Что такое вакуумный диод?

Что такое вакуумный диод?

Определение вакуумного диода

Вакуумный диод — это тип электронного устройства, которое управляет потоком электрического тока в высоком вакууме между двумя электродами: катодом и анодом. Катод представляет собой металлический цилиндр, покрытый материалом, который испускает электроны при нагревании, а анод — полый металлический цилиндр, который собирает электроны от катода. Символ вакуумного диода показан ниже.

Вакуумный диод был изобретен сэром Джоном Амброузом Флемингом в 1904 году и также известен как флеминговский клапан или термоэлектронный клапан. Это был первый вакуумный триод и предшественник других вакуумных устройств, таких как триоды, тетроды и пентоды, которые широко использовались в электронике в первой половине 20-го века. Вакуумные диоды были необходимы для развития радио, телевидения, радара, звукозаписи и воспроизведения, дальних телефонных сетей, а также аналоговых и ранних цифровых компьютеров.

Принцип работы

Вакуумный диод работает на принципе термоэмиссии, когда электроны испускаются с нагретой металлической поверхности. Когда катод нагревается, электроны уходят в вакуум. Положительное напряжение на аноде притягивает эти электроны, позволяя току течь от катода к аноду в одном направлении.

Однако, если положительное напряжение, приложенное к аноду, недостаточно, анод не может привлечь все электроны, испущенные катодом, из-за горячего нити. В результате некоторые электроны накапливаются в пространстве между катодом и анодом, образуя облако отрицательного заряда, называемое пространственным зарядом. Пространственный заряд действует как барьер, препятствующий дальнейшему испусканию электронов из катода и снижающий ток в цепи.

Если напряжение между анодом и катодом постепенно увеличивается, все больше и больше электронов пространственного заряда притягиваются к аноду, создавая свободное пространство для новых испущенных электронов. Таким образом, с увеличением напряжения между анодом и катодом можно увеличить скорость испускания электронов и, следовательно, ток в цепи.

В какой-то момент, когда весь пространственный заряд нейтрализуется напряжением анода, нет больше препятствий для испускания электронов из катода. Тогда пучок электронов начинает свободно течь от катода к аноду через пространство. В результате ток течет от анода к катоду с максимальным значением, которое зависит только от температуры катода. Это называется насыщенным током.

С другой стороны, если анод сделан отрицательным относительно катода, нет испускания электронов, так как он холодный, а не горячий. Теперь, испущенные электроны из нагретого катода не достигают анода из-за отталкивания отрицательного анода. Сильный пространственный заряд будет накапливаться между анодом и катодом. Из-за этого пространственного заряда все новые испущенные электроны отталкиваются обратно к катоду, и, следовательно, нет испускания. Поэтому, ток в цепи не течет. Так, вакуумные диоды позволяют току течь только в одном направлении: от катода к аноду.

Когда на анод не подается напряжение, идеально, не должно быть никакого тока. Однако, из-за статистических колебаний скорости электронов, некоторые электроны все же достигают анода. Этот малый ток известен как брызговый ток.

V-I характеристики

V-I характеристики вакуумного диода показывают зависимость между напряжением, приложенным между анодом и катодом (V), и током, протекающим через цепь (I). V-I характеристики вакуумного диода показаны ниже.

Размер пространственного заряда зависит от того, сколько электронов испускает катод, что определяется температурой катода и его работой функции. Работа функции — это минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из металла. Металлы с более низкой работой функции требуют меньшего тепла для испускания электронов, что делает их более эффективными для этой цели.

Этот участок характеристик называется областью насыщения, как показано на рисунке. Насыщенный ток не зависит от напряжения анода и зависит только от температуры катода.

Когда на анод не подается напряжение, в цепи не должно быть никакого тока, но на самом деле, есть малый ток из-за статистических колебаний скорости некоторых электронов. Некоторые электроны достаточно энергичны, чтобы достичь анода, даже когда на аноде нет напряжения. Малый ток, вызванный этим явлением, известен как брызговый ток.

Типы вакуумных диодов

• Диод выпрямителя

• Детекторный диод

• Диод Зенера

• Варикап

• Шоттки диод

Применение вакуумных диодов

• Высокомощные применения

• Высокочастотные применения

• Применения при высоких температурах

• Аудиоприменения

Заключение

Вакуумный диод — это тип электронного устройства, которое управляет потоком электрического тока в высоком вакууме между двумя электродами: катодом и анодом. Катод испускает электроны, когда нагревается нитью или косвенным нагревателем, а анод собирает электроны от катода. Вакуумный диод работает на принципе термоэмиссии и позволяет току течь только в одном направлении: от катода к аноду.

Вакуумные диоды были изобретены сэром Джоном Амброузом Флемингом в 1904 году и широко использовались в электронике в первой половине 20-го века. Они были необходимы для развития радио, телевидения, радара, звукозаписи и воспроизведения, дальних телефонных сетей, а также аналоговых и ранних цифровых компьютеров. Вакуумные диоды были заменены полупроводниковыми диодами во многих применениях из-за их меньших размеров, меньшего потребления энергии, большей надежности и меньшей стоимости. Однако, вакуумные диоды до сих пор используются в некоторых областях, где они имеют преимущества перед твердотельными устройствами, такими как высокомощные, высокочастотные, высокотемпературные и аудиоприменения.

Вакуумные диоды можно классифицировать по различным критериям, таким как частотный диапазон, мощность, тип катода/нити, применение, специализированные параметры и специализированные функции. Некоторые примеры типов вакуумных диодов: диоды выпрямители, детекторные диоды, диоды Зенера, варикапы и диоды Шоттки.

Вакуумный диод — это простое, но важное устройство, которое сыграло значительную роль в истории и развитии электроники. Он до сих пор актуален для некоторых применений, требующих его уникальных характеристик и производительности. Вакуумный диод является свидетельством изобретательности и инноваций электронных инженеров и ученых, которые исследовали возможности и потенциал вакуумных ламп.