, желательно инертным, чтобы не было коррозии материала электродов, то получим принципиально новое электронно-вакуумное устройство – газоразрядный диод (дитрон). Такой прибор начинает проводить ток, только с определенного значения напряжения между катодом и анодом, при котором начинается ионизированный (ударной ионизацией электронов с катода) пробой газообразного диэлектрика. Газоразрядные электронные лампы используются в схемах генераторов, дискриминирующих выпрямителях (напряжение выпрямляется с определенного значения) и т.д.