چه چیزی وکیوم دایود است

چه چیزی دیود وکوئم است؟

تعریف دیود وکوئم

دیود وکوئم نوعی دستگاه الکترونیکی است که جریان الکتریکی را در فضای خلأ بین دو الکترود کنترل می‌کند: کاتد و آند. کاتد یک سیلندر فلزی با پوششی از ماده‌ای است که هنگام گرم شدن الکترون تولید می‌کند، در حالی که آند یک سیلندر فلزی توخالی است که الکترون‌ها را از کاتد جمع می‌کند. نماد دیود وکوئم به صورت زیر نشان داده شده است.

دیود وکوئم در سال ۱۹۰۴ توسط سر جان آمبروز فلمینگ اختراع شد و به عنوان شیر فلمینگ یا ولوا ترمیونیک نیز شناخته می‌شد. این اولین لامپ خلاء و پیشگام دیگر دستگاه‌های لامپ خلاء مانند تریود، تترود و پنتود بود که در نیمه اول قرن بیستم در الکترونیک به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفت. دیود‌های خلاء برای توسعه رادیو، تلویزیون، رادار، ضبط و تکثیر صدا، شبکه‌های تلفنی دوربرد و کامپیوترهای آنالوگ و دیجیتال اولیه ضروری بودند.

اصول عملکرد

دیود وکوئم بر اساس اصل ترمیونیک انتشار کار می‌کند، جایی که الکترون‌ها از سطح فلزی گرم شده انتشار می‌یابند. وقتی کاتد گرم می‌شود، الکترون‌ها به فضای خلأ می‌روند. ولتاژ مثبت روی آند این الکترون‌ها را جذب می‌کند و به جریان الکتریکی از کاتد به آند در یک جهت اجازه می‌دهد.

با این حال، اگر ولتاژ مثبت اعمال شده به آند کافی نباشد، آند نمی‌تواند تمام الکترون‌های از کاتد انتشار یافته را جذب کند. در نتیجه، برخی از الکترون‌ها در فضای بین کاتد و آند تجمع می‌یابند و یک ابر منفی به نام بار فضایی ایجاد می‌کنند. بار فضایی به عنوان مانعی عمل می‌کند که از انتشار بیشتر الکترون‌ها از کاتد جلوگیری می‌کند و جریان الکتریکی در مدار را کاهش می‌دهد.

اگر ولتاژ اعمال شده بین آند و کاتد به تدریج افزایش یابد، بیشتر و بیشتر الکترون‌های بار فضایی به آند جذب می‌شوند و فضای خالی برای الکترون‌های انتشار یافته بیشتر ایجاد می‌کنند. بنابراین با افزایش ولتاژ بین آند و کاتد، می‌توانیم نرخ انتشار الکترون‌ها و در نتیجه جریان الکتریکی در مدار را افزایش دهیم.

در نقطه‌ای، وقتی تمام بار فضایی توسط ولتاژ آند خنثی شود، دیگر مانعی برای انتشار الکترون‌ها از کاتد وجود ندارد. سپس یک پرتو الکترون‌ها آزادانه از کاتد به آند از طریق فضا جریان می‌یابد. در نتیجه، جریان الکتریکی با حداکثر مقدار از آند به کاتد جریان می‌یابد که فقط به دما کاتد بستگی دارد. این جریان به عنوان جریان اشباع شناخته می‌شود.

از طرف دیگر، اگر آند نسبت به کاتد منفی شود، هیچ انتشار الکترونی از آند وجود ندارد زیرا آند سرد است، نه گرم. حالا، الکترون‌های از کاتد گرم شده به دلیل دفع منفی آند به آند نمی‌رسند. یک بار فضایی قوی بین آند و کاتد تجمع می‌یابد. به دلیل این بار فضایی، تمام الکترون‌های انتشار یافته بیشتر به کاتد دفع می‌شوند و در نتیجه هیچ انتشاری رخ نمی‌دهد. بنابراین، هیچ جریان الکتریکی در مدار جریان نمی‌یابد. بنابراین، دیود‌های خلاء تنها جریان را در یک جهت اجازه می‌دهند: از کاتد به آند.

وقتی هیچ ولتاژی به آند اعمال نشود، به طور مثالي هیچ جریانی در مدار وجود ندارد. با این حال، به دلیل نوسانات آماری در سرعت الکترون‌ها، برخی از الکترون‌ها همچنان به آند می‌رسند. این جریان کوچک به عنوان جریان پاشنی شناخته می‌شود.

