Для чего обеспечивается вакуум в подобных диодах

Все что нужно знать о вакуумном диоде

Собирая различные электрические приборы в своей домашней лаборатории, многие люди не только экономят деньги на приобретении новой техники, но и чинят вышедшие из строя электроизделия. Для полноценной работы многих приборов требуются диоды, которые сегодня представлены самыми разнообразными экземплярами. В сегодняшней статье речь пойдет о таком элементе, которые довольно часто встречается в электрических схемах – вакуумный диод.

Чтобы правильно использовать такую детальку, необходимо знать ее устройство, а также какая схема и принцип работы для нее характерны. Обо всем этом вы узнаете из этой статьи.

Что представляет собой устройство

Современный диод вакуумного типа представляет собой баллон, выполненный из металлокерамики или стекла, лишенный воздуха. Их этого баллона выкачивают воздух до давления, находящегося на уровне 10-6 — 10-7 мм рт. ст. Отсюда и название данного элемента электросхем.

Устройство вакуумного диода

Строение диод вакуумного типа

Внутри такой баллон размещены два электрода. Одним из них является катод. Он имеет вид металлического вертикального цилиндра, который покрыт слоем оксида щелочно-земельных металлов (кальция, стронция, бария). Благодаря такому напылению данный элемент получил название оксидный катод.

Обратите внимание! При его нагревании с поверхности происходит значительно большее испускание электродов, чем с обычного металлического элемента аналогичного вида.

Катод внутри содержит изолированный проводник, нагреваемый переменным или постоянным током. При нагревании, катод испускает электроны, которые движутся и достигают второго элемента вакуумного диода – анода.
Анод имеет вид овального или круглого цилиндра. Он с катодом имеет общую ось. Схема диода вакуумного типа имеет следующий вид.

Устройство диодов вакуумного типа

Схема диода вакуумного типа

Кроме вакуумного диода существует еще такое понятие, как электровакуумный диод.
Под собой электровакуумный диод подразумевает двухэлектродную вакуумную электронную лампу. Ее строение аналогично диоду вакуумного типа. По сути это одно и тоже. Здесь катод представляет собой W-образную или прямую нить. Он, в процессе работы такой лампы, нагревается до определенной температуры. В результате нагрева возникает термоэлектронная эмиссия. В ходе подачи на анод отрицательного напряжения относительно катода, электроны возвращаются обратно на катод. Когда на анод подается положительное напряжение, часть из эмитированных электронов начинает двигаться в нему. В результате возникает ток.
В результате своей работы вакуумные диоды и их аналоги способны на выпрямление приложенного к ним напряжения. Таким основным своей свойством обладают вакуумные выпрямители, поэтому они используются в качестве детекторов сигналов высокой частоты и выпрямления переменного тока.
Такое устройство характерно для всех изделий подобного типа. При этом данное устройство и определяет основные характеристики изделия, а также то, какое применение оно будет иметь.

Обратите внимание! Частотный диапазон для диода вакуумного типа несколько ограничен и не превышает 500 МГц. При этом интегрированные в волноводы дисковые диоды, способны на детектирование частоты до 10 ГГц.

Формы основных элементов диода

Элементы вакуумного диода

Форма катода и анода

Катод, входящий в состав диода вакуумного типа, зачастую имеет вид латинских букв W или V. Такая форма используется для увеличения длины изделия. В тоже время анод будет более выгодным, если станет изготавливаться в виде коробки, лишенной боковых граней. В сечении анод имеет форму прямоугольника с закругленными углами.

Такая форма анода определяется необходимостью для того, чтобы он во всех направлениях по возможности находился на одинаковом расстоянии от нагреваемого катода. По этой причиной наиболее выгодной формой для обоих элементов является эллиптическая.
Чтобы снизить степень нагрева анода в его устройстве часто фигурируют ребра (крылышки). Благодаря их наличию, анод имеет более качественное отведение тепла.
И катод и анод в баллоне крепятся при помощи специальных держателей. Для большего удобства в эксплуатации, внизу лампы устанавливается цоколь, состоящий из изоляционного материала. Он оснащен металлическими ножками-штырьками. Эти штырьки обеспечивают контакт лампы при включении ее в гнезда ламповой панели.
Вот такое устройство имеет электровакуумная лампы или диод вакуумного типа.

