Лекция
Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про электровакуумный диод, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое электровакуумный диод, принцип работы электровакуумного диода , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Радиолампы и ионные приборы.
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.
Обозначение на схемах диода с катодом непрямого накала.
Изображения на электрических схемах двухэлектродных электронных ламп приведены на рисунке 5, где а – диод прямого накала, б – диод косвенного накала, в – двуханодный диод косвенного накала г – упрощенное изображение без подогревателя. В зависимости от назначения и области применения различают следующие типы вакуумных диодов: диоды для выпрямления переменного напряжения с целью использования в системах электропитания (кенотроны) и высокочастотные выпрямительные диоды
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 ребра или «крылышки» для отвода тепла. Выводы катода, анода и подогревателя (в лампах косвенного накала) соединены с внешними выводами (ножками лампы).
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.
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.
При разогреве катода электроны начнут покидать его поверхность за счет 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 течет 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).
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 объемного 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 трех вторых. Зависимость анодного тока от напряжения описывается законом степени трех вторых:
где g — постоянная, зависящая от конфигурации и размеров электродов (первеанс). В простейшей модели первеанс не зависит от состава и температуры катода, в действительности растет 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:
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.
К основным параметрам электровакуумного диода относятся:
— изменение анодного тока в мА на 1 В изменения напряжения.
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».
.Также Основные параметры вакуумных диодов: напряжение накала номинальное, наибольшее и наименьшее допустимые; ток накала; максимально допустимое обратное напряжение (плюсом на катоде, минусом на аноде); максимально допустимый выпрямленный или импульсный ток; падение напряжения в прямом направлении при определенном токе; максимально допустимая температура баллона лампы. Для высокочастотных диодов важнейший параметр – горячая (то есть, при наличии накала) емкость анод – катод. Для диодов косвенного накала имеет значение максимально допустимое напряжение катод – подогреватель, а также сопротивление между этими электродами у горячей лампы.
Электровакуумные диоды маркируются по такому принципу, как и остальные лампы:
Если четвертый элемент отсутствует, то это говорит о присутствии металлического корпуса!
По сравнению с полупроводниковыми диодами в электровакуумных диодах отсутствует обратный ток, и они выдерживают более высокие напряжения. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Стойки к ионизирующим излучениям. Однако они обладают гораздо большими размерами и меньшим КПД.
Рассмотрим более подробно процессы в анодной цепи диода (применительно к схемам нарис.8-2,б или 8-4). Предположим первоначально, что анодное напряжение отсутствует, т.е. анод присоединен накоротко к катоду. Электроны, эмиттируемые катодом, остаются в пространстве вокруг катода, так как их дальнейшему движению в вакууме препятствует отталкивающее действие ранее вылетевших электронов. Так вокруг катода образуется "облачко" электронов; совокупность зарядов этих электронов носит название объемного (илипространственного) заряда.
Плотность пространственного заряда, т.е. среднее число электронов в единице объема, возрастает с увеличением температуры катода. При заданной же (скажем, нормальной) температуре плотность пространственного заряда сохраняется, так как электронное облачко тормозит движение вновь эмиттируемых электронов, возвращая их к катоду. Отдельные электроны, вышедшие из катода с большой начальной скоростью, могут долететь до анода и навести в его цепи некоторый начальный ток (т.е. ток при отсутствии анодного напряжения); однако этот ток для практического использования недостаточен.
Когда в анодную цепь включена батарея (или иной источник постоянного напряжения), создающая на аноде положительный потенциал по отношению к катоду, то возникает электрическое поле; часть силовых линий этого поля можно представить заканчивающейся на электронах пространственного заряда, и эти электроны приобретают ускоренное движение к аноду (рис. 8-5). Возникает анодный ток; по мере увеличения анодного напряжения ток возрастает, а плотность пространственного заряда уменьшается. При достаточно большом напряжении на аноде тормозящее поле исчезает и все электроны, вылетая с поверхности катода, сразу попадают в ускоряющее поле, под действием которого они все достигают анода. Дальнейшее повышение напряжения на аноде не вызывает увеличения тока. Наступает режим насыщения. В этом режиме анодный ток Ia равен полному току эмиссии Ie.
