Cosa è un Diodo a Vuoto?

Cos'è un diodo a vuoto?

Definizione di diodo a vuoto

Un diodo a vuoto è un tipo di dispositivo elettronico che controlla il flusso di corrente elettrica in un vuoto ad alta pressione tra due elettrodi: una catoda e un'anoda. La catoda è un cilindro metallico ricoperto da un materiale che emette elettroni quando riscaldato, mentre l'anoda è un cilindro metallico cavo che raccoglie gli elettroni dalla catoda. Il simbolo del diodo a vuoto è mostrato di seguito.

Il diodo a vuoto fu inventato da Sir John Ambrose Fleming nel 1904 ed era noto anche come valvola di Fleming o valvola termionica. Fu la prima valvola a vuoto e il precursore di altri dispositivi a valvola a vuoto, come i triodi, i tetrodi e i pentodi, ampiamente utilizzati nell'elettronica per la prima metà del XX secolo. I diodi a vuoto furono essenziali per lo sviluppo della radio, della televisione, del radar, della registrazione e riproduzione del suono, delle reti telefoniche a lunga distanza e dei computer analogici e digitali iniziali.

Principio di funzionamento

Il diodo a vuoto opera sul principio dell'emissione termionica, dove gli elettroni vengono emessi da una superficie metallica riscaldata. Quando la catoda viene riscaldata, gli elettroni scappano nel vuoto. Una tensione positiva sull'anoda attrae questi elettroni, permettendo al corrente di fluire dalla catoda all'anoda in una sola direzione.

Tuttavia, se la tensione positiva applicata all'anoda non è sufficientemente elevata, l'anoda non può attrarre tutti gli elettroni emessi dalla catoda a causa del filamento caldo. Di conseguenza, alcuni elettroni si accumulano nello spazio tra la catoda e l'anoda, formando una nuvola di carica negativa chiamata carica spaziale. La carica spaziale agisce come una barriera che impedisce ulteriori emissioni di elettroni dalla catoda e riduce il flusso di corrente nel circuito.

Se la tensione applicata tra l'anoda e la catoda viene gradualmente aumentata, sempre più elettroni della carica spaziale vengono attratti all'anoda e creano spazio per ulteriori elettroni emessi. Quindi, con l'aumento della tensione tra l'anoda e la catoda, possiamo aumentare il tasso di emissione degli elettroni e, di conseguenza, il flusso di corrente nel circuito.

A un certo punto, quando tutta la carica spaziale è neutralizzata dalla tensione dell'anoda, non c'è più alcun ostacolo all'emissione di elettroni dalla catoda. Allora un fascio di elettroni inizia a fluire liberamente dalla catoda all'anoda attraverso lo spazio. Di conseguenza, la corrente fluisce dall'anoda alla catoda al suo valore massimo, che dipende solo dalla temperatura della catoda. Questo è chiamato corrente di saturazione.

D'altra parte, se l'anoda viene resa negativa rispetto alla catoda, non c'è emissione di elettroni da essa poiché è fredda, non calda. Ora, gli elettroni emessi dalla catoda riscaldata non raggiungono l'anoda a causa della repulsione dell'anoda negativa. Si accumula una forte carica spaziale tra l'anoda e la catoda. A causa di questa carica spaziale, tutti gli elettroni ulteriormente emessi vengono respinti indietro alla catoda, e quindi non avviene alcuna emissione. Pertanto, non fluisce corrente nel circuito. Quindi, i diodi a vuoto permettono il flusso di corrente in una sola direzione: dalla catoda all'anoda.

Quando non viene applicata alcuna tensione all'anoda, idealmente, non dovrebbe esserci corrente. Tuttavia, a causa delle fluttuazioni statistiche nella velocità degli elettroni, alcuni elettroni raggiungono comunque l'anoda. Questa piccola corrente è nota come corrente di spruzzo.

Caratteristiche V-I

Le caratteristiche V-I di un diodo a vuoto mostrano la relazione tra la tensione applicata tra l'anoda e la catoda (V) e la corrente che scorre nel circuito (I). Le caratteristiche V-I di un diodo a vuoto sono mostrate di seguito.

La dimensione della carica spaziale dipende da quanti elettroni la catoda emette, il che è influenzato dalla temperatura della catoda e dalla sua funzione di lavoro. La funzione di lavoro è l'energia minima necessaria per rimuovere un elettrone da un metallo. I metalli con funzioni di lavoro inferiori hanno bisogno di meno calore per emettere elettroni, rendendoli più efficienti a questo scopo.

Questa regione delle caratteristiche è chiamata regione di saturazione, come mostrato nella figura. La corrente di saturazione è indipendente dalla tensione dell'anoda e dipende solo dalla temperatura della catoda.

Quando non viene applicata alcuna tensione all'anoda, non dovrebbe esserci corrente nel circuito, ma in realtà c'è una piccola corrente a causa delle fluttuazioni statistiche nella velocità di alcuni elettroni. Alcuni elettroni sono abbastanza energetici da raggiungere l'anoda anche quando non c'è tensione all'anoda. La piccola corrente causata da questo fenomeno è nota come corrente di spruzzo.

Tipi di diodi a vuoto

• Diodo rettificatore

• Diodo rivelatore

• Diodo Zener

• Diodo varattore

• Diodo Schottky

Applicazioni dei diodi a vuoto

• Applicazioni ad alta potenza

• Applicazioni ad alta frequenza

• Applicazioni ad alta temperatura

• Applicazioni audio

Conclusione

Un diodo a vuoto è un tipo di dispositivo elettronico che controlla il flusso di corrente elettrica in un vuoto ad alta pressione tra due elettrodi: una catoda e un'anoda. La catoda emette elettroni quando riscaldata da un filamento o da un riscaldatore indiretto, mentre l'anoda raccoglie gli elettroni dalla catoda. Il diodo a vuoto funziona sul principio dell'emissione termionica e permette il flusso di corrente solo in una direzione: dalla catoda all'anoda.

I diodi a vuoto furono inventati da Sir John Ambrose Fleming nel 1904 e furono ampiamente utilizzati nell'elettronica per la prima metà del XX secolo. Furono essenziali per lo sviluppo della radio, della televisione, del radar, della registrazione e riproduzione del suono, delle reti telefoniche a lunga distanza e dei computer analogici e digitali iniziali. I diodi a vuoto sono stati sostituiti dai diodi semiconduttori in molte applicazioni, a causa della loro dimensione più piccola, del consumo di potenza inferiore, della maggiore affidabilità e del costo inferiore. Tuttavia, i diodi a vuoto vengono ancora utilizzati in alcune aree in cui hanno vantaggi sui dispositivi a stato solido, come applicazioni ad alta potenza, ad alta frequenza, ad alta temperatura e applicazioni audio.

I diodi a vuoto possono essere classificati in base a diversi criteri, come gamma di frequenza, potenza nominale, tipo di catoda/filamento, applicazione, parametri specializzati e funzioni specializzate. Alcuni esempi di tipi di diodi a vuoto sono i diodi rettificatori, i diodi rivelatori, i diodi Zener, i diodi varattori e i diodi Schottky.

Il diodo a vuoto è un dispositivo semplice ma importante che ha giocato un ruolo significativo nella storia e nello sviluppo dell'elettronica. È ancora rilevante oggi per alcune applicazioni che richiedono le sue caratteristiche e prestazioni uniche. Il diodo a vuoto è una testimonianza dell'ingegnosità e dell'innovazione degli ingegneri elettronici e degli scienziati che hanno esplorato le possibilità e i potenziali delle valvole a vuoto.