Побудова та робота вакуумного діода

Головне призначення діодів - випрямлення змінного струму. Іноді діоди застосовуються для генерації шумів, тобто струмів і напруг які безладно змінюються, для обмеження електричних імпульсів і т.д..

Діод має два електроди і розміщений в скляному, металевому чи керамічному балоні з вакуумом. Один електрод - це розжарений катод, що служить для емісії електронів. Інший електрод - анод - приймає електрони, які випромінює катод. Катод і анод вакуумного діода аналогічні емітеру і базі напівпровідникового діода. Анод притягає електрони, якщо він має додатний щодо катода потенціал. Між анодом і катодом утворюється електричне поле, що при додатному потенціалі анода прискорює електрони. Електрони, що вилітають з катода, під дією прискорюючого поля рухаються до анода.

Найпростіший катод виготовляють у вигляді дротика, що розжарюється струмом. Такіі катоди називають катодами прямого чи безпосереднього розжарення. Велике поширення одержав катод непрямого розжарення (підігрівний). Це металевий циліндр, поверхня якого покрита активним шаром, що емітує електрони. Усередині циліндра знаходиться підігрівник у вигляді дротика, який розжарюється струмом. У найбільш розповсюдженій циліндричній конструкції діода (рис.10.1) анод має форму циліндра.

Коло діода з катодом непрямого розжарення показане на рис.10.2. Основним є анодний ланцюг (ланцюг анода). У нього входять анодне джерело E_а і простір між анодом і катодом.

Всі електрони, що вилітають з катода, утворюють струм емісії

(10.1)

де N - число електронів, що вилітають за 1 с; q - заряд електрона.

Між анодом і катодом утворюється від’ємний заряд, який називають об'ємним чи росторовим і який перешкоджає руху електронів до анода. При недостатньому додатному потенціалі анода не всі електрони можуть перебороти дію об'ємного заряду і частина їх повертається на катод.

Електрони, що вийшли з катода і не повернулися, визначають катодний струм (струм катода), який позначають і_к:

(10.2)

де n - число електронів, які вийшли з катода за 1 c і не повернулися.

Рис. 10.1. Циліндрична конструкція електродів діода

Рис. 10.2. Електричне коло діода з катодом непрямого розжарення

Чим вищий потенціал анода, тим більше електронів переборює об'ємний заряд іі надходить до анода, тобто тим більший катодний струм.

Потік електронів, що летять від катода до анода і попадають на анод, називають анодним струмом (струмом анода). Він протікає в анодному ланцюзі і позначається I_а. У діодіі катодний і анодний струми рівні один одному

(10.3)

Анодний струм є головним струмом електронної лампи. Електрони цього струму рухаються усередині лампи від катода до анода, а поза лампою - від анода до плюса анодного джерела, потім усередині нього і від мінуса джерела до катода лампи.

При зміні додатного потенціалу анода змінюється катодний струм і рівний йому анодний струм. У цьому полягає електростатичний принцип керування анодним струмом.

Якщо потенціал анода від’ємний стосовно катода, то поле між анодом і катодом гальмує електрони, що вилітають з катода, і повертає їх на катод. У цьому випадку катодний і і анодний струми дорівнюють нулю.

Основна властивість діода - здатність проводити струм в одному напрямку. Електрони можуть рухатися тільки від розжареного катода до анода, що має додатний потенціал. Якщо ж на аноді від’ємний щодо катода потенціал, то діод зачинений, тобто він розмикає ланцюг. Такий анод відштовхує електрони, а сам він не розжарений і не випускає електронів. Діод має однобічну провідність і подібно напівпровідниковому діоду може випрямляти змінний струм. На відміну від напівпровідникового діода у вакуумному при зворотній напрузі зворотний струм практично відсутній.

В малопотужних діодах, які застосовуються у радіоприймачах або вимірювальній апаратурі, анодний струм складає частки міліампера У більш потужних діодах (кенотронах), що працюють у випрямляючих установках для живлення апаратури, анодний струм досягає сотень міліамперів і більше.

Різниця потенціалів між анодом і катодом називають анодною напругою (напругою анода) і позначають U_a.

У практичних схемах, коли в анодний ланцюг ввімкнене навантаження, на якому падає частина напруги анодного джерела, анодна напруга менша за E_а. Додатна анодна напруга в малопотужних діодів складає частки вольта чи одиниці вольтів. У кенотронів середньої потужності вона досягає десятків вольтів, а в потужних кенотронів сотень вольт і більше.

Прийнято приймати потенціал катода за нульовий, тому що від катода електрони починають свій рух. Потенціал будь-якого електрода визначають відносно катода. У катода прямого розжарення за точку нульового потенціалу приймають мінус джерела розжарення.

Рис.10.3. Спрощені схеми ввімкнення вакуумного діода

Другим ланцюгом діода є ланцюг розжарення. Він складається з джерела E_р і підігрівника (чи катода прямого розжарення). Струм розжарення позначають I_р, а напруга розжарення, тобто напруга між виводами підігрівника (чи катода прямого розжарення), позначають U_р. Напруга розжарення завжди низька і складає переважно одиниці, рідше десятки вольт. Струм розжарення в малопотужних ламп складає десятки міліампер, а в потужних - до десятків і навіть сотень ампер. У багатьох схемах виводи катода з'єднують з корпусом (рис. 10.3, а, б) апаратури.