Електрова́куумний діо́д — вакуумна електронно-керована лампа, яка має лише анод і катод.
Катод діода нагрівається до температур, при яких виникає термоелектронна емісія. При подаванні на анод негативної відносно катода напруги усі емітовані катодом електрони повертаються на катод, при подаванні на анод позитивної напруги частина емітованих електронів спрямовується до анода, формуючи його струм. Таким чином, діод випрямляє прикладену до нього напругу. Ця властивість діода використовується для випрямлення змінного струму й детектування сигналів високої частоти. Практичний частотний діапазон традиційного вакуумного діода обмежений частотами до 500 МГц. Дискові діоди, інтегровані у хвилеводи, здатні детектувати частоти до 10 ГГц.
Історична довідка
У 1873 році британський вчений (англ. Frederick Guthrie; 1833–1886) відкрив принцип функціонування вакуумного діода. Підносячи розжарений метал до додатно зарядженого електроскопа, і не торкаючись його, він зміг розрядити електроскоп, а з від'ємно зарядженим електроскопом такого не траплялося. У 1883 році Томас Едісон, незалежно від попередника, у процесі досліджень причин перегоряння електричних лампочок встановив, що між розжареною ниткою лампи та зовнішнім електродом є можливим проходження струму. Він запатентував встановлений ефект, що згодом отримав назву «термоелектронна емісія», але робіт у напрямку його дослідження чи використання не проводив.
Перший електровакуумний діод сконструював англійський фізик Джон Амброз Флемінг у 1904 році.
Ірвінг Ленгмюр виконуючи роботи на замовлення компанії General Electric у 1909–1916 роках суттєво удосконалив техніку вакуумування й винайшов вакуумний дифузійний насос, що зробило можливим досягнення глибокого вакууму й значно покращило характеристики електровакуумного діода. Ленгмюр відкрив також ефект впливу домішок торію на зростання емісійної здатності вольфрамового катода.
У 1925 році Radio Corporation of America та General Electric випустили на ринок UX213, перший масовий електровакуумний випрямний діод.
Будова
Електровакуумний діод являє собою посудину (балон), в якому створено високий вакуум. В балоні розміщені два електроди — катод і анод. Катод прямого нагріву має вигляд прямої або W-подібної нитки, що розігрівається струмом розжарення. Катод непрямого нагріву — довгий циліндр або короб, всередині яких покладена електрично ізольована спіраль підігрівача. Зазвичай, катод вкладений всередину циліндричного або коробчастого анода, який в силових діодах може мати ребра або «крильця» для відводу тепла. Виводи катода, анода і підігрівача (в лампах непрямого нагріву катода) з'єднані з зовнішніми виводами (ніжками лампи).
Принцип роботи
При розігріві катода електрони почнуть покидати його поверхню за рахунок термоелектронної емісії. Покинувши поверхню електрони будуть перешкоджати вильоту інших електронів, в результаті навколо катода утворюється свого роду хмара електронів. Частина електронів з найменшими швидкостями із хмари падає назад на катод. При заданій температурі катода хмара стабілізується: на катод падає стільки ж електронів, скільки з нього вилітає.
Уже при нульовій напрузі анода відносно катода (наприклад, при короткому замиканні анода на катод) в лампі тече струм електронів з катода в анод: відносно швидкі електрони долають потенційну яму просторового заряду і притягуються до анода. Відсічення струму наступає тільки тоді, коли на анод подано замикаюча негативна напруга порядку −1 В і нижче. При подачі на анод позитивної напруги в діоді виникає прискорювальне поле, струм анода зростає. При досягненні струмом анода значень, близьких до межі емісії катода, зростання струму сповільнюється, а далі стабілізується (насичується).
Вольт-амперна характеристика
Вольт-амперна характеристика (ВАХ) електровакуумного діода має 3 характерних ділянки:
1. Нелінійна ділянка. На початковій ділянці ВАХ струм повільно зростає при збільшенні напруги на аноді, що пояснюється протидією полю анода об'ємного негативного електричного заряду електронної хмари. У порівнянні із струмом насичення, анодний струм при є надзвичайно малим (і не показаний на схемі). Його залежність від напруги має експоненціальний характер. Для повної зупинки анодного струму слід прикласти деяку від'ємну напругу, що називають напругою закриття.
