ما هو أنبوب الديود الفراغي؟
ما هو الفاصل الشواغر؟
تعريف الفاصل الشواغر
الفالس الشواغر هو نوع من الأجهزة الإلكترونية يتحكم في تدفق التيار الكهربائي في فراغ عالي بين كهريدتين: الكاثود والأنود. الكاثود هو أسطوانة معدنية مطلية بمادة تطلق الإلكترونات عند تسخينها، بينما الأنود هو أسطوانة معدنية فارغة تجمع الإلكترونات من الكاثود. رمز الفالس الشواغر موضح أدناه.
تم اختراع الفالس الشواغر بواسطة السير جون أمبروز فليمنج عام 1904 وكان يعرف أيضًا باسم صمام فليمنج أو الصمام الحراري. كان أول أنبوب شواغر وسلف لأجهزة أنابيب الشواغر الأخرى مثل الثلاثيود والتتريود والبنترود التي استخدمت على نطاق واسع في الإلكترونيات خلال النصف الأول من القرن العشرين. كانت الفالسات الشواغر ضرورية لتطوير الراديو والتلفزيون والرادار وتسجيل الصوت وإعادة إنتاجه والشبكات الهاتفية على المسافات الطويلة والحاسوب التناظري والمبدئي الرقمي.
مبدأ العمل
يعمل الفالس الشواغر على مبدأ الانبعاث الحراري، حيث تنبعث الإلكترونات من سطح معدني مسخن. عندما يتم تسخين الكاثود، تنطلق الإلكترونات إلى الفراغ. الجهد الموجب على الأنود يجذب هذه الإلكترونات، مما يسمح بتدفق التيار من الكاثود إلى الأنود في اتجاه واحد.
ومع ذلك، إذا لم يكن الجهد الموجب المطبق على الأنود كافيًا بما فيه الكفاية، فإن الأنود لا يمكنه جذب جميع الإلكترونات المنبعثة من الكاثود بسبب الحرارة المرتفعة. نتيجة لذلك، تتراكم بعض الإلكترونات في الفضاء بين الكاثود والأنود، وتشكل سحابة من الشحنة السالبة تسمى الشحنة الفضائية. تعمل الشحنة الفضائية كحاجز يمنع انبعاث المزيد من الإلكترونات من الكاثود ويقلل من تدفق التيار في الدائرة.
إذا تم زيادة الجهد المطبق بين الأنود والكاثود تدريجيًا، يتم جذب المزيد والمزيد من الشحنات الفضائية إلى الأنود وخلق فراغ للإلكترونات المنبعثة. وبالتالي، مع زيادة الجهد عبر الأنود والكاثود، يمكننا زيادة معدل الانبعاث للإلكترونات وبالتالي تدفق التيار في الدائرة.
في نقطة ما، عندما يتم حياد جميع الشحنات الفضائية بواسطة جهد الأنود، لا يوجد أي عائق آخر لإطلاق الإلكترونات من الكاثود. ثم يبدأ شعاع الإلكترونات في التدفق بحرية من الكاثود إلى الأنود عبر الفضاء. نتيجة لذلك، يتدفق التيار من الأنود إلى الكاثود بقيمة قصوى تعتمد فقط على درجة حرارة الكاثود. وهذا يسمى التيار المشبع.
من ناحية أخرى، إذا تم جعل الأنود سالبًا بالنسبة للكاثود، فلا يوجد انبعاث للإلكترونات منه لأنه بارد وليس ساخن. الآن، الإلكترونات المنبعثة من الكاثود المسخن لا تصل إلى الأنود بسبب رفض الشحنة السالبة للأنود. سيتم تراكم شحنة فضائية قوية بين الأنود والكاثود. بسبب هذه الشحنة الفضائية، يتم رفض جميع الإلكترونات المنبعثة الأخرى مرة أخرى إلى الكاثود، ولا يحدث انبعاث. لذلك، لا يتدفق أي تيار في الدائرة. وبالتالي، تسمح الفالسات الشواغر بتدفق التيار في اتجاه واحد فقط: من الكاثود إلى الأنود.
