Wat is een vacuümdiode?

Wat is een vacuümdiode ?

Definitie van een vacuümdiode

Een vacuümdiode is een type elektronisch apparaat dat de stroomstroom in een hoog vacuüm tussen twee elektroden reguleert: een kathode en een anode. De kathode is een metalen cilinder die bedekt is met een materiaal dat elektronen uitstraalt wanneer het verhit wordt, terwijl de anode een holle metalen cilinder is die elektronen van de kathode verzamelt. Het symbool voor de vacuümdiode is hieronder getoond.

De vacuümdiode werd in 1904 uitgevonden door Sir John Ambrose Fleming en was ook bekend als de Fleming-valve of de thermionische valve. Het was de eerste vacuümbuis en de voorloper van andere vacuümbuisapparaten, zoals triodes, tetrodes en pentodes, die in de eerste helft van de 20e eeuw wijdverspreid werden gebruikt in de elektronica. Vacuümdioden waren essentieel voor de ontwikkeling van radio, televisie, radar, gelopname en -weergave, langeafstandstelefoonnetwerken, en analoge en vroege digitale computers.

Werkingsprincipe

De vacuümdiode werkt op basis van het principe van thermionische emissie, waarbij elektronen worden uitgestraald van een verhit metaaloppervlak. Wanneer de kathode wordt verhit, ontsnappen elektronen in het vacuüm. Een positieve spanning op de anode trekt deze elektronen aan, waardoor stroom in één richting van de kathode naar de anode kan stromen.

Als de positieve spanning die op de anode wordt toegepast echter niet voldoende is, kan de anode niet alle elektronen aantrekken die van de kathode worden uitgestraald. Hierdoor blijven sommige elektronen in de ruimte tussen de kathode en de anode hangen, wat een wolk van negatieve lading vormt, genaamd ruimtelading. Deze ruimtelading fungeert als een barrière die verdere emissie van elektronen van de kathode voorkomt en de stroom in het circuit vermindert.

Als de toepaste spanning tussen de anode en de kathode geleidelijk wordt verhoogd, worden steeds meer ruimteladingelektronen naar de anode getrokken en creëren ze lege ruimte voor verdere uitgestraalde elektronen. Dus met de toename van de spanning over de anode en kathode kunnen we de emissiesnelheid van elektronen en dus de stroom in het circuit verhogen.

Op een bepaald moment, wanneer alle ruimtelading door de anodespanning is geneutraliseerd, is er geen obstakel meer voor de elektronemissie van de kathode. Dan begint een straal elektronen vrijelijk van de kathode naar de anode door de ruimte te stromen. Als gevolg hiervan stroomt de stroom van de anode naar de kathode met zijn maximale waarde, die alleen afhankelijk is van de temperatuur van de kathode. Dit wordt verzadigingsstroom genoemd.

Aan de andere kant, als de anode negatief wordt gemaakt ten opzichte van de kathode, vindt er geen elektronemissie plaats omdat het koud is, niet heet. Nu bereiken de uitgestraalde elektronen van de verhitte kathode de anode niet vanwege de afstoting door de negatieve anode. Er zal een sterke ruimtelading zich ophopen tussen de anode en de kathode. Door deze ruimtelading worden alle verdere uitgestraalde elektronen terug naar de kathode gestoten, en er vindt dus geen emissie plaats. Daarom stroomt er geen stroom in het circuit. Dus vacuümdioden laten stroom in slechts één richting toe: van kathode naar anode.

Wanneer er geen spanning op de anode wordt aangebracht, zou er idealiter geen stroom moeten zijn. Echter, door statistische fluctuaties in de elektronensnelheid, bereiken sommige elektronen de anode nog steeds. Deze kleine stroom wordt spattenstroom genoemd.

V-I-kenmerken

De V-I-kenmerken van een vacuümdiode tonen de relatie tussen de toepaste spanning over de anode en de kathode (V) en de stroom die door het circuit stroomt (I). De V-I-kenmerken van een vacuümdiode zijn hieronder getoond.

De grootte van de ruimtelading hangt af van hoeveel elektronen de kathode uitstraalt, wat beïnvloed wordt door de temperatuur en de werkfunctie van de kathode. De werkfunctie is de minimale energie die nodig is om een elektron van een metaal te verwijderen. Metalen met lagere werkfuncties hebben minder hitte nodig om elektronen uit te stralen, waardoor ze efficiënter zijn voor dit doel.

Dit gebied van de kenmerken wordt de verzadigingsregio genoemd, zoals in de figuur te zien is. De verzadigingsstroom is onafhankelijk van de anodespanning en hangt alleen af van de temperatuur van de kathode.

Wanneer er geen spanning op de anode wordt aangebracht, zou er in theorie geen stroom in het circuit moeten zijn, maar in de praktijk is er een kleine stroom door statistische fluctuaties in de snelheid van sommige elektronen. Sommige elektronen hebben voldoende energie om de anode te bereiken, zelfs als er geen spanning op de anode is. De kleine stroom veroorzaakt door dit fenomeen wordt spattenstroom genoemd.

Soorten vacuümdioden

• Gelijkrichterdiode

• Detector-diode

• Zenerdiode

• Varactordiode

• Schottkydiode

Toepassingen van vacuümdioden

• Toepassingen met hoge vermogens

• Toepassingen met hoge frequenties

• Toepassingen bij hoge temperaturen

• Audio-toepassingen

Conclusie

Een vacuümdiode is een type elektronisch apparaat dat de stroomstroom in een hoog vacuüm tussen twee elektroden reguleert: een kathode en een anode. De kathode straalt elektronen uit wanneer hij door een filament of een indirecte verhitter wordt verhit, terwijl de anode elektronen van de kathode verzamelt. De vacuümdiode werkt op basis van het principe van thermionische emissie en laat stroom alleen in één richting toe: van kathode naar anode.

Vacuümdioden werden in 1904 uitgevonden door Sir John Ambrose Fleming en werden in de eerste helft van de 20e eeuw wijdverspreid gebruikt in de elektronica. Ze waren essentieel voor de ontwikkeling van radio, televisie, radar, gelopname en -weergave, langeafstandstelefoonnetwerken, en analoge en vroege digitale computers. Vacuümdioden zijn in de meeste toepassingen vervangen door halfgeleiderdioden, vanwege hun kleinere afmetingen, lagere energieverbruik, hogere betrouwbaarheid en lagere kosten. Echter, vacuümdioden worden nog steeds gebruikt in sommige gebieden waar ze voordelen hebben boven vaste-stofapparaten, zoals toepassingen met hoge vermogens, hoge frequenties, hoge temperaturen en audio-toepassingen.

Vacuümdioden kunnen worden ingedeeld volgens verschillende criteria, zoals frequentiebereik, vermogenswaarde, kathode/filamenttype, toepassing, gespecialiseerde parameters en gespecialiseerde functies. Enkele voorbeelden van types vacuümdioden zijn gelijkrichterdiodes, detectordiodes, Zenerdiodes, varactordiodes en Schottkydiodes.

De vacuümdiode is een eenvoudig maar belangrijk apparaat dat een significante rol heeft gespeeld in de geschiedenis en ontwikkeling van de elektronica. Het is vandaag de dag nog relevant voor sommige toepassingen die zijn unieke kenmerken en prestaties vereisen. De vacuümdiode is een bewijs van de vindingrijkheid en innovatie van elektronica-ingegneren en wetenschappers die de mogelijkheden en potentie van vacuümbuizen hebben verkend.