Рис. 8.5 Пространственный заряд под воздействием поля анода.
Если температуру катода повысить (в допустимых, конечно, пределах), то благодаря увеличению энергии движения электронов в металле возрастает и плотность пространственного заряда вокруг катода. В этом случае режим насыщения будет достигнут при большем значении анодного напряжения и ток насыщения Ie повысится. Теоретическая зависимость анодного тока Ia от напряжения на аноде Ua (при двух значениях напряжения накала Uн1 и Uн2) дана на рис. 8.6
Рис. 8.6 Идеализированные представления зависимости анодного тока от напряжения на аноде (для двух значений напряжения накала).
Можно снять зависимость анодного тока от напряжения на аноде экспериментально, изменяя напряжение скачками при помощи делителя (потенциометра) и каждый раз отсчитывая величину тока. Такая зависимость, представленная графически, называется характеристикой диода. Форма практически снятых характеристик, в общем следуя теоретически предусмотренному ходу, имеет некоторые особенности преимущественно в верхней части (рис. 8.7): характеристики не имеют резкого перехода к токам насыщения, а в области насыщения все же наблюдается подъем характеристик. Это объясняется, во-первых, исчезновением пространственного заряда, вследствие чего силовые линии электрического поля анода заканчиваются в области насыщения непосредственно на катоде и, содействуя выходу электронов, несколько увеличивают эмиссию. Это - основная причина плавного сгиба характеристик диода с вольфрамовым катодом, для которого еще можно приблизительно назвать величину тока насыщения. Вторая же причина увеличения тока эмиссии с ростом анодного напряжения особенно характерна для ламп с оксидными катодами: оксидный слой дополнительно нагревается проходящим сквозь него анодным током и дает эмиссию не только с поверхности, но и из углублений покрытия. В этих лампах ток насыщения вообще нельзя обнаружить, и рост анодного тока приходится ограничивать значением, безопасным для катода, но находящимся на подъеме характеристики.
Рис. 8-7.Характеристики диода, снятые практически
Электрическая цепь, в состав которой включен диод, не подчиняется закону Ома: во-первых, при изменении знака анодного напряжения на обратный ток в цепи прекращается; во-вторых, даже и в области положительных напряжений ток изменяется непропорционально напряжению (рис.8-7). Приборы, нарушающие пропорциональность (прямолинейную зависимость) между напряжением и током, называются нелинейными. Значит, диод также должен быть отнесен к числу нелинейных приборов.
Для обычного проводника в цепи постоянного тока единственной величиной, характеризующей соотношения токов в этом проводнике и приложенных к нему напряжений, является сопротивление (или обратная ему величина - проводимость). Сопротивление может быть названо параметром линейной цепи. Можно ввести представление о параметрах и для нелинейного проводника, в частности для диода. Таким параметром является внутреннее сопротивление диода. Можно измерить вольтметром напряжение между анодом и катодом, а амперметром - ток через промежуток анод-катод. Отношение напряжения к току будет внутренним сопротивлением диода для постоянного тока. Но рассматривая любую из приводившихся выше характеристик диода, можно убедиться, что это сопротивление не является величиной постоянной, что и свойственно нелинейному прибору. Действительно, при отрицательных напряжениях на аноде ток равен нулю. Значит, в этой области сопротивление равно бесконечности (а проводимость равна нулю). При положительных же анодных напряжениях сопротивление постоянному току будет для разных точек характеристики различным вследствие ее криволинейности.