2. Ділянка (закон Чайлда). Залежність анодного струму від напруги описується законом:
де g — стала, що залежить від конфігурації й розмірів електродів. В найпростішій моделі вона не залежить від складу й температури катода, в дійсності ж зростає з ростом температури через нерівномірне нагрівання катода.
3. Ділянка насичення. При подальшому збільшенні напруги на аноді зростання струму сповільнюється, а потім повністю припиняється, так як всі електрони, що вилітають з катода, досягають анода. Подальше збільшення анодного струму при даній величині напруги розжарювання є неможливим, оскільки для цього потрібні додаткові електрони, а їх взяти ніде, так як вся емісія катода вичерпана. Усталений анодний струм називається струмом насичення. Ця ділянка описується рівнянням Річардсона-Дешмана (див. термоелектронна емісія):
де — універсальна термоелектронна стала Зоммерфельда.
ВАХ анода залежить від напруги розжарення — чим більшим є розжарювання, тим більшою є крутизна ВАХ і тим більшим є струм насичення. Надмірне збільшення напруги розжарювання приводить до зменшення терміну служби лампи.
Основні параметри
До основних параметрів електровакуумного діода належать:
- Крутизна ВАХ: — зміна анодного струму в мА на 1 В зміни напруги.
- Диференціальний опір:
- Максимально допустима зворотна напруга. При деякій напрузі, прикладеній у зворотному напрямі (тобто зміні полярності катода й анода), відбувається пробій діода — проскакує іскра між катодом та анодом, що супроводжується різким зростанням сили струму.
- Напруга закриття — напруга, яка необхідна для припинення струму у діоді.
- Максимально допустима потужність розсіювання.
Крутизна і внутрішній опір є функціями від анодної напруги і температури катода.
Якщо температура катода стала, то в межах ділянки «степеня трьох других» крутизна дорівнює першій похідній від функції «степеня трьох других».
Класифікація
Залежно від призначення та виконання електровакуумні діоди бувають наступних виконань:
- Одинарний (одноанодний) діод — малопотужний різновид електровакуумного діода, призначений для детектування сигналів високої частоти.
- Подвійний (двоанодний) діод — те ж але містить два діоди в одному корпусі із спільним розігрівом катода з метою використання їх у схемах двопівперіодного випрямлення.
- Кенотрон (від грец. kenos — порожній і (elec)tron) — електровакуумний діод, що використовується у випрямних та імпульсних режимах (потужний різновид електровакуумного діода). Одинарний (одноанодний) кенотрон містить катод прямого або непрямого розігріву і анод. Низьковольтні кенотрони (допустима зворотна напруга на аноді до 2 кВ, допустима сила прямого струму сягає декількох ампер) мають оксидні катоди. Високовольтні кенотрони (напруга до 1 МВ, сила струму до 500 мА) мають оксидний або карбідований катод. З розвитком напівпровідникової техніки кенотрони повністю витіснені напівпровідниковими діодами.
- Механотрон — електронно-керована лампа, в якій керування потоком електронів та іонів здійснюється механічним переміщенням одного чи декількох їх електродів відносно інших. Може виконуватись як електровакуумний або газорозрядний прилад. Зазвичай, це різновид діода, у якому силою електронного чи іонного струму можна керувати механічним впливом ззовні. Механотрон є одним з видів електронно-механічних перетворювачів. Призначений для прецизійного вимірювання лінійних переміщень, кутів, сил і вібрації в контрольно-вимірювальних пристроях.
Маркування приладів
Електровакуумні діоди маркувались за наступним принципом:
- Перше число вказує на величину напруги розжарювання, заокруглену до цілого числа.
- Другий символ означає тип електровакуумного приладу. Для діодів:
- Д — одинарний діод.
- Ц — кенотрон (випрямний діод)
- X — подвійний діод (містить два діоди в одному корпусі із спільним нагрівом)
- МХ — механотрон-подвійний діод
- МУХ — механотрон-подвійний діод для вимірювання кутів
- Наступне число — порядковий номер розробки приладу.
