Вакуумные диоды: принцип работы, история и современное применение

Вакуумные диоды в металлической оболочке

В последнее время мы наблюдаем множество технологических достижений в области электрических устройств. Сегодня мы можем найти множество транзисторов, создающих логические вентили и обеспечивающих вычисления.

Но компьютеры существовали до изобретения транзисторов и постоянного тока. Хотя этот самый ранний вид компьютера был настолько огромным, что занимал целые комнаты и весил тысячи фунтов в 20 веке.

Вакуумный диод сыграл роль транзисторов в этих гигантских компьютерах. Хотя транзисторы управляют миром современных электронных устройств, вакуумный диод всё еще имеет свои применения.

В этой статье мы покажем всё о вакуумном диоде: как он работает, его типы и применение для вашей печатной платы, и его характеристики.

Начнем!

Вакуумная лампа

Что такое вакуумный диод?

До эпохи транзисторов сэр Джон, Амброз Флеминг создал то, что мы знаем как вакуумную лампу — в 1904 году. Сэр Ли Де Форрест (из 17-го века) — еще одно имя, с которым стоит считаться, особенно в отношении радио и нити накаливания, связанных с вакуумными диодами.

Вакуумная лампа — это устройство, которое блокирует поток отдельных электронов от электрического тока в одном направлении (анод к катоду), позволяя поток электрического тока в другом направлении (катод к аноду).

Теперь вакуумный диод — это простейшая форма вакуумной лампы, которая производит и контролирует свободные электроны. Кроме того, вакуумный диод имеет два электрода, которые мы знаем как катод и анод. Анод работает как коллектор электронов, в то время как катод служит эмиттером электронов. Он также работает как 1,4-вольтовая нить накаливания с односторонним клапаном, поддерживающим как нагретые, так и тонкие нити.

Плюс, катод может быть положительным или отрицательным электродом во время своего электростатического разряда. Другими словами, он обладает отличными полевыми эмиссионными свойствами.

Аноды — это полые металлические цилиндры из никеля или железа. Однако в ситуациях высокой мощности можно найти аноды из молибдена, графита или тантала, потому что события высокой мощности могут повредить никелевые или железные аноды. Также аноды больше катодов для рассеивания тепла без значительного повышения температуры. Поэтому анод нельзя считать слаботочным.

С другой стороны, катоды состоят из простой вольфрамовой нити илиторированного вольфрама. Также катоды с силовыми линиями могут быть никелевыми трубками, покрытыми оксидом бария или оксидом стронция. Плюс, оксидно-покрытые катоды показывают лучшую эмиссионную эффективность.

Как работают вакуумные диоды

Когда рассматриваем работу вакуумного диода, важно знать эффективность выхода электронов с поверхности.

Количество потоков электронов, которые нагретый материал может излучать на единицу площади, относится к постоянной 'b' и абсолютной температуре. Постоянная 'b' указывает, что делает первичный электрон для выхода с поверхности.

Таким образом, мы можем вывести уравнение для тока, покидающего внешнюю поверхность:

I = AT²ε (–b/T)

Уравнение для тока, покидающего внешнюю поверхность

Где:

I — ток в амперах

A — постоянная для вида излучающего материала

T — температура в абсолютных градусах

b — работа, необходимая для выхода электрона с внешней поверхности

Изобретения Уолтера Х. Шоттки и Томаса Эдисона также подтверждают вышеуказанное уравнение.

Высоковакуумные диоды

В основном, вакуумные термоионные диоды работают как современные лампы. Но большего размера. Также они имеют вакуумный контейнер с анодом и катодом, соединенными через источник напряжения.

Напряжение анода и катода

Анод (положительный вывод) имеет дело с положительным напряжением. Поэтому он работает по принципу термоионного излучения. Кроме того, нить накаливания нагревает катод (отрицательный вывод) и позволяет излучению электронов. Эти излученные электроны затем притягиваются к аноду. Однако, если положительное напряжение, получаемое анодом, недостаточно, оно не притянет электроны от катода.

Электрическая нить накаливания

По этой причине невидимое облако электронов накапливается в пространстве между анодом и катодом, создавая пространственный заряд. Пространственный заряд отталкивает другие электроны, покидающие катод. Следовательно, останавливая электронную эмиссию и поток тока через схему.

Но если напряжение питания, приложенное между анодом и катодом, достаточно высоко, то эффект пространственного заряда будет медленно нейтрализован. Таким образом, поток электронов к аноду будет свободен. Следовательно, электроны могут двигаться через вакуум внутри стеклянной оболочки вакуумной оболочки. По этой причине ничего не блокирует излучение электронов, позволяя свободному потоку тока от анода к катоду.

Плюс, по мере увеличения приложенного напряжения на аноде, ток также увеличивается. В конечном счете, пространственный заряд полностью исчезает, и анод достигает максимальной эмиссии от катода.

