دیود خلاء چیست
واکیوم دایود چیست؟
تعریف واکیوم دایود
واکیوم دایود نوعی دستگاه الکترونیکی است که جریان الکتریکی را در فضای خلاء بین دو الکترود کنترل می‌کند: کاتد و آند. کاتد یک سیلندر فلزی با پوششی است که وقتی گرم شود الکترون‌ها را تابش می‌کند، در حالی که آند یک سیلندر فلزی توخالی است که الکترون‌ها را از کاتد جمع‌آوری می‌کند. نماد واکیوم دایود به صورت زیر نشان داده شده است.
واکیوم دایود در سال ۱۹۰۴ توسط سر جان امبروز فلمینگ اختراع شد و به عنوان والوی فلمینگ یا والوی ترمیونیک نیز شناخته می‌شد. این اولین لامپ خلاء و پیشگام دیگر دستگاه‌های لامپ خلاء مانند تریودها، تترودها و پنتودها بود که در طول نیمه اول قرن بیستم در الکترونیک به طور گسترده استفاده می‌شد. واکیوم دایود برای توسعه رادیو، تلویزیون، رادار، ضبط و بازسازی صدا، شبکه‌های تلفنی دوربرد و کامپیوترهای آنالوگ و دیجیتال اولیه ضروری بود.
اصول عملکرد
واکیوم دایود بر اساس اصل تابش ترمیونیک کار می‌کند، که در آن الکترون‌ها از سطح فلزی گرم تابش می‌شوند. وقتی کاتد گرم شود، الکترون‌ها به فضای خلاء گریز می‌کنند. ولتاژ مثبت روی آند این الکترون‌ها را جذب می‌کند و اجازه می‌دهد جریان از کاتد به آند در یک جهت جریان یابد.
با این حال، اگر ولتاژ مثبت اعمال شده به آند کافی نباشد، آند نمی‌تواند تمام الکترون‌های تابش شده از کاتد را جذب کند. در نتیجه، برخی الکترون‌ها در فضای بین کاتد و آند تجمع می‌یابند و یک ابر منفی به نام بار فضایی تشکیل می‌دهند. این بار فضایی به عنوان مانعی عمل می‌کند که از تابش بیشتر الکترون‌ها از کاتد جلوگیری می‌کند و جریان را در مدار 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 فضا برای تابش الکترون‌های جدید خالی می‌شود. بنابراین با افزایش ولتاژ بین آند و کاتد، می‌توانیم نرخ تابش الکترون‌ها و در نتیجه جریان در مدار را افزایش دهیم.
در نقطه‌ای، وقتی کل بار فضایی توسط ولتاژ آند خنثی شود، هیچ مانعی برای تابش الکترون‌ها از کاتد وجود ندارد. در این حالت، یک پرتو الکترون از کاتد به آند از طریق فضا آزادانه جریان می‌یابد. بنابراین جریان از آند به کاتد در حداکثر مقدار خود جریان می‌یابد که فقط به دماي کاتد بستگی دارد. این جریان به عنوان جریان اشباع شناخته می‌شود.
از طرف دیگر، اگر آند نسبت به کاتد منفی شود، هیچ تابش الکترونی از آند نخواهد بود زیرا آند سرد است، نه گرم. حالا الکترون‌های تابش شده از کاتد گرم به دلیل دفع از آند منفی به آند نمی‌رسند. یک بار فضایی قوی بین آند و کاتد تجمع می‌یابد. به دلیل این بار فضایی، تمام الکترون‌های تابش شده از کاتد به کاتد بازگردانده می‌شوند و در نتیجه هیچ تابشی اتفاق نمی‌افتد. بنابراین هیچ جریانی در مدار جریان نمی‌یابد. بنابراین، واکیوم دایود‌ها تنها جریان را در یک جهت از کاتد به آند اجازه می‌دهند.
وقتی هیچ ولتاژی به آند اعمال نشود، ایده‌آل‌اً هیچ جریانی در مدار نباید وجود داشته باشد. با این حال، به دلیل نوسانات آماری در سرعت الکترون‌ها، برخی الکترون‌ها همچنان به آند می‌رسند. این جریان کوچک به عنوان جریان پاشنی شناخته می‌شود.
