Какво е вакуумна диода?

Какво е вакуумна диода?

Дефиниция на вакуумна диода

Вакуумната диода е вид електронно устройство, което контролира потока на електрическия ток във висок вакуум между два електрода: катод и анод. Катодът е метален цилиндър, покрит с материал, който излъчва електрони при нагряване, докато анодът е празен метален цилиндър, който събира електроните от катода. Символът на вакуумната диода е показан по-долу.

Вакуумната диода беше изобретена от сър Джон Амброуз Флеминг през 1904 г. и беше известна още като флемингова клапа или термоелектронна клапа. Тя беше първата вакуумна тръба и предшественик на други устройства с вакуумни тръби, като триоди, тетроди и пентоди, които бяха широко използвани в електрониката през първата половина на 20 век. Вакуумните диоди бяха есенциални за развитието на радиото, телевизията, радара, звукозаписа и възпроизвеждането, дългите телефонни мрежи, аналоговите и ранните цифрови компютри.

Принцип на действие

Вакуумната диода работи по принципа на термоелектронната емисия, при която електроните се излъчват от нагрета метална повърхност. Когато катодът се нагреje, електроните избягват във вакуума. Положително напрежение върху анода привлича тези електрони, позволявайки ток да протича от катода към анода в една посока.

Ако положителното напрежение, приложено към анода, не е достатъчно, анодът не може да привлече всички излъчени електрони от катода поради горещия жица. В резултат, някои електрони се натрупват в пространството между катода и анода, формирайки облак от отрицателен заряд, наречен пространствен заряд. Пространственият заряд действа като бариера, която спира допълнителната емисия на електрони от катода и намалява потока на тока в контура.

Ако напрежението, приложено между анода и катода, се увеличава постепенно, все повече пространствени зарядни електрони се привличат към анода и създават празно пространство за допълнително излъчени електрони. Така, с увеличаването на напрежението между анода и катода, можем да увеличим скоростта на емисията на електрони и следователно потока на тока в контура.

В някакъв момент, когато всички пространствени заряди са нейтрализирани от напрежението на анода, няма повече препятствия за емисията на електрони от катода. Тогава лъч от електрони започва да протича свободно от катода към анода през пространството. В резултат, токът протича от анода към катода с максимална стойност, която зависи само от температурата на катода. Това се нарича насищане на тока.

От друга страна, ако анодът се направи отрицателен спрямо катода, няма емисия на електрони от него, тъй като е студен, а не горещ. Емитираният електрони от нагретия катод не достигат до анода поради отблъскването от отрицателния анод. Силен пространствен заряд ще се натрупа между анода и катода. Благодарение на този пространствен заряд, всички допълнително емитирани електрони се отблъскват обратно към катода, и следователно няма емисия. Следователно, няма ток в контура. Така, вакуумните диоди позволяват ток да протича само в една посока: от катод към анод.

Когато не се прилага напрежение към анода, идеално, няма да има ток. Но, поради статистически колебания в скоростта на електроните, някои електрони все пак достигат до анода. Този малък ток се нарича splash current (плесен ток).

V-I характеристики

V-I характеристиките на вакуумната диода показват връзката между напрежението, приложено между анода и катода (V), и тока, протичащ през контура (I). V-I характеристиките на вакуумната диода са показани по-долу.

Размерът на пространствения заряд зависи от колко електрони катодът излъчва, което е влияние от температурата на катода и работната функция. Работната функция е минималната енергия, необходима за премахване на електрон от метал. Металите с по-ниска работна функция изискват по-малко топлина, за да излъчат електрони, което ги прави по-ефективни за тази цел.

Тази област на характеристиките се нарича област на насищане, както е показано на фигурата. Насищащият ток не зависи от напрежението на анода и зависи само от температурата на катода.

Когато не се прилага напрежение към анода, в контура не трябва да има ток, но в реалността, има малък ток поради статистическите колебания в скоростта на някои електрони. Някои електрони са достатъчно енергийни, за да достигнат до анода, дори когато няма напрежение на анода. Малкият ток, причинен от това явление, се нарича splash current (плесен ток).

Типове вакуумни диоди

• Правителна диода

• Детекторна диода

• Зенерова диода

• Варакторна диода

• Шоткиева диода

Приложения на вакуумните диоди

• Приложения с висока мощност

• Приложения с висока честота

• Приложения при висока температура

• Аудио приложения

Заключение

Вакуумната диода е вид електронно устройство, което контролира потока на електрическия ток във висок вакуум между два електрода: катод и анод. Катодът излъчва електрони, когато е нагрет от жица или индиректен нагревател, докато анодът събира електроните от катода. Вакуумната диода работи по принципа на термоелектронната емисия и позволява ток да протича само в една посока: от катод към анод.

Вакуумните диоди бяха изобретени от сър Джон Амброуз Флеминг през 1904 г. и бяха широко използвани в електрониката през първата половина на 20 век. Те бяха есенциални за развитието на радиото, телевизията, радара, звукозаписа и възпроизвеждането, дългите телефонни мрежи, и аналоговите и ранните цифрови компютри. Вакуумните диоди са заменени от полупроводникови диоди в повечето приложения, поради по-малките размери, по-ниско потребление на енергия, по-висока надеждност и по-ниска цена. Въпреки това, вакуумните диоди все още се използват в някои области, където имат предимства пред твърдите устройства, като приложения с висока мощност, висока честота, висока температура и аудио приложения.

Вакуумните диоди могат да бъдат класифицирани според различни критерии, като честотен диапазон, мощност, тип на катод/жица, приложение, специализирани параметри и специализирани функции. Някои примери за типове вакуумни диоди са: правителни диоди, детекторни диоди, зенерови диоди, варакторни диоди и шоткиеви диоди.

Вакуумната диода е просто, но важно устройство, което е играло значителна роля в историята и развитието на електрониката. Тя все още е актуална днес за някои приложения, които изискват уникалните й характеристики и производителност. Вакуумната диода е свидетелство за находчивостта и иновацията на електронните инженери и учени, които са разглеждали възможностите и потенциала на вакуумните тръби.