Электровакуумный диод

Общая информация

Электровакуумный диод — это простейший электронный прибор, содержащий два электрода: катод и анод. Основная его задача заключается в односторонней проводимости тока, что достигается благодаря процессу термоэлектронной эмиссии.

Конструкция диода представляет собой герметичный стеклянный или металлический баллон, из которого удалён воздух и создан высокий вакуум. Наличие вакуума необходимо для того, чтобы электроны могли свободно перемещаться от катода к аноду без столкновений с молекулами газа.

Катод выполняют в виде тонкой нити или цилиндра, разогреваемого электрическим током. При нагреве поверхность катода начинает испускать электроны. Существует два типа катодов: прямого накала, когда нагрев осуществляется самой эмитирующей нитью, и косвенного накала, где используется отдельная нагревательная спираль, изолированная от катода.

Анод выполняется в форме металлического цилиндра или пластины, расположенной вокруг катода. Он собирает электроны, испускаемые катодом, и благодаря этому через диод протекает ток только в одном направлении — от катода к аноду. Для предотвращения перегрева анод нередко снабжают охлаждающими элементами — пластинами или ребрами.

Выводы катода и анода подведены к цоколю лампы, что обеспечивает удобство её включения в электрическую схему.

На схеме под цифрой 1 обозначен баллон лампы, под цифрой 2 — нагреваемый катод, а под цифрой 3 — цилиндрический анод. Баллон служит герметичной оболочкой, внутри которой поддерживается высокий вакуум.

Конструкция диода достаточно проста: он не имеет управляющих электродов (сеток), в отличие от более сложных электронных ламп, таких как триоды, тетрод и пентоды. Поэтому диод относят к классу двухэлектродных ламп, включающих в себя лишь баллон, катод и анод.

Принцип действия

Когда катод нагревается до высокой температуры, его поверхность начинает испускать электроны — этот процесс называется термоэлектронной эмиссией. Вокруг катода образуется облако свободных электронов.

Если к аноду приложить положительный потенциал относительно катода, возникает электрическое поле, которое притягивает часть этих электронов к аноду. В результате через лампу протекает анодный ток. При обратной полярности, когда анод имеет отрицательный потенциал, электроны не могут достигнуть анода и возвращаются на катод, поэтому ток практически отсутствует.

Диод проводит ток только в одном направлении — от катода к аноду при положительном напряжении на аноде. При обратном напряжении он остаётся закрытым и способен выдерживать его до определённого значения, называемого обратным пробоем.

Главное свойство электровакуумного диода — односторонняя проводимость. Именно благодаря этому он применяется в выпрямителях: при подаче переменного напряжения ток проходит через диод только в положительный полупериод, а в отрицательный — цепь разрывается. В результате переменный ток преобразуется в пульсирующий постоянный.

Вольт–амперные характеристики

Зависимость анодного тока от напряжения между анодом и катодом называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) электровакуумного диода. Эта характеристика имеет несколько характерных участков.

При малых положительных напряжениях ток на аноде увеличивается очень слабо, так как облако электронов около катода (пространственный заряд) препятствует их движению к аноду. С ростом напряжения наступает участок, где анодный ток начинает быстро возрастать и подчиняется закону «трёх вторых степеней» (закон Лангмюра–Брэгга–Чайлда): $I_a \propto U_a^{3/2}$

На этом отрезке характеристика показывает зависимость тока от приложенного напряжения при ограничении током пространственного заряда.

При дальнейшем увеличении напряжения наступает область насыщения: все электроны, испускаемые катодом, достигают анода, и ток перестаёт расти, выходя на практически постоянное значение.

На ВАХ диода можно выделить три области: отсечку, где ток отсутствует или близок к нулю при отрицательных напряжениях на аноде; область действия закона $\text{3/23/23/2}$, где ток резко увеличивается при росте напряжения; и область насыщения, где ток достигает предела, определяемого эмиссией катода.

На рисунке представлена схематическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) вакуумного диода. Синяя кривая отражает экспериментальные данные, а красная пунктирная линия показывает теоретическую зависимость, рассчитанную по закону трёх вторых степеней.

По горизонтальной оси отложено анодное напряжение $U_a$​ относительно катода, по вертикальной — анодный ток $I_a$​. Из графика видно, что при $U_a > 0$ ток быстро возрастает, а при отрицательных значениях напряжения ($U_a < 0$) остаётся равным нулю, что соответствует области отсечки.

Важной характеристикой диода является крутизна ВАХ, которая определяется производной $\frac{dI_a}{dU_a}$ и показывает, как быстро изменяется ток при изменении анодного напряжения. Значение этого параметра напрямую зависит от температуры катода: при более высоком нагреве эмиссия возрастает, и кривая смещается вверх.

Применение

Благодаря способности пропускать ток только в одном направлении электровакуумный диод стал основным элементом выпрямительных схем. Простейший выпрямитель получается при последовательном включении диода с нагрузкой: при этом переменное напряжение на входе преобразуется в пульсирующее постоянное на выходе.

Исторически диоды широко применялись в источниках питания радиоприёмников, телевизоров и другой радиоэлектронной аппаратуры, где они преобразовывали переменный ток сети в постоянный. Вакуумные диоды использовались в детекторных контурах радиоприёмников для выделения амплитудно модулированного сигнала.

С ростом мощностей появились специальные разновидности ламповых диодов — тиратроны, керотроны и другие приборы, которые применялись как высоковольтные переключатели и вентильные элементы в импульсной и СВЧ-технике.

Хотя в настоящее время вакуумные диоды практически полностью вытеснены полупроводниковыми приборами, их изучение по-прежнему важно в курсе электроники. Они позволяют наглядно понять основы выпрямления, термоэлектронной эмиссии и работы электронных ламп, что делает их ценным учебным материалом для студентов и начинающих инженеров.