Vad är en vakuumdiod?

Vad är en vakuumdiod?

Definition av vakuumdiod

En vakuumdiod är en typ av elektronisk enhet som kontrollerar strömförsörjningen i ett högt vakuum mellan två elektroder: en katod och en anod. Katoden är en metallcylinder som är belagd med ett material som emitterar elektroner när den upphettas, medan anoden är en hohl metallcylinder som samlar in elektroner från katoden. Symbolen för vakuumdioden visas nedan.

Vakuumdioden uppfinnades av Sir John Ambrose Fleming 1904 och var också känd som Flemings ventil eller termionventilen. Det var den första vakuumrören och föregångaren till andra vakuumröre, som trioder, tetroder och pentoder, som användes omfattande inom elektronik under det första halvåret av 1900-talet. Vakuumdioder var avgörande för utvecklingen av radio, television, radar, ljudinspelning och reproduktion, långdistans-telefoninät, samt analoga och tidiga digitala datorer.

Arbetsprincip

Vakuumdioden fungerar enligt principen om termionemission, där elektroner emitteras från en upphettad metall yta. När katoden upphettas flyttar elektroner ut i vakuumet. En positiv spänning på anoden drar dessa elektroner, vilket gör att ström flödar från katoden till anoden i en riktning.

Om den positiva spänningen som appliceras på anoden inte är tillräcklig, kan anoden inte dra alla elektroner som emitteras från katoden pga den upphettade filamen. Som ett resultat ackumulerar vissa elektroner sig i rymden mellan katoden och anoden, bildar en moln av negativ laddning kallat rymdladdning. Rymdladdningen fungerar som en barriär som hindrar ytterligare emittens av elektroner från katoden och minskar strömförsörjningen i kretsen.

Om den applicerade spänningen mellan anoden och katoden gradvis ökar, dras allt fler rymdelektroner till anoden och skapar ledigt utrymme för ytterligare emitterade elektroner. Så genom att öka spänningen över anoden och katoden, kan vi öka utsläppsraten av elektroner och därför strömförsörjningen i kretsen.

När all rymdladdning neutraliseras av anodspänningen finns det inget mer hinder för elektronutsläpp från katoden. Då börjar en stråle av elektroner flyta fritt från katoden till anoden genom rymden. Som ett resultat flödar ström från anoden till katoden vid sin maximala värde, som beror endast på temperaturen hos katoden. Detta kallas mättnadsström.

Å andra sidan, om anoden görs negativ i förhållande till katoden, finns det ingen elektronemission från den eftersom den är kall, inte varm. Nu når de emitterade elektronerna från den upphettade katoden inte anoden pga repulsionen från den negativa anoden. En stark rymdladdning ackumuleras mellan anoden och katoden. På grund av denna rymdladdning återstudsas alla ytterligare emitterade elektroner tillbaka till katoden, och därför inträffar ingen emission. Därför flödar ingen ström i kretsen. Så vakuumdioder tillåter strömflöde endast i en riktning: från katod till anod.

När ingen spänning appliceras på anoden, borde det idealiskt sett inte finnas någon ström. Men pga statistiska variationer i elektronhastighet når fortfarande vissa elektroner anoden. Denna små ström kallas splash-ström.

V-I Karakteristik

V-I karaktär av en vakuumdiod visar relationen mellan spänningen som appliceras över anoden och katoden (V) och strömmen som flyter genom kretsen (I). V-I karaktär av en vakuumdiod visas nedan.

Storleken på rymdladdningen beror på hur många elektroner katoden emitterar, vilket påverkas av katodens temperatur och arbetsfunktion. Arbetsfunktionen är den minsta energi som behövs för att ta bort en elektron från en metall. Metaller med lägre arbetsfunktioner behöver mindre värme för att emittera elektroner, vilket gör dem mer effektiva för detta ändamål.

Denna region av karaktären kallas mättnadsregionen, som visas i figuren. Mättnadsströmmen är oberoende av anodspänningen och beror endast på katodens temperatur.

När ingen spänning appliceras på anoden, borde det inte finnas någon ström i kretsen, men i verkligheten finns det en liten ström pga statistiska variationer i hastigheten hos vissa elektroner. Vissa elektroner har tillräckligt med energi för att nå anoden även när det inte finns någon spänning på anoden. Den lilla strömmen orsakad av detta fenomen kallas splash-ström.

Typer av vakuumdioder

• Rektifieringsdiod

• Detektor-diod

• Zener-diod

• Varactor-diod

• Schottky-diod

Användningsområden för vakuumdioder

• Hög-effekt applikationer

• Högfrekvens applikationer

• Högtemperatur applikationer

• Ljudapplikationer

Slutsats

En vakuumdiod är en typ av elektronisk enhet som kontrollerar strömförsörjningen i ett högt vakuum mellan två elektroder: en katod och en anod. Katoden emitterar elektroner när den upphettas av en filament eller en indirekt värmare, medan anoden samlar in elektroner från katoden. Vakuumdioden fungerar enligt principen om termionemission och tillåter strömflöde endast i en riktning: från katod till anod.

Vakuumdioder uppfinnades av Sir John Ambrose Fleming 1904 och användes omfattande inom elektronik under det första halvåret av 1900-talet. De var avgörande för utvecklingen av radio, television, radar, ljudinspelning och reproduktion, långdistans-telefoninät, samt analoga och tidiga digitala datorer. Vakuumdioder har ersatts av halvledardioder i de flesta applikationer, pga deras mindre storlek, lägre energiförbrukning, högre tillförlitlighet och lägre kostnad. Trots detta används vakuumdioder fortfarande i vissa områden där de har fördelar jämfört med fasta tillstånds-enheter, som hög-effekt, högfrekvens, högtemperatur och ljudapplikationer.

Vakuumdioder kan klassificeras enligt olika kriterier, som frekvensintervall, effektklass, katod/filamenttyp, applikation, specialiserade parametrar och specialiserade funktioner. Några exempel på typer av vakuumdioder är rektifieringsdioder, detektor-dioder, zener-dioder, varactor-dioder och Schottky-dioder.

Vakuumdioden är en enkel men viktig enhet som spelat en betydande roll i historien och utvecklingen av elektronik. Den är fortfarande relevant idag för vissa applikationer som kräver dess unika egenskaper och prestanda. Vakuumdioden är ett bevis på elektroningenjörers och forskarnas genialitet och innovation, som utforskat möjligheterna och potentialen hos vakuumröre.