Рис. 8-8.Понятие о внутреннем сопротивлении диода:
а -построение характеристического треугольника;
б - зависимость между переменным напряжением и переменным током
На рис. 8-8, а для точки A характеристики сопротивление постоянному току
Возможны и такие случаи, когда, кроме постоянного напряжения Ea , на анод диода действует и переменное напряжение с амплитудой 
Ua. На рис. 8-8, б изменяющееся напряжение развернуто по оси времени t вниз. При этом в анодной цепи проходит пульсирующий ток, который содержит и постоянную Ia0 , и переменную Ia составляющие. Изменяющийся ток развернут на рис. 8-8, б по оси времени t вправо. Чтобы найти соотношение между амплитудами анодного напряжения Ua и анодного тока Ia, нужно знать сопротивление диода переменному току на участке развертки напряжения
:
(8-2)
Внутреннее сопротивление диода для переменного тока (или, как называют иначе,дифференциальное внутреннее сопротивление) - это отношение прироста анодного напряжения к соответствующему приросту анодного тока. Значок в формуле (8-2) заменяет слово "прирост".
Способ построения временной диаграммы анодного тока, показанный на рис. 8-8, б, называется построением тока при помощи развертки анодного напряжения на характеристике диода. Из-за криволинейности характеристики кривая, изображающая во времени величины тока, может оказаться искаженной по сравнению с кривой, изображающей величины напряжения. Такой вид искажения называется нелинейным.
На разных участках характеристики внутреннее сопротивление различно, и можно строго говорить лишь о среднем значении внутреннего сопротивления для того или иного участка конечной длины. Однако основная часть реальной характеристики диода практически прямолинейна. На этой части характеристики дифференциальное внутреннее сопротивление приблизительно постоянно. Именно эту величину обычно и называют в качестве параметра диода.
Для определения внутреннего сопротивления нет необходимости, конечно, строить развертку (подобную рис. 8-8, б). Можно воспользоваться построением, показанным на рис. 8-8, а. На характеристике выделяется участок, ограниченный напряжениями Ua1 и Ua1 + Ua , которым соответствуют токи Ia1 и Ia1 + Ia . Выбранный участок характеристики и отрезки, выражающие приросты напряжения и тока, образуют треугольник, катеты которого равны соответственно
Ua и Ia . Измерив их длину и учитывая масштабы осей координат, найдем приближенное значение внутреннего сопротивления для середины выделенного участка характеристики:
Так, например, если для Ua = 8 В получается Ia = 32 мА = 32·10 -3 А, то 
Сопротивление переменному току на прямолинейном участке характеристики диода меньше, чем сопротивление постоянному току, что легко показать на примере (рис. 8-8).
Зависимость между приростами напряжения и тока можно оценивать и другим параметром, который называется крутизной характеристики диода и соответствует внутренней проводимости диода для переменного тока. Крутизна - это величина, обратная внутреннему сопротивлению:
(8-3)
Если внутреннее сопротивление исчисляется в омах, т.е. в вольтах на ампер, то крутизна должна была бы исчисляться в "обратных омах", т.е. в амперах на вольт. Однако ради практических удобств крутизну принято исчислять в миллиамперах на вольт (мА/В).
Крутизна характеристики - это отношение прироста анодного тока к вызвавшему его приросту напряжения на аноде; численно она показывает, на сколько миллиампер увеличится анодный ток, если напряжение на аноде увеличить на 1 В. Так, если Ri = 250 Ом, то крутизна
Следовательно, крутизна не является независимым параметром диода: если задано внутреннее сопротивление, то тем самым задана и крутизна. Ее можно определить и из характеристического треугольника (рис. 8-8, а). Так же, как и внутреннее сопротивление, крутизна непостоянна для разных участков характеристики. В области отрицательных анодных напряжений она равна нулю. За параметр лампы принимают значение крутизны, соответствующее ее прямолинейному крутому участку, в пределах которого крутизна имеет наибольшее и почти постоянное значение.
При технических расчетах иногда бывает допустимым изображать приближенно характеристику диода в виде прямой линии, исходящей из начала координат в положительную область анодных напряжений. Для такой идеализированной характеристики существует единственное значение параметра Ri (или S); в области же отрицательных напряжений внутреннее сопротивление равно бесконечности (крутизна равна нулю). Следовательно, диод, имеющий такую характеристику, все же остается нелинейным, обладающим односторонней проводимостью.
