Mikä on tyhjiödiodo?

Mikä on vakuumpiili?

Vakuumpiilin määritelmä

Vakuumpiili on elektroninen laite, joka ohjaa sähkövirran virtaamista kahden elektroden, katodin ja anodin, välillä korkeassa vakuussa. Katodi on metalliputki, joka on peitetty aineella, joka sähköntuottajana toimii lämpenemisen yhteydessä, kun taas anodi on tyhjä metalliputki, joka kerää katodista tulevia elektroneja. Vakuumpiilin symboli on näkyvissä alla.

Vakuumpiili kehitettiin Sir John Ambrose Flemingin toimesta vuonna 1904, ja sitä tunnetaan myös Flemingen venttielinä tai termioniikkivalvonnan. Se oli ensimmäinen vakuumputki ja edelsi muita vakuumputkilaitteita, kuten triodeja, tetrodeja ja pentodeja, jotka olivat laajasti käytössä elektroniikassa 20. vuosisadan ensimmäisellä puoliskolla. Vakuumpiilit olivat olennaisia radiotekniikan, television, radarin, äänin nauhoituksen ja toiston, pitkän matkan puhelinverkkojen sekä analoogisten ja varhaisen digitaalisten tietokoneiden kehitykselle.

Toimintaperiaate

Vakuumpiili perustuu termioniikkienlähtölle, jossa elektronit vapautuvat lämpenevältä metallipinnalta. Kun katodi lämpenee, elektronit pääsevät vakuumaan. Positiivinen jännite anodissa houkuttelee nämä elektronit, mikä mahdollistaa virran virtaamisen katodista anodiin yhdessä suunnassa.

Jos anodissa oleva positiivinen jännite ei ole riittävän suuri, anodi ei voi houkutella kaikkia katodista vapautuneita elektroneja kuumen filamentin vuoksi. Tällöin osa elektroneista kertyy katodin ja anodin välille muodostaen negatiivisen ladun pilven, jota kutsutaan tilaladuksi. Tilalata toimii esteenä, joka estää lisää elektronien vapautumista katodista ja vähentää virtaamaa piirissä.

Kun anodin ja katodin välinen jännite kasvaa, yhä useammat tilaladun elektronit vedetään anodiin ja luovat tyhjiötä uusien elektronien vapautumiseen. Jännitteen kasvaessa anodin ja katodin välillä voimme lisätä elektronien vapautumisnopeuden ja siten vähentää virtaamaa piirissä.

Jossain vaiheessa, kun kaikki tilalada on neutralisoitu anodin jännitteen avulla, ei ole enää esteitä elektronien vapautumiselle katodista. Tällöin elektronien säde alkaa kulkea vapaasti katodista anodiin tilaan. Tämän seurauksena virta virtaa anodista katodiin sen maksimiarvolla, joka riippuu vain katodin lämpötilasta. Tätä kutsutaan satuuraatiovirtaksi.

Toisaalta, jos anodi tehdään negatiiviseksi katodista nähden, siitä ei vapaudu elektronit, koska se on kylmä eikä kuuma. Nyt, lämpenemisen seurauksena katodista vapautuneet elektronit eivät pääse anodiin negatiivisen anodin hylkäämiseen. Vahva tilalata kertyy anodin ja katodin välille. Tämän tilaladan takia kaikki uudet elektronit palautetaan katodiin, ja siksi ei tapahdu elektronien vapautumista. Siksi piirissä ei virtaa virtaa. Niinpä vakuumpiilit sallivat virran virtaamisen vain yhdessä suunnassa: katodista anodiin.

Kun anodiin ei soviteta jännitettä, ideallisesti ei pitäisi olla virran virtaamista. Kuitenkin statististen fluktuatioiden vuoksi joitakin elektroneja saavuttaa anodi. Tämä pieni virta tunnetaan pistevirtana.