Принцип функционирования диода вакуумного типа

Чтобы схема, в которую входит выпрямитель вакуумного типа, работала как надо, следует понимать принцип работы такой детали.

Функционирование диода

Принцип работы диода

Принцип работы вакуумных диодов представляет собой следующую картину:

в ходе разогрева катода, электроны с его поверхности начнут отделяться;
их отделение происходит за счет формирования термоэлектронной эмиссии;
освобожденные с поверхности электроны начинают препятствовать вылету других электронов. В следствии этого вокруг поверхности катода образуется облако электронов;
часть электронов этого облака, обладающие наименьшими скоростями, опускается обратно на поверхность катода;
в ситуации, когда задается определенная температура, облако электронов стабилизируется. Это означает, что с катода вылетает столько же электронов, сколько потом на него опускается;
при наличии нулевого напряжения, например, при ситуации короткого замыкания анода на катоде, в лампе начинает течь ток электронов по направлению от катода к аноду. В данной ситуации наиболее быстрые электроны способны преодолеть имеющуюся потенциальную яму, из-за чего они и притягиваются к аноду. Отсечка тока происходит в той ситуации, когда на анод подается отрицательное запирающее напряжение. Это напряжение должно иметь один вольт или ниже.
в ситуации подачи положительного напряжения на анод, в диоде формируется ускоряющее поле, которое способствует возрастанию на аноде тока. Когда ток на этом элементе достигает значений, которые близки в пределу эмиссии катода, происходит замедление роста тока и его стабилизация. Т.е. наблюдается эффект «насыщения».

Вот по такому принципу работают диоды вакуумного типа.

Важная характеристика диодного элемента – ВАХ

Все диоды, в не зависимости от того, вакуумные оны или нет, обладают таким параметром, как вольт амперная характеристика или сокращенно ВАХ.

Графическое отображения ВАХ

ВАХ вакуумного диода

Чтобы разобраться, что же это за вольт амперная характеристика, рассмотрим график на примере происходящих в лампе процессов.
В самом начале, когда на аноде отсутствует напряжения, вокруг катода в следствие его нагрева формируется электронное облако. Когда на аноде возникает положительное небольшое напряжение, самые быстрые электроны, входящие в электронное облако катода, начинают устремляться к аноду. В результате можно регистрировать анодный ток небольшой величины. В ситуации, когда анодное напряжение будет продолжать увеличиваться, из электронного облака все большее число электронов будут перетекать к аноду в плоть до полного «рассасывания» катодного электронного облака. Это состояние соответствует точке В на графике, приведенном выше. Такое напряжение означает, что всех вылетающие из катода электроны будут немедленно притягиваться к аноду.
Обратите внимание! Дальнейшее нарастание анодного тока при сохранении величины накала не происходит. Чтобы добиться увеличение данного показателя необходимо использовать дополнительные электроны. А они здесь отсутствуют. Для этого увеличения показателя можно повысить накал катода, но такой способ не используется поскольку приводит к уменьшению срока службы катодного элемента.
Таким образом вся эмиссия катода при конкретной температуре накала будет исчерпана. В результате анод достиг ситуации «насыщения током».
Все эти процессы, поэтапно, отращены на вольт амперной характеристики, приведенной выше. Такой параметр, как вольт амперную характеристику в высшей точке, можно рассматривать как предел возможностей диода.
Как видим принцип работы изделия неотделим от ВАХ. При этом последняя является его отражением.

Где используются такие изделия

Применение электровакуумных ламп определяется их основными возможностями или свойствами, а именно способностью пропускать ток только в одном направлении. Это связано с тем, что в диоде движение электронов возможно только от катода к аноду. Иногда такое свойство диодных выпрямителей называется односторонней проводимостью. Благодаря такому свойству, вакуумные диоды применяются в качестве преобразователя постоянного тока в переменный (его выпрямления). Такие способности данного рода изделий обеспечили им обширное применение в радиоаппаратуре.

Обратите внимание! Использование диода вакуумного типа позволит решить проблему питания радиоаппаратуры от промышленной сети переменного тока.

Схема, по которой можно использовать диода в качестве выпрямителя для переменного тока, довольно проста.