- Останній символ — конструктивне виконання приладу:
- С — скляний балон діаметром понад 24 мм без цоколя або з октальним (восьмиштирковим) пластмасовим цоколем з ключем.
- П — пальчикові лампи (скляний балон діаметром 19 або 22,5 мм з жорсткими штировими виводами без цоколя).
- Б — мініатюрна серія з гнучкими виводами і з діаметром корпуса до 10 мм.
- А — мініатюрна серія з гнучкими виводами і з діаметром корпуса до 6 мм.
- К — серія ламп в керамічному корпусі.
Відсутність останнього символу свідчить про металевий корпус.
Умовні графічні познаки
Умовні графічні познаки найвідоміших типів електровакумних діодів за ГОСТ 2.730-73.
Порівняння з напівпровідниковими діодами
Порівняно з напівпровідниковими діодами в електровакуумних діодах відсутній , і вони витримують вищі напруги. Вони є стійкими до іонізуючих випромінювань, однак мають набагато більші розміри і менший коефіцієнт корисної дії.
Див. також
Вікісховище має мультимедійні дані за темою: Електровакуумний діод |
Примітки
- ДСТУ 2385-94 Прилади електровакуумні Терміни та визначення.
- Батушев В. А. Электронные приборы. — М. : Высшая школа, 1969. — С. 52. — 90.000 прим.
- Patent US 803684 A John Ambrose Fleming Instrument for converting alternating electric currents into continuous currents [ 26 січня 2015 у Wayback Machine.]. Publication date Nov 7, 1905.
- Рейх, 1948, с. 57.
- ГОСТ 13393-76 Приборы электровакуумные. Система условных обозначений. (втратив чинність без заміни у зв'язку із зняттям приладів з виробництва)
- ГОСТ 2.730-73 ЕСКД Обозначения условные графические в схемах. Приборы электровакуумные.
Джерела
- Клейнер Э. Ю. Основы теории электронных ламп. — М.: Высшая школа, 1974. — 368 с.
- Кацман Ю. А. Электронные лампы. Теория, основы расчета и проектирования: Учебник для вузов по специальности «Электронные приборы». — 3-е изд., перераб. и доп. — М. : Высшая школа, 1979 . — 301 с.
- 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.
- Рейх, Г. Дж. Теория и применение электронных приборов. — Л. : Госэнергоиздат, 1948. — 940 с. — 7.000 прим.
- Физический энциклопедический словарь. Том 5, М. 1966, «Советская энциклопедия»
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Elektrova kuumnij dio d vakuumna elektronno kerovana lampa yaka maye lishe anod i katod Elektrovakuumni diodi v asortimenti Katod dioda nagrivayetsya do temperatur pri yakih vinikaye termoelektronna emisiya Pri podavanni na anod negativnoyi vidnosno katoda naprugi usi emitovani katodom elektroni povertayutsya na katod pri podavanni na anod pozitivnoyi naprugi chastina emitovanih elektroniv spryamovuyetsya do anoda formuyuchi jogo strum Takim chinom diod vipryamlyaye prikladenu do nogo naprugu Cya vlastivist dioda vikoristovuyetsya dlya vipryamlennya zminnogo strumu j detektuvannya signaliv visokoyi chastoti Praktichnij chastotnij diapazon tradicijnogo vakuumnogo dioda obmezhenij chastotami do 500 MGc Diskovi diodi integrovani u hvilevodi zdatni detektuvati chastoti do 10 GGc Istorichna dovidkaPershi zrazki diodiv konstrukciyi Fleminga ventili Fleminga poch 1900 h U 1873 roci britanskij vchenij angl Frederick Guthrie 1833 1886 vidkriv princip funkcionuvannya vakuumnogo dioda Pidnosyachi rozzharenij metal do dodatno zaryadzhenogo elektroskopa i ne torkayuchis jogo vin zmig rozryaditi elektroskop a z vid yemno zaryadzhenim