Примечание:

единственный способ увеличить электронную эмиссию катода — повысить температуру катода. Это также увеличивает энергию электронов, позволяя большему числу электронов покинуть катод.

Хотя все области вакуумного диода имеют пространственный заряд, он довольно важен в области катода. Почему? Потому что он определяет критические элементы — включая максимальную эмиссию.

В противовес, если анод имеет дело с отрицательным напряжением, не будет потока электронов — потому что он не будет горячим. Кроме того, электроны, покидающие нагретый катод-луч, не переместятся к аноду. Этот процесс накапливает сильный пространственный заряд между анодом и катод-лучом. Из-за сильного отталкивания пространственного заряда все электроны возвращаются к катоду. Поэтому ток не течет через схему.

Характеристики вакуумных диодов

Вот некоторые характеристики вакуумных диодов.

Диод как выпрямитель

При приложении переменного тока к вашему аноду, его полярность останется положительной во время положительной полуволны. Таким образом, электроны могут течь к аноду. Более того, во время отрицательной полуволны пластина остается отрицательной, что прекращает анодный ток.

Так, показано, что вакуумные диоды позволяют анодному току течь только в одном направлении и производят выпрямленный выходной ток. И это работает лучше с термоионным диодом или полупроводниковым диодом с нагревательным напряжением или обратными напряжениями.

Диодный выпрямитель

Два типа катодов

Вакуумный диод может использовать два типа катодов:

Непосредственно нагреваемый катод

Здесь катод также служит нитью накаливания. Поэтому его можно назвать нитьетипным катодом.

Катод с косвенным нагревом

Здесь катод имеет тонкую металлическую втулку, покрытую оксидами. Втулки служат катодом, и есть электрически изолированная вольфрамовая нить, отделенная от втулки.

Пространственный заряд

Пространственный заряд — важная характеристика вакуумного диода. Положительный заряд появляется на катоде, когда он излучает электроны. Он позволяет катоду притягивать электроны и создавать пространственный заряд в оболочке вакуумной лампы.

Материалы катодов

Вот два распространенных материала катодов:

Вольфрам

Вольфрам представляет собой чистый металл и имеет работу функции 4,54 эВ. Этим материалом можно безопасно эксплуатировать при 2500°K и использовать в высоковольтных трубках, термоионных вакуумных трубках или бегущих волнах трубках.

Вольфрамовый стержень

Торированный вольфрам

Этот материал работает в непосредственно нагреваемых катодах. Он поддерживает электроны при низких температурах (около 700°C до 750°C). Этим материалом можно эксплуатировать с высокой эффективностью и малой нагревательной мощностью.

Типы вакуумных диодов

Тип вакуумной диодной трубки имеет шесть классификаций, включающих:

• Вакуумные диоды для частотного диапазона (радиопередатчики, микроволны, аудио)

Микроволны

• Вакуумные диоды для номинальной мощности (аудио мощность, малый сигнал) с равномерным полем
• Вакуумные диоды типа катод/нить накаливания
• Вакуумные диоды специализированных функций (детекторы света)
• Вакуумные диоды применения (передающие или принимающие трубки)
• Вакуумные диоды для специализированных параметров (низкошумое аудио усиление)

Применение

Применения вакуумных диодов включают:

• Атомные часы
• Рентгеновские трубки
• Радиоприемники
• Сеточная батарея смещения
• Аудиосистемы
• Стабилизаторы напряжения
• Управляющий электрод
• Триодный усилитель
• Электронный усилитель
• Потребительские применения
• Высокоскоростное коммутационное ключирование
• Клистронные трубки
• Ионные двигательные системы
• Электронное оборудование
• Батарейное оборудование
• Профессиональное аудиооборудование
• Радиосвязь
• Солнечные коллекторы
• Микроволновые системы
• Военные системы с высоковольтным питанием
• Мобильные телефоны, Bluetooth и Wi-Fi микроволновые компоненты
• Спутниковые сотовые телефоны
• Частичные ускорители
• Фотомножительные трубки
• Стробоскопы
• Полупроводниковые вакуумные электронные системы
• Вакуумные электронные устройства
• Вакуумные панельные дисплеи

Заключительные слова

Несмотря на то, что мир теперь питается транзисторами, вакуумный диод всё еще имеет свои применения. Возможно, самое выдающееся современное применение вакуумного диода — в музыкальном сообществе. Большинство аудиофилов предпочитают качество звука электронных усилителей на вакуумных трубках полупроводниковым усилителям.

Однооболочечные вакуумные лампы

Еще одно заметное применение — высокомощные РЧ-передатчики. Вакуумные диоды генерируют большую мощность, чем полупроводниковые аналоги. Поэтому вы найдете вакуумные лампы в МРТ-сканерах, частичных ускорителях и даже микроволновках. Это заключает статью. Если у вас есть вопросы, не стесняйтесь связаться с нами. Мы будем рады помочь.