ویژگی‌های ولتاژ-جریان (V-I)
ویژگی‌های ولتاژ-جریان یک واکیوم دایود رابطه بین ولتاژ اعمال شده بین آند و کاتد (V) و جریان جاری در مدار (I) را نشان می‌دهد. ویژگی‌های ولتاژ-جریان یک واکیوم دایود به صورت زیر نشان داده شده است.
اندازه بار فضایی به تعداد الکترون‌های تابش شده از کاتد بستگی دارد که تحت تأثیر دما و تابع کاری کاتد قرار دارد. تابع کاری حداقل انرژی لازم برای خارج کردن یک الکترون از فلز است. فلز‌هایی با تابع کاری کمتر نیاز به گرما کمتری برای تابش الکترون‌ها دارند و بنابراین برای این منظور کاراتر هستند.
این ناحیه از ویژگی‌ها به عنوان ناحیه اشباع شناخته می‌شود، مانند آنچه در شکل نشان داده شده است. جریان اشباع مستقل از ولتاژ آند است و فقط به دماي کاتد بستگی دارد.
وقتی هیچ ولتاژی به آند اعمال نشود، ایده‌آل‌اً هیچ جریانی در مدار نباید وجود داشته باشد، اما در واقعیت، یک جریان کوچک به دلیل نوسانات آماری در سرعت برخی الکترون‌ها وجود دارد. برخی الکترون‌ها انرژی کافی دارند تا حتی بدون ولتاژ آند به آند برسند. این جریان کوچک به این پدیده جریان پاشنی معروف است.
نوع‌های واکیوم دایود
دایود مستقیم‌کننده
دایود شناسنده
دایود زنر
دایود واراکتور
دایود شاتکی
کاربردهای واکیوم دایود
کاربردهای با توان بالا
کاربردهای با فرکانس بالا
کاربردهای با دما بالا
کاربردهای صوتی
نتیجه‌گیری
واکیوم دایود نوعی دستگاه الکترونیکی است که جریان الکتریکی را در فضای خلاء بین دو الکترود کنترل می‌کند: کاتد و آند. کاتد زمانی که توسط یک فیلامنت یا یک گرمکن غیرمستقیم گرم شود، الکترون‌ها را تابش می‌کند، در حالی که آند الکترون‌ها را از کاتد جمع‌آوری می‌کند. واکیوم دایود بر اساس اصل تابش ترمیونیک کار می‌کند و تنها جریان را در یک جهت از کاتد به آند اجازه می‌دهد.
واکیوم دایود‌ها در سال ۱۹۰۴ توسط سر جان امبروز فلمینگ اختراع شدند و در طول نیمه اول قرن بیستم در الکترونیک به طور گسترده استفاده می‌شدند. آنها برای توسعه رادیو، تلویزیون، رادار، ضبط و بازسازی صدا، شبکه‌های تلفنی دوربرد و کامپیوترهای آنالوگ و دیجیتال اولیه ضروری بودند. واکیوم دایود‌ها در اکثر کاربردها توسط دایودهای نیمه‌رسانا جایگزین شده‌اند، به دلیل اندازه کوچکتر، مصرف انرژی کمتر، قابلیت اطمینان بالاتر و هزینه کمتر. با این حال، واکیوم دایود‌ها هنوز در برخی زمینه‌ها که بر دستگاه‌های جامد مزیت دارند، مانند کاربردهای با توان بالا، فرکانس بالا، دما بالا و کاربردهای صوتی استفاده می‌شوند.
واکیوم دایود‌ها می‌توانند بر اساس معیارهای مختلفی مانند محدوده فرکانس، نرخ توان، نوع کاتد/فیلامنت، کاربرد، پارامترهای تخصصی و توابع تخصصی طبقه‌بندی شوند. برخی از نمونه‌های نوع واکیوم دایود عبارتند از دایود مستقیم‌کننده، دایود شناسنده، دایود زنر، دایود واراکتور و دایود شاتکی.
واکیوم دایود یک دستگاه ساده اما مهم است که نقشی قابل توجه در تاریخ و توسعه الکترونیک ایفا کرده است. این دستگاه هنوز برای برخی کاربردهایی که نیاز به ویژگی‌ها و عملکرد منحصر به فرد آن دارند، معتبر است. واکیوم دایود شاهدی بر توانایی و نوآوری مهندسان و دانشمندان الکترونیکی است که امکانات و پتانسیل لامپ‌های خلاء را کشف کرده‌اند.