elektroskopom takogo ne traplyalosya U 1883 roci Tomas Edison nezalezhno vid poperednika u procesi doslidzhen prichin peregoryannya elektrichnih lampochok vstanoviv sho mizh rozzharenoyu nitkoyu lampi ta zovnishnim elektrodom ye mozhlivim prohodzhennya strumu Vin zapatentuvav vstanovlenij efekt sho zgodom otrimav nazvu termoelektronna emisiya ale robit u napryamku jogo doslidzhennya chi vikoristannya ne provodiv Pershij elektrovakuumnij diod skonstruyuvav anglijskij fizik Dzhon Ambroz Fleming u 1904 roci Irving Lengmyur vikonuyuchi roboti na zamovlennya kompaniyi General Electric u 1909 1916 rokah suttyevo udoskonaliv tehniku vakuumuvannya j vinajshov vakuumnij difuzijnij nasos sho zrobilo mozhlivim dosyagnennya glibokogo vakuumu j znachno pokrashilo harakteristiki elektrovakuumnogo dioda Lengmyur vidkriv takozh efekt vplivu domishok toriyu na zrostannya emisijnoyi zdatnosti volframovogo katoda U 1925 roci Radio Corporation of America ta General Electric vipustili na rinok UX213 pershij masovij elektrovakuumnij vipryamnij diod BudovaBudova elektrovakuumnogo dioda 1 sklyana kolba 2 anod 3 katod Elektrovakuumnij diod yavlyaye soboyu posudinu balon v yakomu stvoreno visokij vakuum V baloni rozmisheni dva elektrodi katod i anod Katod pryamogo nagrivu maye viglyad pryamoyi abo W podibnoyi nitki sho rozigrivayetsya strumom rozzharennya Katod nepryamogo nagrivu dovgij cilindr abo korob vseredini yakih pokladena elektrichno izolovana spiral pidigrivacha Zazvichaj katod vkladenij vseredinu cilindrichnogo abo korobchastogo anoda yakij v silovih diodah mozhe mati rebra abo krilcya dlya vidvodu tepla Vivodi katoda anoda i pidigrivacha v lampah nepryamogo nagrivu katoda z yednani z zovnishnimi vivodami nizhkami lampi Princip robotiPri rozigrivi katoda elektroni pochnut pokidati jogo poverhnyu za rahunok termoelektronnoyi emisiyi Pokinuvshi poverhnyu elektroni budut pereshkodzhati vilotu inshih elektroniv v rezultati navkolo katoda utvoryuyetsya svogo rodu hmara elektroniv Chastina elektroniv z najmenshimi shvidkostyami iz hmari padaye nazad na katod Pri zadanij temperaturi katoda hmara stabilizuyetsya na katod padaye stilki zh elektroniv skilki z nogo vilitaye Uzhe pri nulovij napruzi anoda vidnosno katoda napriklad pri korotkomu zamikanni anoda na katod v lampi teche strum elektroniv z katoda v anod vidnosno shvidki elektroni dolayut potencijnu yamu prostorovogo zaryadu i prityaguyutsya do anoda Vidsichennya strumu nastupaye tilki todi koli na anod podano zamikayucha negativna napruga poryadku 1 V i nizhche Pri podachi na anod pozitivnoyi naprugi v diodi vinikaye priskoryuvalne pole strum anoda zrostaye Pri dosyagnenni strumom anoda znachen blizkih do mezhi emisiyi katoda zrostannya strumu spovilnyuyetsya a dali stabilizuyetsya nasichuyetsya Volt amperna harakteristikaVolt amperna harakteristika elektrovakuumnogo dioda Volt amperna harakteristika VAH elektrovakuumnogo dioda maye 3 harakternih dilyanki 1 Nelinijna dilyanka Na pochatkovij dilyanci VAH strum povilno zrostaye pri zbilshenni naprugi na anodi sho poyasnyuyetsya protidiyeyu polyu anoda ob yemnogo negativnogo elektrichnogo zaryadu elektronnoyi hmari U porivnyanni iz strumom nasichennya anodnij strum pri U a 0 displaystyle U a 0 ye nadzvichajno malim i ne pokazanij na shemi Jogo zalezhnist vid naprugi maye