Электровакуумный диод

Электровакуумный диод - вакуумная двухэлектродная электронная лампа. Катод диода нагревается до температур, при которых возникает термоэлектронная эмиссия. При подаче на анод отрицательного относительно катода напряжения все эмитированные катодом электроны возвращаются на катод, при подаче на анод положительного напряжения часть эмитированных электронов устремляется к аноду, формируя его ток. Таким образом, диод выпрямляет приложенное к нему напряжение. Это свойство диода используется для выпрямления переменного тока и детектирования сигналов высокой частоты. Практический частотный диапазон традиционного вакуумного диода ограничен частотами до 500 МГц. Дисковые диоды, интегрированные в волноводы, способны детектировать частоты до 10 ГГц

Диод - двухэлектродный прибор, состоящий из катода и анода. Одна группа диодов предназначена для детектирования, т.е. для выделения напряжения низкой частоты из модулированных высокочастотных колебаний. Они выпускаются с катодами косвенного накала и имеют электроды небольшого размера, рассчитанные на малые анодные токи, малую допустимую мощность потерь на аноде и сравнительно невысокое обратное напряжение. Вторая группа диодов (диоды большой мощности) предназначена для выпрямления переменного напряжения, в основном, тока промышленной частоты.

Электровакуумный диод представляет собой сосуд (баллон), в котором создан высокий вакуум. В баллоне размещены два электрода - катод и анод. Катод прямого накала представляет собой прямую или W-образную нить, разогреваемую током накала. Катод косвенного накала - длинный цилиндр или короб, внутри которых уложена электрически изолированная спираль подогревателя. Как правило, катод вложен внутрь цилиндрического или коробчатого анода, который в силовых диодах может иметь рёбра или «крылышки» для отвода тепла. Выводы катода, анода и подогревателя (в лампах косвенного накала) соединены с внешними выводами (ножками лампы).
Принцип работы При разогреве катода электроны начнут покидать его поверхность за счёт термоэлектронной эмиссии. Покинувшие поверхность электроны будут препятствовать вылету других электронов, в результате вокруг катода образуется своего рода облако электронов. Часть электронов с наименьшими скоростями из облака падает обратно на катод. При заданной температуре катода облако стабилизируется: на катод падает столько же электронов, сколько из него вылетает. Уже при нулевом напряжении анода относительно катода (например, при коротком замыкании анода на катод) в лампе течёт ток электронов из катода в анод: относительно быстрые электроны преодолевают потенциальную яму пространственного заряда и притягиваются к аноду. Отсечка тока наступает только тогда, когда на анод подано запирающее отрицательное напряжение порядка ?1 В и ниже. При подаче на анод положительного напряжения в диоде возникает ускоряющее поле, ток анода возрастает. При достижении током анода значений, близких к пределу эмиссии катода, рост тока замедляется, а затем стабилизируется (насыщается).
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) электровакуумного диода имеет 3 характерных участка:

1. Нелинейный участок. На начальном участке ВАХ ток медленно возрастает при увеличении напряжения на аноде, что объясняется противодействием полю анода объёмного отрицательного заряда электронного облака. По сравнению с током насыщения, анодный ток при U_a = 0 очень мал (и не показан на схеме). Его зависимость от напряжения растет экспоненциально, что обуславливается разбросом начальных скоростей электронов. Для полного прекращения анодного тока необходимо приложить некоторое анодное напряжение меньше нуля, называемое запирающим.
2. Участок закона степени трёх вторых. Зависимость анодного тока от напряжения описывается законом степени трёх вторых:  j=g \cdot U_a^{3/ 2},где g - постоянная, зависящая от конфигурации и размеров электродов (первеанс). В простейшей модели первеанс не зависит от состава и температуры катода, в действительности растёт с ростом температуры из-за неравномерного нагрева катода.
3. Участок насыщения. При дальнейшем увеличении напряжения на аноде рост тока замедляется, а затем полностью прекращается, так как все электроны, вылетающие из катода, достигают анода. Дальнейшее увеличение анодного тока при данной величине накала невозможно, поскольку для этого нужны дополнительные электроны, а их взять негде, так как вся эмиссия катода исчерпана. Установившейся анодный ток называется током насыщения. Этот участок описывается законом Ричардсона-Дешмана:  j = AT^2 \exp \left( -{e \varphi \over kT} \right), где A={4\pi mek^2 \over h^3}=120 {\text{A} \over {\text{cm}^2 \text{K}^2}} - универсальная термоэлектронная постоянная Зоммерфельда.
ВАХ анода зависит от напряжения накала - чем больше накал, тем больше крутизна ВАХ и тем больше ток насыщения. Чрезмерное увеличение напряжения накала приводит к уменьшению срока службы лампы.
К основным параметрам электровакуумного диода относятся:

• Крутизна ВАХ: S={dI_a \over dU_a} - изменение анодного тока в мА на 1 В изменения напряжения.
• Дифференциальное сопротивление: R_i={1 \over S}
• Максимально допустимое обратное напряжение. При некотором напряжении, приложенном в обратном направлении (то есть изменена полярность катода и анода), происходит пробой диода - проскакивает искра между катодом и анодом, что сопровождается резким возрастанием силы тока.
• Запирающее напряжение - напряжение, необходимое для прекращения тока в диоде.
• Максимально допустимая рассеиваемая мощность.
• Крутизна и внутреннее сопротивление являются функциями от анодного напряжения и температуры катода.

Если температура катода постоянна, то в пределах участка «трех вторых» крутизна равна первой производной от функции «трех-вторых».

Они выпускаются как с катодами прямого, так и подогревного (косвенного) накала и делятся на два класса: низковольтные и высоковольтные. К маломощным высокочастотным диодам, предназначенным для детектирования высокочастотных колебаний, относятся диоды типа 6Х6С, 6Х2П, 6Х7Б, а также диоды в комбинации с триодами и пентодами: 1Б1П, 1Б2П, 6Б2П, 6Б8С, 6Г2 и 6Г7. К кенотронам, предназначенным для выпрямления напряжения промышленной частоты в выпрямителях радиоаппаратуры, относятся: 5Ц3С, 5Ц4С, 5Ц9С, 6Ц4П и 6Ц5С.

Обозначения диодов

• Первый элемент - число, обозначающее (округленно) напряжение накала.
• Второй элемент - буква, обозначающая тип лампы: Д - одинарные диоды. Х - двойные диоды. Ц - кенотроны (назависимо от числа анодов).
• Третий элемент - число, указывающее порядковый номер типа прибора с одинаковыми остальными элементами обозначения.
• Четвертый элемент - буква, указывающая на конструктивное оформление. Лампы в металлическом баллоне этой буквы не имеют. С - стеклянный баллон; П- пальчиковая лампа; Б - миниатюрная лампа диаметром 6 мм; Ж - лампы типа "желудь", специально для УКВ; Л - лампы с замковым цоколем, устраняющим возможность выпадения из гнезда при тряске.