V-I-ominaisuudet

Vakuumpiilin V-I-ominaisuudet näyttävät suhteen anodin ja katodin välillä sovitettua jännitettä (V) ja piirin kautta kulkevaa virtaa (I). Vakuumpiilin V-I-ominaisuudet ovat näkyvissä alla.

Tilaladun koko riippuu siitä, kuinka monta elektronia katodi vapauttaa, mikä on vaikutuksissa katodin lämpötilaan ja työfunktioon. Työfunktio on vähimmäisenergia, joka tarvitaan elektronin poistamiseksi metallista. Metallit, joilla on pienempi työfunktio, tarvitsevat vähemmän lämpöä elektronien vapauttamiseen, mikä tekee niistä tehokkaampia tähän tarkoitukseen.

Tämä ominaisuusalue kutsutaan satuuraatioreuna-alueeksi, kuten kuvassa näkyy. Satuuraatiovirta on riippumaton anodin jännitteestä ja riippuu vain katodin lämpötilasta.

Kun anodiin ei soviteta jännitettä, piirissä ei pitäisi olla virran virtaamista, mutta todellisuudessa on pieni virta tilastollisten fluktuatioiden vuoksi. Joitakin elektroneja on riittävän energisitä, että ne pääsevät anodiin, vaikka anodissa ei ole jännitettä. Tämä pieni virta, joka aiheutuu tästä ilmiöstä, tunnetaan pistevirtana.

Vakuumpiilien tyypit

• Suorituspiili

• Havaitsempiili

• Zener-piili

• Varactor-piili

• Schottky-piili

Vakuumpiilien sovellukset

• Korkean tehon sovellukset

• Korkean taajuuden sovellukset

• Korkean lämpötilan sovellukset

• Äänisovellukset

Yhteenveto

Vakuumpiili on elektroninen laite, joka ohjaa sähkövirran virtaamista kahden elektroden, katodin ja anodin, välillä korkeassa vakuussa. Katodi vapauttaa elektroneja, kun se lämpenee filamenilla tai epäsuoralla lämmityslaiteilla, kun taas anodi kerää elektroneja katodista. Vakuumpiili toimii termioniikkienlähtön perusteella ja sallii virran virtaamisen vain yhdessä suunnassa: katodista anodiin.

Vakuumpiilit kehitettiin Sir John Ambrose Flemingin toimesta vuonna 1904 ja ne olivat laajasti käytössä elektroniikassa 20. vuosisadan ensimmäisellä puoliskolla. Ne olivat olennaisia radiotekniikan, television, radarin, äänin nauhoituksen ja toiston, pitkän matkan puhelinverkkojen sekä analoogisten ja varhaisen digitaalisten tietokoneiden kehitykselle. Vakuumpiilit ovat korvattu semanttisten piilien toimesta useimmissa sovelluksissa, koska ne ovat pienempiä, kuluttavat vähemmän energiaa, ovat luotettavampia ja edullisempia. Kuitenkin vakuumpiilit ovat edelleen käytössä joissakin alueissa, joissa ne ovat parempia kuin kiinteän aineen laitteet, kuten korkean tehon, korkean taajuuden, korkean lämpötilan ja äänisovellukset.

Vakuumpiilejä voidaan luokitella eri perusteilla, kuten taajuusalue, tehoryhmä, katodi/filamentin tyyppi, sovellus, erikoisparametrit ja erikoistoiminto. Joitakin vakuumpiilien tyyppejä ovat suorituspiilit, havaitsepiilit, zener-piilit, varactor-piilit ja Schottky-piilit.

Vakuumpiili on yksinkertainen, mutta tärkeä laite, joka on omannut merkittävän roolin elektroniikan historiassa ja kehityksessä. Se on edelleen ajankohtaista joillekin sovelluksille, jotka vaativat sen ainutlaatuisia ominaisuuksia ja suorituskykyä. Vakuumpiili on todiste sähkötekniikan insinöörien ja tutkijoiden innostuksesta ja innovaatiosta, jotka ovat tutkineet vakuumputkien mahdollisuuksia ja potentiaalia.