При разработке аппаратуры ультракоротких волн наряду с внутренним сопротивлением диода приходится интересоваться его "паразитным" параметром - емкостью между анодом и катодом Ca.к.. Эта емкость неизбежна как результат взаимного геометрического расположения этих двух электродов вместе с их выводами. Но вместе с тем эта емкость нежелательна, так как ее проводимость 
Ca.к. на сверхвысоких частотах может заметно шунтировать диод, уменьшая его выпрямительный эффект. В диодах, предназначаемых для ультракоротких (хотя бы метровых) волн, емкость Ca.к. исчисляется немногими единицами пикофарад. Для кенотронов (диоды, предназначенные для выпрямителей) этот параметр несуществен.
Следующим параметром диода, важным при определении желательного режима его работы, оказывается допустимая мощность рассеяния на аноде Pа.макс.. Мы знаем, что каждый электрон при ударе об анод отдает на его нагревание энергию, равную произведению заряда eна напряжение Uа . Если за секунду достигают анода N электронов, то общая энергия, отдаваемая ими, как раз равна мощности, расходуемой на нагрев анода,
где N·e = Ia (заряд, проходящий через сечение цепи за секунду).
Мощность Pa можно увеличивать лишь до того предела, пока нагрев анода не окажется опасным для лампы (анод плавится, выделяет газы и даже дает дополнительный нагрев катода). Эта максимально допустимая мощность и указывается в качестве параметра диодов, применяемых в выпрямителях. Их режим должен удовлетворять условию Pa < Pa.макс. В маломощных диодах радиоприемных устройств нагрев анода учитывать не требуется, так как он всегда ниже допустимого.
Для увеличения допустимой мощности при изготовлении ламп принимают конструктивные меры к охлаждению анодов: выполняют их из черненого никеля, дающего хорошее теплоизлучение, с ребрами, увеличивающими площадь охлаждения. В лампах большой мощности применяется искусственное воздушное или жидкостное охлаждение.
Для высоковольтных электровакуумных приборов дополнительным эксплуатационным параметром является наибольшее допустимое обратное напряжение Uобр.макс. Дело в том, что если диод в процессе работы нагрелся до высокой температуры, то с поверхности анода может возникнуть термоэлектронная эмиссия, способная дать ток в обратном направлении при больших отрицательных напряжениях на аноде. Это приводит к пробою диода между анодом и катодом, чего допускать нельзя.
Важнейший эксплуатационный показатель радиолампы - ее долговечность зависит, очевидно, не только от сохранности свойств катода. Если какой-либо из перечисленных нами параметров в процессе эксплуатации (или хранения) лампы оказался хуже допустимого значения, то лампу приходится браковать. Поэтому долговечностью (или сроком службы) электронного прибора считают время работы, по истечении которого один из основных параметров выходит за пределы установленных значений или же прибор становится непригодным к нормальной эксплуатации по другим причинам.
Рис. 8-9.Однополупериодный выпрямитель с кенотроном:
а - схема; б - принцип работы.
Для иллюстрации применения диода (кенотрона) рассмотрим схему простейшего выпрямителя, который используется для питания постоянным (выпрямленным) током нагрузочного (потребляющего) сопротивления (рис. 8-9, а). Источником питания служит сеть переменного тока, в которую включен трансформатор Тр своей первичной обмоткой. Одна из двух его вторичных обмоток питает накал кенотрона, а другая создает переменное напряжение в анодной цепи. Ток через кенотрон протекает только при положительном анодном напряжении. Направление этого тока - от анода к катоду внутри кенотрона и далее через сопротивление R. Следовательно, через сопротивление R, как и через кенотрон, должны были бы проходить импульсы тока и создавать на этом сопротивлении пульсирующее, а не постоянное напряжение.
Чтобы через нагрузочное сопротивление протекал лишь постоянный ток, параллельно этому сопротивлению включают конденсатор C в роли простейшего фильтра. Идеализируя работу фильтра, мы можем сказать, что между анодом и катодом кенотрона действует не только переменное напряжение вторичной обмотки трансформатора, но и постоянное напряжение, падающее на сопротивлении R и обращенное на анод своим отрицательным знаком. Такая идеализированная картина работы выпрямителя развернута на рис. 8-9, б.