خصوصیات V-I

خصوصیات V-I یک دیود وکوئم رابطه بین ولتاژ اعمال شده بین آند و کاتد (V) و جریان الکتریکی در مدار (I) را نشان می‌دهد. خصوصیات V-I یک دیود وکوئم به صورت زیر نشان داده شده است.

حجم بار فضایی به تعداد الکترون‌های انتشار یافته از کاتد بستگی دارد که توسط دما و تابع کاری کاتد تحت تاثیر قرار می‌گیرد. تابع کاری انرژی حداقلی است که برای خارج کردن یک الکترون از یک فلز نیاز است. فلز‌هایی با تابع کاری کمتر به حرارت کمتری برای انتشار الکترون‌ها نیاز دارند و از این رو کارآمدتر هستند.

این ناحیه از خصوصیات به عنوان ناحیه اشباع شناخته می‌شود، همانطور که در شکل نشان داده شده است. جریان اشباع مستقل از ولتاژ آند و تنها به دما کاتد بستگی دارد.

وقتی هیچ ولتاژی به آند اعمال نشود، در واقعیت هیچ جریانی در مدار نباید وجود داشته باشد، اما به دلیل نوسانات آماری در سرعت برخی الکترون‌ها، یک جریان کوچک وجود دارد. برخی الکترون‌ها انرژی کافی دارند تا حتی بدون ولتاژ آند به آند برسند. این جریان کوچک به دلیل این پدیده به عنوان جریان پاشنی شناخته می‌شود.

انواع دیود وکوئم

• دیود مستقیم‌ساز

• دیود تشخیص‌دهنده

• دیود زنر

• دیود واراکتور

• دیود شاتکی

کاربردهای دیود وکوئم

• کاربردهای با توان بالا

• کاربردهای با فرکانس بالا

• کاربردهای با دمای بالا

• کاربردهای صوتی

نتیجه‌گیری

دیود وکوئم نوعی دستگاه الکترونیکی است که جریان الکتریکی را در فضای خلأ بین دو الکترود کنترل می‌کند: کاتد و آند. کاتد هنگام گرم شدن توسط فیلامنت یا گرمکن غیرمستقیم الکترون تولید می‌کند، در حالی که آند الکترون‌ها را از کاتد جمع می‌کند. دیود وکوئم بر اساس اصل ترمیونیک کار می‌کند و تنها جریان را در یک جهت اجازه می‌دهد: از کاتد به آند.

دیود‌های خلاء در سال ۱۹۰۴ توسط سر جان آمبروز فلمینگ اختراع شدند و در نیمه اول قرن بیستم در الکترونیک به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفتند. آنها برای توسعه رادیو، تلویزیون، رادار، ضبط و تکثیر صدا، شبکه‌های تلفنی دوربرد و کامپیوترهای آنالوگ و دیجیتال اولیه ضروری بودند. دیود‌های خلاء در بیشتر کاربردها توسط دیود‌های نیم‌رسانا جایگزین شده‌اند، به دلیل اندازه کوچکتر، مصرف انرژی کمتر، قابلیت اطمینان بالاتر و هزینه کمتر. با این حال، دیود‌های خلاء هنوز در برخی زمینه‌ها که بر دستگاه‌های جامد مزیت دارند، مانند کاربردهای با توان بالا، فرکانس بالا، دمای بالا و صوتی استفاده می‌شوند.

دیود‌های خلاء می‌توانند بر اساس معیارهای مختلفی مانند محدوده فرکانس، رتبه توان، نوع کاتد/فیلامنت، کاربرد، پارامترهای تخصصی و عملکردهای تخصصی طبقه‌بندی شوند. برخی از نمونه‌های انواع دیود خلاء عبارتند از دیود‌های مستقیم‌ساز، دیود‌های تشخیص‌دهنده، دیود‌های زنر، دیود‌های واراکتور و دیود‌های شاتکی.

دیود وکوئم یک دستگاه ساده اما مهم است که نقشی قابل توجهی در تاریخ و توسعه الکترونیک داشته است. هنوز هم برای برخی کاربردهایی که نیاز به ویژگی‌ها و عملکرد منحصر به فرد آن دارند، مرتبط است. دیود وکوئم شاهد هوشمندی و نوآوری مهندسان و دانشمندان الکترونیکی است که امکانات و پتانسیل لامپ‌های خلاء را کشف کرده‌اند.