eksponencialnij harakter Dlya povnoyi zupinki anodnogo strumu slid priklasti deyaku vid yemnu naprugu sho nazivayut naprugoyu zakrittya 2 Dilyanka zakon Chajlda Zalezhnist anodnogo strumu vid naprugi opisuyetsya zakonom j g U a 3 2 displaystyle j g cdot U a 3 2 de g stala sho zalezhit vid konfiguraciyi j rozmiriv elektrodiv V najprostishij modeli vona ne zalezhit vid skladu j temperaturi katoda v dijsnosti zh zrostaye z rostom temperaturi cherez nerivnomirne nagrivannya katoda 3 Dilyanka nasichennya Pri podalshomu zbilshenni naprugi na anodi zrostannya strumu spovilnyuyetsya a potim povnistyu pripinyayetsya tak yak vsi elektroni sho vilitayut z katoda dosyagayut anoda Podalshe zbilshennya anodnogo strumu pri danij velichini naprugi rozzharyuvannya ye nemozhlivim oskilki dlya cogo potribni dodatkovi elektroni a yih vzyati nide tak yak vsya emisiya katoda vicherpana Ustalenij anodnij strum nazivayetsya strumom nasichennya Cya dilyanka opisuyetsya rivnyannyam Richardsona Deshmana div termoelektronna emisiya j A T 2 exp e f k T displaystyle j AT 2 exp left e varphi over kT right de A 4 p m e k 2 h 3 120 A cm 2 K 2 displaystyle A 4 pi mek 2 over h 3 120 text A over text cm 2 text K 2 universalna termoelektronna stala Zommerfelda VAH anoda zalezhit vid naprugi rozzharennya chim bilshim ye rozzharyuvannya tim bilshoyu ye krutizna VAH i tim bilshim ye strum nasichennya Nadmirne zbilshennya naprugi rozzharyuvannya privodit do zmenshennya terminu sluzhbi lampi Osnovni parametriDo osnovnih parametriv elektrovakuumnogo dioda nalezhat Krutizna VAH S d I a d U a displaystyle S dI a over dU a zmina anodnogo strumu v mA na 1 V zmini naprugi Diferencialnij opir R i 1 S displaystyle R i 1 over S Maksimalno dopustima zvorotna napruga Pri deyakij napruzi prikladenij u zvorotnomu napryami tobto zmini polyarnosti katoda j anoda vidbuvayetsya probij dioda proskakuye iskra mizh katodom ta anodom sho suprovodzhuyetsya rizkim zrostannyam sili strumu Napruga zakrittya napruga yaka neobhidna dlya pripinennya strumu u diodi Maksimalno dopustima potuzhnist rozsiyuvannya Krutizna i vnutrishnij opir ye funkciyami vid anodnoyi naprugi i temperaturi katoda Yaksho temperatura katoda stala to v mezhah dilyanki stepenya troh drugih krutizna dorivnyuye pershij pohidnij vid funkciyi stepenya troh drugih KlasifikaciyaElektrovakuumnij diod kenotron marki 1C21P 1975 Elektrovakuumnij podvijnij diod palcevogo tipu marki 6H2P 1958 Zalezhno vid priznachennya ta vikonannya elektrovakuumni diodi buvayut nastupnih vikonan Odinarnij odnoanodnij diod malopotuzhnij riznovid elektrovakuumnogo dioda priznachenij dlya detektuvannya signaliv visokoyi chastoti Podvijnij dvoanodnij diod te zh ale mistit dva diodi v odnomu korpusi iz spilnim rozigrivom katoda z metoyu vikoristannya yih u shemah dvopivperiodnogo vipryamlennya Kenotron vid grec kenos porozhnij i elec tron elektrovakuumnij diod sho vikoristovuyetsya u vipryamnih ta impulsnih rezhimah potuzhnij riznovid elektrovakuumnogo dioda Odinarnij odnoanodnij kenotron mistit katod pryamogo abo nepryamogo rozigrivu i anod Nizkovoltni kenotroni dopustima zvorotna napruga na anodi do 2 kV dopustima sila pryamogo strumu syagaye dekilkoh amper mayut oksidni katodi Visokovoltni kenotroni napruga do 1 MV sila strumu do 500 mA mayut oksidnij abo karbidovanij katod Z rozvitkom