Što je vakuumski dioda?

Što je vakuum dioda?

Definicija vakuum diode

Vakuum dioda je vrsta elektroničkog uređaja koji kontrolira protok električne struje u visokom vakuumu između dvaju elektroda: katode i anode. Katoda je metalni cilindar prekriven materijalom koji emitira elektrone kada se zagrije, dok je anoda prazan metalni cilindar koji prikuplja elektrone s katode. Simbol vakuum diode prikazan je u nastavku.

Vakuum diodu je 1904. godine izumio Sir John Ambrose Fleming, i poznata je kao Flemingova valvula ili termionička valvula. Bila je to prva vakuum cijev i prethodnica drugih vakuum cijevnih uređaja, poput trioda, tetroda i pentoda, koje su široko koristili u elektronici tijekom prvih polovice 20. stoljeća. Vakuum diode bile su ključne za razvoj radio-dijeljenja, televizije, radara, snimanja i reprodukcije zvuka, dalekovoda telefonskih mreža, te analognih i ranih digitalnih računala.

Princip rada

Vakuum dioda funkcionira na principu termioničke emisije, gdje elektroni emitiraju s zagrijane metaličke površine. Kada se katoda zagrije, elektroni pobjegnu u vakuum. Pozitivno napona na anodi privlači ove elektrone, omogućujući protok struje od katode do anode u jednom smjeru.

Međutim, ako pozitivni napon primijenjen na anodu nije dovoljno jak, anoda ne može privući sve elektrone emitirane s katode zbog vruće žice. Tako se neki elektroni nakupljaju u prostoru između katode i anode, formirajući oblak negativnog naboja poznat kao prostorni nabit. Prostorni nabit djeluje kao barijera koja sprečava daljnju emisiju elektrona s katode i smanjuje protok struje u krugu.

Ako se primijenjeni napon između anode i katode postepeno poveća, sve više elektrona prostornog nabita privlači se na anodu i stvara prazninu za nove emitirane elektrone. Tako povećanjem napona između anode i katode, možemo povećati stopu emisije elektrona i time protok struje u krugu.

Na nekom trenutku, kada svaki prostorni nabit neutralizira napon na anodi, nema više prepreka za emisiju elektrona s katode. Tada se počinje slobodno protjecati zraka elektrona od katode do anode kroz prostor. Tako struja protječe od anode do katode na svojoj maksimalnoj vrijednosti, koja ovisi samo o temperaturi katode. To se naziva nasitna struja.

S druge strane, ako se anoda učini negativnom u odnosu na katodu, nema emisije elektrona s nje jer je hladna, a ne vruća. Sada, emitirani elektroni s zagrijane katode ne dosegu anodu zbog odboja negativne anode. Jak prostorni nabit će se nakupiti između anode i katode. Zbog ovog prostornog naboja, svi dodatni emitirani elektroni bit će odbačeni natrag na katodu, i stoga se ne događa emisija. Stoga, nema protoka struje u krugu. Dakle, vakuum diode dopuštaju protok struje samo u jednom smjeru: od katode do anode.

Kada se napon na anodu ne primijeni, idealno, ne bi trebalo biti nikakve struje. Međutim, zbog statističkih fluktuacija brzine elektrona, neki elektroni ipak dosegu anodu. Ova mala struja poznata je kao splašna struja.

V-I karakteristike

V-I karakteristike vakuum diode pokazuju odnos između napona primijenjenog između anode i katode (V) i struje koja protječe kroz krug (I). V-I karakteristike vakuum diode prikazane su u nastavku.

Veličina prostornog naboja ovisi o tome koliko elektrona emitira katoda, što je utjecano temperaturom katode i radnom funkcijom. Radna funkcija je minimalna energija potrebna za uklanjanje elektrona s metala. Metali s nižom radnom funkcijom trebaju manje topline da emitiraju elektrone, čime postaju učinkovitiji za tu svrhu.

Ova regija karakteristika poznata je kao regija nasitnice, kao što je prikazano na slici. Nasitna struja ne ovisi o naponu na anodi, već samo o temperaturi katode.

Kada se napon na anodu ne primijeni, u krugu ne bi trebalo biti nikakve struje, ali u stvarnosti, postoji mala struja zbog statističkih fluktuacija brzine nekih elektrona. Neki elektroni su dovoljno energetski da dosegnu anodu čak i kada nema napona na anodi. Mala struja uzrokovana ovim fenomenom poznata je kao splašna struja.

Vrste vakuum dioda

• Rectifikacijska dioda

• Detektorska dioda

• Zenerova dioda

• Varaktorska dioda

• Schottkyeva dioda

Primjene vakuum dioda

• Visokosnačajne primjene

• Visoko-frekventne primjene

• Visoko-temperaturne primjene

• Audio primjene

Zaključak

Vakuum dioda je vrsta elektroničkog uređaja koji kontrolira protok električne struje u visokom vakuumu između dvaju elektroda: katode i anode. Katoda emitira elektrone kada se zagrije žicom ili indirektnim zagrijivačem, dok anoda prikuplja elektrone s katode. Vakuum dioda radi na principu termioničke emisije i dopušta protok struje samo u jednom smjeru: od katode do anode.

Vakuum diode su izumljene 1904. godine od strane Sira Johna Ambrosea Fleminga i široko su se koristile u elektronici tijekom prvih polovice 20. stoljeća. Bile su ključne za razvoj radio-dijeljenja, televizije, radara, snimanja i reprodukcije zvuka, dalekovoda telefonskih mreža, te analognih i ranih digitalnih računala. Vakuum diode su u većini primjena zamijenjene poluprovodničkim diodama, zbog njihove manje veličine, niže potrošnje energije, veće pouzdanosti i niže cijene. Međutim, vakuum diode se i dalje koriste u nekim područjima gdje imaju prednosti nad čvrstim stanjem, poput visokosnačajnih, visoko-frekventnih, visoko-temperaturnih i audio primjena.

Vakuum diode mogu se klasificirati prema različitim kriterijima, poput frekvencijskog opsega, snaga, tipa katode/žice, primjene, specifičnih parametara i specifičnih funkcija. Neke primjere vrsta vakuum dioda su rectifikacijske diode, detektorske diode, Zenerove diode, varaktorske diode i Schottkyeve diode.

Vakuum dioda je jednostavan, ali važan uređaj koji igrao je značajnu ulogu u povijesti i razvoju elektronike. I dalje je relevantan danas za neke primjene koje zahtijevaju njegove jedinstvene karakteristike i performanse. Vakuum dioda je svjedočanstvo umjetnosti i inovacije elektroničkih inženjera i znanstvenika koji su istraživali mogućnosti i potencijale vakuum cijevi.