عند عدم تطبيق أي جهد على الأنود، يجب أن يكون هناك تيار صفر. ومع ذلك، بسبب التقلبات الإحصائية في سرعة الإلكترونات، ما زالت بعض الإلكترونات تصل إلى الأنود. هذا التيار الصغير يعرف بالتيار الساطوري.
خصائص V-I
تعطي خصائص V-I للفالس الشواغر العلاقة بين الجهد المطبق عبر الأنود والكاثود (V) والتيار المتدفق عبر الدائرة (I). خصائص V-I للفالس الشواغر موضحة أدناه.
حجم الشحنة الفضائية يعتمد على عدد الإلكترونات المنبعثة من الكاثود، والتي تتأثر بدرجة حرارة الكاثود ودالة العمل. دالة العمل هي الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لإزاحة إلكترون من معدن. المعادن ذات دوال العمل الأقل تحتاج إلى حرارة أقل لإطلاق الإلكترونات، مما يجعلها أكثر كفاءة لهذا الغرض.
تعتبر هذه المنطقة من الخصائص منطقة التشبع، كما هو موضح في الشكل. التيار المشبع مستقل عن جهد الأنود ويعتمد فقط على درجة حرارة الكاثود.
عند عدم تطبيق أي جهد على الأنود، يجب ألا يكون هناك أي تيار في الدائرة، ولكن في الواقع، يوجد تيار صغير بسبب التقلبات الإحصائية في سرعة بعض الإلكترونات. بعض الإلكترونات تكون ذات طاقة كافية لتصل إلى الأنود حتى عندما لا يوجد جهد على الأنود. التيار الصغير الناجم عن هذا الظاهرة يعرف بالتيار الساطوري.
أنواع الفالسات الشواغر
ديود مستقيم
ديود مكتشف
ديود زينر
ديود متغير السعة
ديود شوتكي
تطبيقات الفالسات الشواغر
تطبيقات عالية القوة
تطبيقات عالية التردد
تطبيقات عالية الحرارة
تطبيقات الصوت
الخاتمة
الفالس الشواغر هو نوع من الأجهزة الإلكترونية يتحكم في تدفق التيار الكهربائي في فراغ عالي بين كهريدتين: الكاثود والأنود. الكاثود يطلق الإلكترونات عند تسخينه بواسطة شريط أو مدفأة غير مباشرة، بينما الأنود يجمع الإلكترونات من الكاثود. يعمل الفالس الشواغر على مبدأ الانبعاث الحراري ويسمح بتدفق التيار في اتجاه واحد فقط: من الكاثود إلى الأنود.
تم اختراع الفالسات الشواغر بواسطة السير جون أمبروز فليمنج عام 1904 واستخدمت بشكل واسع في الإلكترونيات خلال النصف الأول من القرن العشرين. كانت ضرورية لتطوير الراديو والتلفزيون والرادار وتسجيل الصوت وإعادة إنتاجه والشبكات الهاتفية على المسافات الطويلة والحاسوب التناظري والمبدئي الرقمي. تم استبدال الفالسات الشواغر بديودات شبه الموصلات في معظم التطبيقات بسبب حجمها الأصغر واستهلاكها للطاقة الأقل وموثوقيتها الأعلى وتكلفةها الأقل. ومع ذلك، لا تزال الفالسات الشواغر تستخدم في بعض المجالات حيث لها مزايا على الأجهزة ذات الحالة الصلبة، مثل التطبيقات عالية القوة والتردد والحرارة والصوت.
يمكن تصنيف الفالسات الشواغر وفقًا لمعايير مختلفة مثل نطاق التردد وتصنيف الطاقة ونوع الكاثود / الشريط وتطبيق المعلمات المتخصصة والأدوار المتخصصة. بعض الأمثلة على أنواع الفالسات الشواغر هي ديودات المستقيم وديودات المكتشف وديودات زينر وديودات متغير السعة وديودات شوتكي.
الفالس الشواغر هو جهاز بسيط ولكنه مهم لعب دورًا كبيرًا في تاريخ وتطور الإلكترونيات. لا يزال ذا أهمية اليوم لبعض التطبيقات التي تتطلب خصائصه وأدائه الفريد. يعتبر الفالس الشواغر شهادة على الذكاء والإبداع للمهندسين والعلماء الإلكترونيين الذين استكشفوا إمكانات وأنابيب الشواغر.
