Was ist eine Vakuumdiode?

Was ist eine Vakuumdiode?

Definition der Vakuumdiode

Eine Vakuumdiode ist ein elektronisches Gerät, das den Stromfluss in einem hohen Vakuum zwischen zwei Elektroden, dem Kathoden und Anoden, steuert. Die Kathode ist ein Metallzylinder, der mit einem Material beschichtet ist, das bei Erhitzung Elektronen emittiert, während die Anode ein hohler Metallzylinder ist, der Elektronen von der Kathode sammelt. Das Symbol für die Vakuumdiode ist unten dargestellt.

Die Vakuumdiode wurde 1904 von Sir John Ambrose Fleming erfunden und war auch als Fleming-Ventil oder Thermionikventil bekannt. Sie war die erste Vakuumröhre und Vorläufer anderer Vakuumröhren-Geräte, wie Trioden, Tetroden und Pentoden, die in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts in der Elektronik weit verbreitet waren. Vakuumdioden waren wesentlich für die Entwicklung von Radio, Fernsehen, Radar, Tonaufzeichnung und -wiedergabe, langstreckigen Telefonnetzen sowie analogen und frühen digitalen Computern.

Funktionsprinzip

Die Vakuumdiode arbeitet nach dem Prinzip der thermionischen Emission, bei der Elektronen von einer erhitzten Metallfläche emittiert werden. Wenn die Kathode erhitzt wird, entweichen Elektronen ins Vakuum. Eine positive Spannung an der Anode zieht diese Elektronen an und ermöglicht den Stromfluss von der Kathode zur Anode in einer Richtung.

Wenn jedoch die positive Spannung, die auf die Anode angewendet wird, nicht ausreichend ist, kann die Anode nicht alle von der heißen Kathode emittierten Elektronen anziehen. Als Folge davon sammeln sich einige Elektronen im Raum zwischen Kathode und Anode, bilden eine Wolke negativer Ladungen, die als Raumladung bezeichnet wird. Diese Raumladung wirkt als Barriere, die die weitere Emission von Elektronen von der Kathode verhindert und den Stromfluss im Schaltkreis reduziert.

Wenn die angelegte Spannung zwischen Anode und Kathode schrittweise erhöht wird, werden immer mehr Raumladungselektronen zur Anode gezogen und leeren Platz für weitere emittierte Elektronen. Mit der Erhöhung der Spannung zwischen Anode und Kathode können wir also die Emissionsrate der Elektronen und damit den Stromfluss im Schaltkreis erhöhen.

Wenn schließlich die gesamte Raumladung durch die Anodenspannung neutralisiert wird, gibt es keine Hindernisse mehr für die Elektronenemission von der Kathode. Dann beginnt ein Strahl von Elektronen, frei von der Kathode zur Anode durch den Raum zu fließen. Als Ergebnis fließt der Strom von der Anode zur Kathode mit seinem maximalen Wert, der nur von der Temperatur der Kathode abhängt. Dies wird als Sättigungsstrom bezeichnet.

Andererseits, wenn die Anode negativ zur Kathode gemacht wird, findet keine Elektronenemission von ihr statt, da sie kalt und nicht heiß ist. Nun erreichen die von der erhitzten Kathode emittierten Elektronen die Anode nicht, da sie durch die negative Anode abgestoßen werden. Eine starke Raumladung bildet sich zwischen Anode und Kathode. Durch diese Raumladung werden alle weiter emittierten Elektronen zurück zur Kathode abgestoßen, und es findet keine Emission statt. Daher fließt kein Strom im Schaltkreis. So erlauben Vakuumdioden den Stromfluss nur in einer Richtung: von der Kathode zur Anode.

Wenn keine Spannung an die Anode angelegt wird, sollte idealerweise kein Strom fließen. Allerdings erreichen aufgrund statistischer Fluktuationen in der Geschwindigkeit einiger Elektronen trotzdem einige die Anode. Dieser kleine Strom wird als Spritzerstrom bezeichnet.

