Що таке вакуумний діод?

Що таке вакуумний діод?

Визначення вакуумного діода

Вакуумний діод — це тип електронного пристрою, який керує потоком електричного струму у високому вакуумі між двома електродами: катодом і анодом. Катод — це металевий циліндр, покритий матеріалом, який виділяє електрони при нагріванні, тоді як анод — порожній металевий циліндр, який збирає електрони з катоду. Символ вакуумного діода показано нижче.

Вакуумний діод був винайдений сіром Джоном Амброузом Флемінгом у 1904 році і також відомий як клапан Флемінга або термоелектронний клапан. Це був перший вакуумний ламповий прилад і попередник інших вакуумних лампових пристроїв, таких як триоди, тетроди та пентоди, які широко використовувалися в електроніці протягом першої половини 20-го століття. Вакуумні діоди були необхідними для розвитку радіо, телевізії, радарів, запису та відтворення звуку, довговідстанних телефонних мереж, аналогових та ранніх цифрових комп'ютерів.

Принцип роботи

Вакуумний діод працює на принципі термоелектронної емісії, коли електрони виділяються з нагрітої металевої поверхні. Коли катод нагрівається, електрони втекають у вакуум. Позитивне напруга на аноді притягує ці електрони, дозволяючи струму протікати від катоду до аноду в одному напрямку.

Однак, якщо позитивна напруга, застосована до аноду, недостатньо велика, анод не може притягнути всі електрони, виділені з катоду через гарячу ніть. В результаті деякі електрони накопичуються в просторі між катодом і анодом, формуючи хмару негативного заряду, відому як просторовий заряд. Просторовий заряд діє як бар'єр, що запобігає подальшій емісії електронів з катоду і зменшує потік струму в контурі.

Якщо застосована напруга між анодом і катодом поступово збільшується, все більше електронів просторового заряду притягується до аноду, створюючи вільні місця для подальшого виділення електронів. Тому зі зростанням напруги між анодом і катодом ми можемо збільшити швидкість емісії електронів і, відповідно, потік струму в контурі.

На певному етапі, коли весь просторовий заряд нейтралізується напругою аноду, немає більше перешкод для емісії електронів з катоду. Тоді потік електронів починає вільно протікати від катоду до аноду через простір. В результаті струм протікає від аноду до катоду максимальним значенням, яке залежить лише від температури катоду. Це називається насыщений струм.

З іншого боку, якщо анод робиться негативним відносно катоду, немає емісії електронів з нього, оскільки він холодний, а не гарячий. Тепер, електрони, виділені з нагрітого катоду, не досягають аноду через відштовхування від негативного аноду. Сильний просторовий заряд буде накопичений між анодом і катодом. Через цей просторовий заряд, всі подальші виділені електрони відштовхуються назад до катоду, і тому не відбувається емісія. Тому, струм не протікає в контурі. Отже, вакуумні діоди дозволяють струму протікати лише в одному напрямку: від катоду до аноду.

Коли на анод не застосовується напруга, ідеально, не повинно бути струму. Однак, через статистичні флуктуації швидкості електронів, деякі електрони все ж досягають аноду. Цей невеликий струм відомий як розбіжний струм.

V-I характеристики

V-I характеристики вакуумного діода показують зв'язок між напругою, застосованою між анодом і катодом (V), і струмом, що протікає через контур (I). V-I характеристики вакуумного діода показано нижче.

Розмір просторового заряду залежить від того, скільки електронів виділяє катод, що залежить від температури катоду та його робочої функції. Робоча функція — це мінімальна енергія, необхідна для видалення електрона з металу. Метали з нижчою робочою функцією потребують менше тепла для виділення електронів, що робить їх більш ефективними для цього призначення.

Цей регіон характеристик називається насыщеним регіоном, як показано на рисунку. Насичений струм не залежить від напруги аноду і залежить лише від температури катоду.

Коли на анод не застосовується напруга, в контурі не повинно бути струму, але насправді, є невеликий струм через статистичні флуктуації швидкості деяких електронів. Деякі електрони мають достатньо енергії, щоб досягти аноду, навіть коли на аноді немає напруги. Невеликий струм, спричинений цим явищем, відомий як розбіжний струм.

Типи вакуумних діодів

• Діод-прямопровідник

• Діод-детектор

• Діод Зенера

• Варакторний діод

• Діод Шотткі

Застосування вакуумних діодів

• Високопотужні застосування

• Високочастотні застосування

• Високотемпературні застосування

• Аудіозастосування

Висновок

Вакуумний діод — це тип електронного пристрою, який керує потоком електричного струму у високому вакуумі між двома електродами: катодом і анодом. Катод виділяє електрони, коли нагрівається нітью або опосередкованим нагрівачем, тоді як анод збирає електрони з катоду. Вакуумний діод працює на принципі термоелектронної емісії і дозволяє струму протікати лише в одному напрямку: від катоду до аноду.

Вакуумні діоди були винайдені сіром Джоном Амброузом Флемінгом у 1904 році і широко використовувались в електроніці протягом першої половини 20-го століття. Вони були необхідними для розвитку радіо, телевізії, радарів, запису та відтворення звуку, довговідстанних телефонних мереж, аналогових та ранніх цифрових комп'ютерів. Вакуумні діоди були замінені напівпровідниковими діодами у більшості застосувань через їх менший розмір, нижче споживання енергії, вищу надійність та нижчу вартість. Однак, вакуумні діоди все ще використовуються в деяких областях, де вони мають переваги над твердотільними пристроями, такими як високопотужні, високочастотні, високотемпературні та аудіозастосування.

Вакуумні діоди можуть бути класифіковані за різними критеріями, такими як діапазон частот, потужність, тип катоду/ніті, застосування, спеціалізовані параметри та спеціалізовані функції. Деякі приклади типів вакуумних діодів — діоди-прямопровідники, діоди-детектори, діоди Зенера, варакторні діоди та діоди Шотткі.

Вакуумний діод — це простий, але важливий пристрій, який грає значну роль у історії та розвитку електроніки. Він все ще актуальний сьогодні для деяких застосувань, які вимагають його унікальні характеристики та продуктивність. Вакуумний діод є свідченням винахідливості та інновацій електронних інженерів та науковців, які досліджували можливості та потенціал вакуумних ламп.