Диод (электронная лампа)

Электровакуумный диод — электронная лампа с двумя электродами (катод и анод). Разновидность диода. Используется в детекторах (амплитудных или частотных) и в выпрямителях. Высоковольтная разновидность — кенотрон.

История

Принцип действия термионных (электровакуумных) диодов был открыт британским учёным Фредериком Гутри в 1873 году.

Устройство

Обозначение на схемах диода с катодом непрямого накала.

Электровакуумный диод представляет собой стеклянный или металлический баллон, из которого откачан воздух и внутри которого находятся катод и анод. От этих электродов сквозь стенки баллона проходят выводы. Если баллон стеклянный, то выводы впаиваются в стекло. Если же баллон металлический, то выводы выходят через стеклянные или керамические бусинки, впаянные в металл.

Анод имеет один вывод. В зависимости от конструкции выделяют катоды прямого накала и подогревные катоды. Катод прямого накала греется за счёт проходящего через него тока имеет два вывода. Для подогревного катода (который греется за счет близко расположенной нити накала) делают два вывода от подогревающей нити и один от, собственно, катода.

В практических конструкциях диодов анод обычно имеет форму цилиндра или коробки без двух стенок (часто с закругленными углами), окружающей катод. В последнем случае нить имеет вид латинской буквы V или W. При таких конструкциях анодов все излучаемые катодами электроны с одинаковой силой притягиваются анодами.

Для уменьшения нагрева анода его часто снабжают рёбрами или крылышками, которые способствуют лучшему отводу от него тепла.

Принцип работы

При разогреве катода электроны начнут покидать поверхность последнего за счёт термоэлектронной эмиссии. Покинувшие поверхность электроны будут препятствовать вылету других электронов, в результате вокруг катода образуется своего рода облако электронов. Часть электронов с наименьшими скоростями из облака падает обратно на катод. При заданной температуре катода облако стабилизируется: на катод падает столько же электронов, сколько из него вылетает.

При подаче на катод отрицательного напряжения, а на анод — положительного возникает электрическое поле, которое заставляет электроны двигаться от катода к аноду. Тем самым в цепи появляется ток.

Если же на катод подан «+», а на анод «-», электрическое поле препятствует движению электронов, которые покидают катод и ток не течёт.

ВАХ

Вольт-амперная характеристика электровакуумного диода.

Вольт-амперная характеристика электровакуумнуго диода имеет 3 участка:

1. Нелинейный участок. На начальном участке ВАХ ток медленно возрастает при увеличении напряжения на аноде, что объясняется противодействием полю анода объёмного отрицательного заряда электронного облака. По сравнению с током насыщения, анодный ток при U_a = 0 очень мал (и не показан на схеме). Его зависимость от напряжения растет экспоненциально, что обуславливается разбросом начальных скоростей электронов. Для полного прекращения анодного тока необходимо приложить некоторое анодное напряжение меньше нуля, называемое запирающим.
2. Участок закона «трех вторых». Зависимость анодного тока от напряжения характеризуется законом Ленгмюра-Чайльда-Богуславского (так же называемым законом "трех вторых")
3. Участок насыщения. При дальнейшем увеличении напряжения на аноде рост тока замедляется, а затем полностью прекращается так как все электроны, вылетающие из катода, достигают анода. Дальнейшее увеличение анодного тока при данной величине накала невозможно, поскольку для этого нужны дополнительные электроны, а их взять негде, так как вся эмиссия катода исчерпана. Установившейся в этом режиме анодный ток называется током насыщения. Этот участок описывается законом Ричардсона-Дешмана.

$j = AT^2 exp(-{e \phi \over kT})$, где $A={4\pi mek^2 \over h^3}=120 {A \over {cm^2 K^2}}$ - универсальная термоэлектронная постоянная Зоммерфельда.

ВАХ анода зависит от напряжения накала — чем больше накал, тем больше крутизна ВАХ и тем больше ток насыщения. Однако увеличение напряжения накала приводит к уменьшению срока службы лампы.

Основные параметры

К основным параметрам электровакуумнуго диода относятся:

• Крутизна ВАХ: $S={dI_a \over dU_a}$ — изменение анодного тока в мА на 1 В изменения напряжения.
• Дифференциальное сопротивление: $R_i={1 \over S}$
• Максимально допустимое обратное напряжение. При некотором напряжении, приложенном в обратном направлении (тоесть изменена полярность катода и анода), происходит пробой диода — проскакивает искра между катодом и анодом, что сопровождается резким возростанием силы тока.
• Запирающее напряжение — напряжение, необходимое для прекращения тока в диоде.
• Максимально допустимая рассеиваемая мощность.

Крутизна и внутреннее сопротивление являются функциями от анодного напряжения и температуры катода, в пределах участка «трех вторых» они являются постоянными.

Маркировка приборов

Электровакуумные диоды маркируются по такому принципу, как и остальные лампы:

1. Первое число обозначает напряжение накала, округлённое до целого.
2. Второй символ обозначает тип электровакуумного прибора. Для диодов:
   • Д — одинарный диод.
   • Ц — кенотрон (выпрямительный диод)
   • X — двойной диод, то есть содержащий два диода в одном корпусе с общим накалом.
     • МХ — механотрон-двойной диод
     • МУХ — механотрон-двойной диод для измерения углов
3. Следующее число — это порядковый номер разработки прибора.
4. И последний символ — конструктивное выполнение прибора:
   • С — стеклянный баллон диаметром более 24 мм без цоколя либо с октальным (восьмиштырьковым) пластмассовым цоколем с ключом.
   • П — пальчиковые лампы (стеклянный баллон диаметром 19 или 22,5 мм с жёсткими штыревыми выводами без цоколя).
   • Б — миниатюрная серия с гибкими выводами и с диаметром корпуса менее 10мм.
   • А — миниатюрная серия с гибкими выводами и с диаметром корпуса менее 6мм.
   • К — серия ламп в керамическом корпусе.

Если четвертый элемент отсутствует, то это говорит о присутствии металлического корпуса!

Сравнение с полупроводниковыми диодами

По сравнению с полупроводниковыми диодами в электровакуумных диодах отсутствует обратный ток, и они выдерживают более высокие напряжения. Способны кратковременно выдерживать большие перегрузки (полупроводниковые «выгорают» сразу). Стойки к ионизирующим излучениям. Однако они обладают гораздо большими размерами и меньшим КПД.

Литература

1. Клейнер Э. Ю. Основы теории электронных ламп. — М., 1974.
2. Электронные приборы: Учебник для вузов/В. Н. Дулин, Н. А. Аваев, В. П. Демин и др.; Под ред. Г. Г. Шишкина. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 496 с.
3. Физический энциклопедический словарь. Том 5, М. 1966, «Советская энциклопедия»