Введение
Электровакуумный диод, или двухэлектродная электронная лампа, состоит из катода и анода, которые размещены в стеклянном, металлическом или металлокерамическом баллоне.
Существует два типа электровакуумных диодов — диоды с прямым накалом и косвенным накалом. Условные графические обозначения и конструкция приведены на рис. 1.
Слева - диод с косвенным накалом, справа - диод с прямым накалом
Прямонакальные катоды
Изготавливают из тонкой вольфрамовой проволоки или ленты, которую закрепляют в массивных держателях, подсоединяемых к источнику тока накала.
Подогревные катоды
(косвенного накала) содержат подогреватель и собственно катод, изготовленный в виде металлического цилиндра с поверхностью, активированной материалами с малой работой выхода.
Принцип действия
Катод в лампе выполняет функцию источника свободных носителей заряда (электронов). При протекании через катод тока накала поверхность катода разогревается до температуры 950-2650 °C, в результате чего за счет термоэлектронной эмиссии у катода образуются свободные электроны (объемный пространственный заряд).
Аноды изготавливают из тугоплавких, обладающих хорошей теплопроводностью материалов (никель, молибден, титан и др.) в виде цилиндра или короба. В электронной лампе анод служит для создания направленного потока и приема электронов, испускаемых катодом.
Баллон электровакуумных ламп изготавливают из стекла, металла или керамики. Внутри баллона поддерживается глубокий вакуум \(10^{-5} - 10^{-7}\) мм рт. ст.).
Принцип действия электровакуумного диода основывается на законе движения электрона в электрическом поле.
Если к аноду диода подключить минус, а к катоду плюс источника питания, то электрическое поле между анодом и катодом оказывает на электроны тормозящее действие и возвращает их на катод. В этом случае в цепи анода ток не протекает. Такое включение диода называют обратным.
Если напряжение анода положительно, то испускаемые катодом электроны движутся к аноду, замыкая электрическую цепь анодного питания и обусловливают протекание анодного тока \(I_a\).
Увеличение напряжения на аноде приводит к росту числа электронов, попадающих на анод, что сопровождается ростом анодного тока. Этот процесс будет выполняться до тех пор, пока будет существовать объемный пространственный заряд около катода. Поэтому этот режим называют режимом пространственного заряда. Для режима пространственного заряда зависимость тока анода от анодного напряжения определяется законом степени трех вторых:
где \(G_d\) — коэффициент пропорциональности (первеанс диода), значение которого зависит от конструктивных размеров диода;
\(I_a\) — ток анода;
\(U_a\) — напряжение на аноде.
При \(U_a > U_{нас}\) все испускаемые катодом электроны попадают на анод. Дальнейшее увеличение напряжения приводит лишь к возрастанию скорости движения электронов к аноду. Такой режим работы диода называют режимом насыщения, он особенно проявляется у ламп с вольфрамовым катодом. В диодах с оксидным или другим катодом режим насыщения проявляется слабо.
Это объясняется, во-первых, дополнительным разогревом катода за счет протекающего по нему тока лампы и, во-вторых, увеличением тока эмиссии под влиянием внешнего ускоряющего поля (эффект Шотки).
Таким образом, главная особенность диода заключается в его односторонней проводимости.
На вольт-амперной характеристике электровакуумного диода можно выделить три области, соответствующие различным режимам работы: область отсечки (ОО) соответствует обратному включению диода; область пространственного заряда (ОПЗ); область насыщения (ОН).