napivprovidnikovoyi tehniki kenotroni povnistyu vitisneni napivprovidnikovimi diodami Mehanotron elektronno kerovana lampa v yakij keruvannya potokom elektroniv ta ioniv zdijsnyuyetsya mehanichnim peremishennyam odnogo chi dekilkoh yih elektrodiv vidnosno inshih Mozhe vikonuvatis yak elektrovakuumnij abo gazorozryadnij prilad Zazvichaj ce riznovid dioda u yakomu siloyu elektronnogo chi ionnogo strumu mozhna keruvati mehanichnim vplivom zzovni Mehanotron ye odnim z vidiv elektronno mehanichnih peretvoryuvachiv Priznachenij dlya precizijnogo vimiryuvannya linijnih peremishen kutiv sil i vibraciyi v kontrolno vimiryuvalnih pristroyah Markuvannya priladivElektrovakuumni diodi markuvalis za nastupnim principom Pershe chislo vkazuye na velichinu naprugi rozzharyuvannya zaokruglenu do cilogo chisla Drugij simvol oznachaye tip elektrovakuumnogo priladu Dlya diodiv D odinarnij diod C kenotron vipryamnij diod X podvijnij diod mistit dva diodi v odnomu korpusi iz spilnim nagrivom MH mehanotron podvijnij diod MUH mehanotron podvijnij diod dlya vimiryuvannya kutiv Nastupne chislo poryadkovij nomer rozrobki priladu Ostannij simvol konstruktivne vikonannya priladu S sklyanij balon diametrom ponad 24 mm bez cokolya abo z oktalnim vosmishtirkovim plastmasovim cokolem z klyuchem P palchikovi lampi sklyanij balon diametrom 19 abo 22 5 mm z zhorstkimi shtirovimi vivodami bez cokolya B miniatyurna seriya z gnuchkimi vivodami i z diametrom korpusa do 10 mm A miniatyurna seriya z gnuchkimi vivodami i z diametrom korpusa do 6 mm K seriya lamp v keramichnomu korpusi Vidsutnist ostannogo simvolu svidchit pro metalevij korpus Umovni grafichni poznakiUmovni grafichni poznaki najvidomishih tipiv elektrovakumnih diodiv za GOST 2 730 73 Diod z katodom pryamogo nagrivuDiod z katodom nepryamogo nagrivuPodvijnij diodPorivnyannya z napivprovidnikovimi diodamiPorivnyano z napivprovidnikovimi diodami v elektrovakuumnih diodah vidsutnij i voni vitrimuyut vishi naprugi Voni ye stijkimi do ionizuyuchih viprominyuvan odnak mayut nabagato bilshi rozmiri i menshij koeficiyent korisnoyi diyi Div takozhVikishovishe maye multimedijni dani za temoyu Elektrovakuumnij diod Diod Napivprovidnikovij diodPrimitkiDSTU 2385 94 Priladi elektrovakuumni Termini ta viznachennya Batushev V A Elektronnye pribory M Vysshaya shkola 1969 S 52 90 000 prim Patent US 803684 A John Ambrose Fleming Instrument for converting alternating electric currents into continuous currents 26 sichnya 2015 u Wayback Machine Publication date Nov 7 1905 Rejh 1948 s 57 GOST 13393 76 Pribory elektrovakuumnye Sistema uslovnyh oboznachenij vtrativ chinnist bez zamini u zv yazku iz znyattyam priladiv z virobnictva GOST 2 730 73 ESKD Oboznacheniya uslovnye graficheskie v shemah Pribory elektrovakuumnye DzherelaKlejner E Yu Osnovy teorii elektronnyh lamp M Vysshaya shkola 1974 368 s Kacman Yu A Elektronnye lampy Teoriya osnovy rascheta i proektirovaniya Uchebnik dlya vuzov po specialnosti Elektronnye pribory 3 e izd pererab i dop M Vysshaya shkola 1979 301 s Elektronnye pribory Uchebnik dlya vuzov V N Dulin N A Avaev V P Demin i dr Pod red G G Shishkina M Energoatomizdat 1989 496 s Rejh G Dzh Teoriya i primenenie elektronnyh priborov L Gosenergoizdat 1948 940 s 7 000 prim Fizicheskij enciklopedicheskij slovar Tom 5 M 1966 Sovetskaya enciklopediya