Kaj je vakuumski diod?

Kaj je vakuumna dioda?

Definicija vakuumne diode

Vakuumna dioda je vrsta elektronske naprave, ki kontrolira pretok električnega toka v visokem vakuumu med dvema elektrodama: katodom in anodom. Katoda je metalni valj, pokrit s snovjo, ki emitira elektrone, ko je segrevan, medtem ko je anoda prazni metalni valj, ki zbirja elektrone s katode. Simbol vakuumne diode je prikazan spodaj.

Vakuumno diodo je leta 1904 izumil Sir John Ambrose Fleming in jo je tudi poznali kot Flemingovo ventilno napravo ali termionično ventilno napravo. To je bila prva vakuumna cev in predhodnik drugih vakuumnih cevov, kot so triodi, tetrodi in pentodi, ki so bili široko uporabljani v elektroniki v prvih polovicah 20. stoletja. Vakuumne diode so bile ključne za razvoj radija, televizije, radarja, snemanja in reprodukcije zvoka, dolgočasnih telefonskih omrežij ter analognih in zgodnjih digitalnih računalnikov.

Načelo delovanja

Vakuumna dioda deluje na načelu termionične emisije, kjer se elektroni emitirajo iz segrejanega metalnega površja. Ko je katoda segrejena, elektroni uide v vakuum. Pozitivna napetost na anodi privablja te elektrone, kar omogoča pretok toka od katode do anode v eni smeri.

Če pa pozitivna napetost, ki je priključena anodi, ni dovolj močna, anoda ne more privabiti vseh elektronov, ki jih emitira katoda zaradi segrejanja. Tako se nekateri elektroni nagromadijo v prostoru med katodo in anodo, oblikujejo oblak negativnega naboja, imenovan prostorski naboj. Prostorski naboj deluje kot prepreka, ki preprečuje nadaljnjo emisijo elektronov s strani katode in zmanjša pretok toka v vezju.

Če se postopoma poveča napetost med anodo in katodo, vedno več prostorskih elektronov je pritegnjenih k anodi in ustvarjajo prazni prostor za nadaljnje emitirane elektrone. Zato lahko s povečevanjem napetosti med anodo in katodo povečamo stopnjo emisije elektronov in tako tudi pretok toka v vezju.

V nekem trenutku, ko je vsega prostorskega naboja neutraliziral napetost anode, ni več nobene ovire za emisijo elektronov s strani katode. Potem se zganja svetlobni žarek elektronov, ki se prosto pretaka od katode do anode skozi prostor. Tako tok teče od anode do katode na svoji največji vrednosti, ki je odvisna le od temperature katode. To imenujemo nasitni tok.

Na drugi strani, če je anoda negativna glede na katodo, ni emisije elektronov, ker je hladna, ne segrejena. Sedaj emirani elektroni s segrejeno katodo ne dosežejo anode zaradi odpornosti negativne anode. Močan prostorski naboj se nagromadi med anodo in katodo. Zaradi tega prostorskega naboja so vsi nadaljnji emirani elektroni odbiti nazaj na katodo, zato se emisija ne zgodi. Zato tok v vezju ne teče. Torej vakuumne diode omogočajo tok le v eni smeri: od katode do anode.

Ko ni napetosti priključene anodi, bi v idealnem primeru moralo biti brez toka. Vendar zaradi statističnih fluktuacij hitrosti elektronov, nekateri elektroni še vedno dosežejo anodo. Ta majhen tok je znana kot pliskana struja.

V-I karakteristike

V-I karakteristike vakuumne diode kažejo odnos med napetostjo, ki je priključena med anodo in katodo (V), in tokom, ki teče skozi vezje (I). V-I karakteristike vakuumne diode so prikazane spodaj.

Velikost prostorskega naboja je odvisna od tega, koliko elektronov emitira katoda, kar je vplivano na temperaturo katode in funkcijo dela. Funkcija dela je minimalna energija, potrebna za odstranitev elektrona iz metala. Metale z manjšo funkcijo dela potrebujejo manj toplote za emisijo elektronov, kar jih naredi bolj učinkovite za ta namen.

Ta območje karakteristik se imenuje območje nasitnosti, kot je prikazano na sliki. Nasitni tok je neodvisen od napetosti anode in je odvisen le od temperature katode.

Ko ni napetosti priključene anodi, ne bi smel biti noben tok v vezju, vendar v resnici obstaja majhen tok zaradi statističnih fluktuacij hitrosti nekaterih elektronov. Nekateri elektroni so dovolj energični, da dosežejo anodo, celo ko ni napetosti na anodi. Majhen tok, ki ga povzroči ta pojav, je znana kot pliskana struja.

Vrste vakuumnih diod

• Rectifier dioda

• Detektor dioda

• Zener dioda

• Varactor dioda

• Schottky dioda

Uporaba vakuumnih diod

• Uporaba pri visokih močeh

• Uporaba pri visokih frekvencah

• Uporaba pri visokih temperaturah

• Uporaba v avdio aplikacijah

Zaključek

Vakuumna dioda je vrsta elektronske naprave, ki kontrolira pretok električnega toka v visokem vakuumu med dvema elektrodama: katodom in anodom. Katoda emitira elektrone, ko je segrejena z filamentom ali posrednim segrevanjem, medtem ko anoda zbirja elektrone s katode. Vakuumna dioda deluje na načelu termionične emisije in omogoča tok samo v eni smeri: od katode do anode.

Vakuumne diode so bile izumljene leta 1904 sicerjem Johnom Ambroseom Flemingom in so bile široko uporabljane v elektroniki v prvih polovicah 20. stoletja. Bile so ključne za razvoj radija, televizije, radarja, snemanja in reprodukcije zvoka, dolgočasnih telefonskih omrežij in analognih in zgodnjih digitalnih računalnikov. Vakuumne diode so bile v večini aplikacij zamenjane s polprevodniškimi diodami zaradi manjše velikosti, manjše porabe energije, višje zanesljivosti in nižje cene. Vendar so vakuumne diode še vedno uporabljane v nekaterih področjih, kjer imajo prednosti pred pevnimi napravami, kot so visoke moči, visoke frekvence, visoke temperature in avdio aplikacije.

Vakuumne diode se lahko razvrščajo glede na različne kriterije, kot so frekvenčni obseg, močna ocenjava, tip katode/filamenta, uporaba, specializirani parametri in specializirane funkcije. Neke vrste vakuumnih diod so rectifier diode, detektor diode, zener diode, varactor diode in Schottky diode.

Vakuumna dioda je preprosta, a pomembna naprava, ki je igrala ključno vlogo v zgodovini in razvoju elektronike. Še danes je relevantna za nekatere aplikacije, ki zahtevajo njene edinstvene značilnosti in zmogljivosti. Vakuumna dioda je dokaz umetnosti in inovativnosti elektronskih inženirjev in znanstvenikov, ki so raziskovali možnosti in potencial vakuumnih cevov.