Параметры электровакуумного диода
К параметрам электровакуумного диода относятся:
| Параметр | Описание | Типичные значения |
|---|---|---|
| 1. Максимально допустимое прямое напряжение на диоде \(U_{пр.max}\) | Напряжение, которое можно приложить к диоду в прямом направлении | Десятки - сотни В |
| 2. Максимально допустимый ток диода \(I_{пр.max}\) | Максимальный ток, который может протекать через диод | Сотни мА - десятки А |
| 3. Максимально допустимое обратное напряжение \(U_{обр.max}\) | Напряжение, которое можно приложить к диоду в обратном направлении | Сотни В - десятки кВ |
| 4. Напряжение накала \(U_н\) | Напряжение, необходимое для нагрева катода | 1-10 В |
| 5. Междуэлектродная емкость \(C_{ак}\) | Емкость между анодом и катодом | Доли - десятки пФ |
| 6. Сопротивление диода постоянному току \(R_0\) | Сопротивление диода в рабочей точке | \(R_0 = \frac{U_a}{I_a}\) |
| 7. Максимально допустимая мощность, выделяемая на аноде \(P_{a\ max}\) | Максимальная мощность, которую может рассеивать анод | Единицы - сотни Вт |
Дифференциальные параметры:
Математическая модель диода
В общем случае ток и напряжение в электровакуумном диоде связаны нелинейной зависимостью. В режиме пространственного заряда зависимость анодного тока от анодного напряжения выражается законом степени трех вторых:
где \(G_d\) — первеанс диода;
\(I_k\) — ток катода;
\(U_a\) — напряжение на аноде.
Последнее соотношение представляет собой математическую модель идеального электровакуумного диода.
Применение диодов основано на использовании нелинейности их характеристики. Наиболее широкое применение электровакуумные диоды получили при выпрямлении переменного тока.
Кенотроны
Диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока низкой частоты и используемые в источниках электропитания.
Детекторные диоды
Диоды, предназначенные для выпрямления (детектирования) токов высокой частоты, используемые в радиоприемных устройствах и измерительной аппаратуре.
Диоды работают также в качестве смесителей и умножителей частоты, подавителей паразитных колебаний (демпферные диоды) и выполняют многие другие функции.
Перспективы электровакуумных ламп
1. СВЧ-техника высочайшей мощности (Силовая электроника СВЧ-диапазона)
Это самое главное и безальтернативное применение современных электровакуумных приборов.
Проблема полупроводников: На сверхвысоких частотах (гигагерцы и выше) и при требовании огромных мощностей (десятки и сотни киловатт) полупроводниковые приборы (транзисторы) сталкиваются с фундаментальными физическими ограничениями: нагрев, пробой, небольшая скорость носителей заряда.
Преимущество ламп: В вакууме электроны движутся практически без препятствий, что позволяет создавать приборы, эффективно генерирующие и усиливающие колоссальную мощность в СВЧ-диапазоне.
Перспектива: Это направление будет только развиваться. Запросы на более мощные радары, развитие термоядерной энергетики и научных исследований гарантируют continued demand и дальнейшие исследования в области вакуумной электроники.
2. Высококлассная аудиоаппаратура (Hi-End и гитарная техника)
Рынок лампового Hi-Fi и гитарной аппаратуры будет существовать столько, сколько будут живы меломаны и музыканты, ценящие этот специфический звук. Это уже вопрос аудиокультуры, а не pure technology.
3. Космическая и радиационно-стойкая электроника
Устойчивость к радиации: Электровакуумные приборы, по своей природе, гораздо более устойчивы к воздействию радиации и электромагнитных импульсов (ЭМИ), чем полупроводниковые. Ионизирующее излучение создаёт паразитные токи в полупроводниках, выводя их из строя, а в вакууме этому воздействовать практически не на что.
Применение: Это делает их потенциально привлекательными для применения в:
- Космических аппаратах, работающих в радиационных поясах Земли или в дальнем космосе.
- Военной технике, которая должна сохранять работоспособность в условиях применения ядерного оружия (электромагнитный импульс).
Перспектива: Хотя здесь полупроводники также развиваются (создаются специальные радиационно-стойкие чипы), вакуумные приборы остаются "последним аргументом" в самых экстремальных условиях. Исследования в этом направлении продолжаются.
4. Нанотехнологии и новые материалы (Полевая эмиссия)
Создание микроскопических вакуумных каналов (нанотрубок или острийков) на кремниевой подложке, где электроны tunnelling из катода в анод без необходимости их нагрева (холодные катоды).