Принцип использования диода как выпрямитель

Схема диода, работающего как выпрямитель

В данной ситуации между анодом и катодом следует включить источник переменного тока. Вверху графика отражено напряжение источника переменного тока. Здесь имеется периодическое его изменение с определенной частотой по типу синусоиды. С такой же чистотой меняется напряжение на аноде по отношению к катоду. Часть времени анод будет положительным (верхняя часть графика), а часть – отрицательным (нижняя часть графика).
При положительных полупериода на аноде будет положительное напряжение. В такой ситуации ток будет течь, а при противоположном значении полупериода – он будет отсутствовать. В результате получаться импульсы, равные по частоте переменному току.

Заключение

Зная особенности функционирования диодов вакуумного типа, можно максимально полно использовать их особенности в работе радиоэлектронных приборов. Помните, что каждый вид диодов имеет свои особенности и способен оптимально работать в определенных условиях. Учет всех параметров его работы, а также ВАХ, позволит выжать из изделия максимум без нарушения принципов его функционирования.

Почему вакуумный диод обладает односторонней проводимостью? Вольт амперная характеристика диода

vakuumnyj-diod

Вакуумом называется настолько разреженное скопление газа, которое практически исключает соударение молекул, что сводит электропроводность вакуума к минимуму.

Вакуумный диод — это металлокерамический или диодный баллон, во внутренней полости которого отсутствует воздух. Как результат, показания по давлению внутри таких баллонов составляет 10 -6 — 10 -7 миллиметров ртутного столба.

Структура диода вакуумного типа

Во внутренней вакуумной полости баллона размещается пара электродов:

Катодный электрод.

Изготавливаемый из металлов, вертикально расположенный элемент цилиндрической формы. На поверхности сформировано напыление из металлических оксидов (используются металлы земельно-щелочной группы) поэтому катод называется оксидным. Катоды данного типа отличаются тем, что в момент повышения температуры электроны отделяются от них гораздо активнее, чем от стандартных катодов металлического типа. По катоду проводится изолированный проводниковый элемент, который нагревается посредством тока переменной или постоянной частоты. Отделяющиеся от элемента отрицательно заряженные частицы находятся в потоке и притягиваются в сторону анодного электрода.

Катоды диодов вакуумного типа выполняются преимущественно по подобию W и V литер. Это позволяет увеличить размер устройства по длине.

Анодный электрод.

Округлый или элиптоидный цилиндрический элемент. Расположен на одной горизонтали с катодом.

Аноды выполняются по форме кубообразные элементы с отсутствующими боковыми гранями. Если рассматривать его в разрезе, то можно увидеть закруглённый на углах четырёхугольник. Видимая конструкция обусловлена тем, что промежуток катод-анод по всем векторам направлений должен быть одинаковым. По этой причине и катоды, и аноды контуром похожи на эллипс.

Для уменьшения нагреваемости анода, в его конструкцию обычно включаются специальные теплоотводные «ребра» .

Закрепление катодов и анодов осуществляется посредством особых держателей.

Электровакуумный диод

Помимо вакуумных полупроводников были созданы также электровакуумные диоды.

Под этим названием подразумевается двухэлектродная вакуумная электронная лампа. Конструкция этого устройства сходна с диодом вакуумного типа. На деле они практически не отличаются. Единственный несовпадающий момент заключается в том, что в электровакуумном диоде роль катодного электрода исполняет w-подобная, либо ровная нить.

В процессе функционирования диода температурный уровень нити должен подниматься, пока не достигнет определённого градуса. В этот момент запускается процесс термоэлектронной эмиссии. Когда аноды электроды получают напряжение со знаком «минус», происходит перенаправление электронов в обратную сторону, к катоду. В момент, когда на анод начинает поставляться напряжение со знаком «плюс», отсоединившиеся электроны вновь движутся к анодному электроду. Это провоцирует возникновение тока.

Сферы применения

Вакуумные и аналогичного типа диоды применяются в качестве выравнивателей частоты приложеного напряжения. Данное свойство качество является базовым для вакуумных выпрямителей. Они применяются как фиксаторы высокочастотных волн и выпрямители электронных потоков переменного характера.

Диоды электровакуумного типа обладают односторонней электропроводностью. Причина этому в том, что электроны могут двигаться лишь по направлению катод-анод. Это позволяет эксплуатировать вакуумный диод в роли инвертера.

vakuumnyj-diod

Применение вакуумных диодов позволяет питать радиотехнику от сети с переменным током.