Характерно то, что импульс тока через кенотрон длится меньше полупериода: ток может проходить только в те промежутки времени, пока положительное напряжение от трансформатора больше по абсолютной величине, чем постоянное напряжение U0, падающее на нагрузке (сопротивлении R). В течение отрицательного полупериода напряжение от трансформатора суммируется с напряжением на нагрузке. Чтобы кенотрон не был пробит, сумма U0 + Um не должна превышать допустимой для него величины обратного напряжения. Полезное (выпрямленное) напряжение равно произведению постоянной составляющей тока на нагрузочное сопротивление. Такой выпрямитель, импульсы через который появляются лишь за одну половину периода питающего напряжения, называют однополупериодным.
Рис. 8-10.Двухполупериодный выпрямитель:
а - схема; б - принцип работы.
Более совершенна двухполупериодная (двухтактная) схема выпрямителя, требующая двух кенотронов или одного двойного кенотрона (рис. 8-10, а). Здесь оба диода работают поочередно на общее нагрузочное сопротивление R. Вывод к нагрузочному сопротивлению взят от средней точки повышающей вторичной обмотки трансформатора. На рис. 8-10,б представлены диаграммы напряжения и токов в анодных цепях и сопротивлении R. Аноды кенотрона питаются от двух разных половин повышающей обмотки трансформатора; когда напряжение положительно для первого анода, оно отрицательно для второго, и наоборот. Импульсы тока следуют через диод в течение каждого полупериода, причем в сопротивлении Rэти импульсы направлены всегда в одну сторону - от катода к анодам.
Преимущество двухполупериодной схемы состоит в том, что импульсы тока в ней следуют один за другим в два раза чаще, чем в однополупериодной. Это облегчает задачу фильтрации. Для более совершенной фильтрации на схеме изображено П-образное звено фильтра нижних частот.
Кенотронная приставка представляет собой маслонаполненный цилиндр, внутри которого размещены трансформатор и кенотрон. Сверху приставки установлен трехпредельный микроамперметр для измерения токов утечки с переключателем пределов. Микроамперметр отградуирован на 200, 1000 и 5000 мка. Конструкция экранировки микроамперметра обеспечивает исключение токов утечки самого аппарата при измерении токов утечки во время испытания.
выпрямительные установки, выполненные на кенотронных лампах КР-110, КРМ-150 и КР-220 имеют ряд недостатков: излучение вредных для организма человека рентгеновских лучей; малая величина выпрямленного тока (для перечисленных выше ламп соответственна — 5 мА, 10 мА, 30 мА) наличие накальных трансформаторов в установках увеличивает их вес; неудобства транспортировки, в результате которой кенотронные лампы часто выходят из строя.
|
Вакуумные электронные приборы
|
||
|---|---|---|
| Генераторные и усилительные лампы |
Триод ,Тетрод , Лучевой тетрод ,Пентод, Гексод , Гептод , Пентагрид , Октод , Нонод ,Магнетрон,Амплитрон,Платинотрон,Виркатор,Клистрон, Лампа бегущей волны ,Лампа обратной волны,Гиротрон, |
|
| Прочие |
Электровакуумный диод ,Кенотрон,Рентгеновская трубка,Вакуумно-люминесцентный индикатор ,Магический глаз ,Вакуумный фотоэлемент ,Электронно-оптический преобразователь,Фотоумножитель,Вторично-электронный умножитель,Селектрон,Механотрон, |
|
|
Элементы конструкции вакуумных приборов |
Анод , Катод ,Прямого накала,Косвенного накала,Автоэмиссионный, Фотокатод , Динод , Подогреватель ,Сетка ,Управляющая,Антидинатронная,Экранирующая,Катодная,Геттер, Цоколь , |
|
Статью про электровакуумный диод я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развитие теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое электровакуумный диод, принцип работы электровакуумного диода и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Радиолампы и ионные приборы
Комментарии
Оставить комментарий
Радиолампы и ионные приборы
Термины: Радиолампы и ионные приборы