V-I-Kennlinien

Die V-I-Kennlinien einer Vakuumdiode zeigen die Beziehung zwischen der an der Anode und Kathode angelegten Spannung (V) und dem durch den Schaltkreis fließenden Strom (I). Die V-I-Kennlinien einer Vakuumdiode sind unten dargestellt.

Die Größe der Raumladung hängt davon ab, wie viele Elektronen die Kathode emittiert, was von der Temperatur und der Arbeitsspannung der Kathode beeinflusst wird. Die Arbeitsspannung ist die minimale Energie, die benötigt wird, um ein Elektron aus einem Metall zu entfernen. Metalle mit niedrigerer Arbeitsspannung benötigen weniger Wärme, um Elektronen zu emittieren, wodurch sie effizienter für diesen Zweck sind.

Diese Region der Kennlinien wird als Sättigungsregion bezeichnet, wie in der Abbildung dargestellt. Der Sättigungsstrom ist unabhängig von der Anodenspannung und hängt nur von der Temperatur der Kathode ab.

Wenn keine Spannung an die Anode angelegt wird, sollte im Schaltkreis kein Strom fließen, aber in der Realität gibt es einen kleinen Strom aufgrund statistischer Fluktuationen in der Geschwindigkeit einiger Elektronen. Einige Elektronen sind energetisch genug, um die Anode zu erreichen, selbst wenn keine Spannung an der Anode vorhanden ist. Der kleine Strom, der durch dieses Phänomen verursacht wird, wird als Spritzerstrom bezeichnet.

Arten von Vakuumdioden

• Gleichrichterdiode

• Detektor-Diode

• Zenerdiode

• Varactor-Diode

• Schottky-Diode

Anwendungen von Vakuumdioden

• Hochleistungsanwendungen

• Hochfrequenzanwendungen

• Hochtemperaturanwendungen

• Audioanwendungen

Fazit

Eine Vakuumdiode ist ein elektronisches Gerät, das den Stromfluss in einem hohen Vakuum zwischen zwei Elektroden, der Kathode und der Anode, steuert. Die Kathode emittiert Elektronen, wenn sie durch ein Glühfadenmaterial oder einen indirekten Heizer erhitzt wird, während die Anode die Elektronen von der Kathode sammelt. Die Vakuumdiode arbeitet nach dem Prinzip der thermionischen Emission und erlaubt den Stromfluss nur in einer Richtung: von der Kathode zur Anode.

Vakuumdioden wurden 1904 von Sir John Ambrose Fleming erfunden und wurden in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts in der Elektronik weit verbreitet. Sie waren wesentlich für die Entwicklung von Radio, Fernsehen, Radar, Tonaufzeichnung und -wiedergabe, langstreckigen Telefonnetzen sowie analogen und frühen digitalen Computern. Vakuumdioden wurden in den meisten Anwendungen durch Halbleiterdioden ersetzt, aufgrund ihrer kleineren Größe, geringeren Energieverbrauchs, höheren Zuverlässigkeit und geringeren Kosten. Dennoch werden Vakuumdioden in Bereichen, in denen sie gegenüber Festkörperbauelementen Vorteile haben, wie z.B. in Hochleistungs-, Hochfrequenz-, Hochtemperatur- und Audioanwendungen, noch verwendet.

Vakuumdioden können nach verschiedenen Kriterien klassifiziert werden, wie Frequenzbereich, Leistungsklasse, Kathoden/Glühfaden-Typ, Anwendung, spezialisierte Parameter und spezialisierte Funktionen. Einige Beispiele für Vakuumdioden-Typen sind Gleichrichterdioden, Detektor-Dioden, Zener-Dioden, Varactor-Dioden und Schottky-Dioden.

Die Vakuumdiode ist ein einfaches, aber wichtiges Gerät, das eine bedeutende Rolle in der Geschichte und Entwicklung der Elektronik gespielt hat. Sie ist heute für einige Anwendungen, die ihre einzigartigen Eigenschaften und Leistungsfähigkeit erfordern, immer noch relevant. Die Vakuumdiode ist ein Zeugnis für die Einfallsreichtum und Innovation der Elektroingenieure und Wissenschaftler, die die Möglichkeiten und Potentiale von Vakuumröhren erforscht haben.