Параметры вакуумного диода определяют качество и назначение механизма, в котором он установлен.

Однако вакуумные диоды имеют ограничения по рабочей частоте напряжения: 500 МГц.

Принцип работы

Диоды вакуумного типа работают следующим образом:

Катод разогревается, начинается отделение отрицательно заряженных частиц.
Развивается процесс термоэлектронной эмиссии.
Уже свободные частицы блокируют отделение других частиц, происходит образование электронного облака.
Электроны с самой низкой скоростью перемещения притягиваются обратно к катоду.
При строго фиксированной температуре происходит стабилизация электронного облака. То есть количество отлетающих электронов совпадает с количеством оседающих

При возникновении нулевого напряжения (короткого замыкания) частицы движутся к в сторону анодного электрода. Это происходит за счёт преодоления быстрыми электронами потенциальной ямы. Ток отсекается, если пустить по аноду напряжение со знаком «минус» на 1В или даже менее того.

Если подать положительное напряжение, то произойдёт формирование ускоряющего поля, увеличивающего анодный ток. На уровне близком к предельной катодной эмиссии рост тока снижает скорость и стабилизируется. Это называется эффектом «насыщения».

Вольт-амперная характеристика (ВАХ)

Вольт-амперная характеристика диодов вакуумного типа состоит из трёх участков:

Начальный, нелинейный.

Характеризуется медленным возрастанием тока и повышением уровня напряжения на анодном электроде, что рассматривается как следствие оказываемого электронным облаком (с отрицательным зарядом) сопротивления. Уровень тока на аноде весьма низок, но он увеличивается по экспоненте вместе с напряжением. Это происходит благодаря неоднородности скоростей движущихся электронов. Чтобы прекратить анодный ток потребуется отрицательное, запирающее напряжение на аноде.

Закон степени 3/2-х. Второй участок.

Проявляется взаимозависимость тока и напряжения на аноде в соответствии с законом степени 3/2-х, где одна из переменных находится в зависимости от роста катодной температуры.

Последний, насыщение.

Если уровень напряжения продолжает увеличиваться, то происходит замедление, а затем и прекращение роста тока, поскольку все электроны приникают к аноду, эмиссионный потенциал катода израсходован.Ток, который при этом устанавливается на аноде, называется током насыщения.

vakuumnyj-diod

Основные характеристики вакуумного диода

Охарактеризовать вакуумный диод можно по следующим параметрам:

Крутизне ВАХ;
Дифференциальному сопротивлению;
Максимально допустимому обратному напряжению;
Запирающему напряжению;
Максимально допустимой рассеиваемой мощности;

Вычисление крутизны и внутреннего сопротивления осуществляется через анодное напряжение и уровень температуры на катоде.

Вакуумный диод: устройство, принцип работы, вольт амперная хаpaктеристика

Вакуумный диод – самая простая электронная лампа в виде стеклянного или металлокерамического баллона без воздуха. В емкость с вакуумом размещаются 2 электрода. У катода форма цилиндра, он покрывается оксидом бария, стронция или кальция, увеличивающих количество электродов, испускаемых при нагревании. Анод изготавливается овальной или круглой формы, устанавливается на одну ось с катодом.

Выводы электродов выводятся сквозь стенки баллона. Если емкость металлокерамическая, в ней сверлятся отверстия, в которые впаиваются бусинки из стекла. В баллоне из стекла выводы впаиваются в основной материал. У анода один вывод. Если катодом служит нить какала, то выводов два (от каждого конца). При встраивании подогревного катода выводов три (2 от нити, один – от вещества, выделяющего электроны).

Принцип работы и маркировка электровакуумного диода

Электровакуумный диод тоже лампа электронного типа, по строению мало отличающаяся от вакуумного варианта. Основная особенность – строение катода. В электровакуумных моделях он прямой, W-образный или V-образный. При использовании двух последних вариантов удлиняется нить накала.

Форма анода вакуумного диода – прямоугольник с круглыми углами. Основное преимущество – одинаковое расстояние любой точки поверхности до минусового электрода. Для отвода избытка тепла анод может быть оснащен «крылышками». Чтобы увеличить удобство использования, такие лампочки оснащаются цоколем, изготовленным из диэлектрика, со штырьками, обеспечивающими контакт с ламповой панелью.