4. Теоретичні відомості.

4.1. Діоди.

Діодом називається електровакуумний прилад, в якому є катод, що емітує електрони, і анод, що служить колектором електронів.

При позитивному щодо катода потенціалі анода Uа в між електродному просторі лампи створюється електричне поле, яке прискорює рух електронів, що емітуються, катодом до анода. У просторі катод – анод електрони створюють об’ємний (просторовий) заряд. Найбільша густина заряду, яку називають «електронною хмарою», є поблизу катода. Негативний об’ємний заряд утрудняє рух електронів від катода до анода, результуюче електричне поле в просторі катод-анод таке, що між анодним струмом Іа і напругою на аноді Uа (всі напруги в лампі вимірюються щодо катода) існує залежність, яка описується законом «степені трьох других» :

Іа = GUa^3/2. (1)

Співвідношення (1) одержане при наступних допущеннях : емісія катода обмежена, граничний ефект електронів відсутній, напруженість поля біля катода і швидкість всіх електронів, що вилітають з катода рівні нулю.

Електрони в діоді можуть рухатись тільки від розжареного катода до анода, але не навпаки, і лише тоді, коли анод має позитивний потенціал щодо катода. При негативному потенціалі анода електричне поле гальмує електрони, що випускаються, і повертає їх назад до катода. В результаті анодний струм виявляється рівним нулю.

Таким чином, діод володіє односторонньою провідністю і може бути використаний для випрямлення змінного струму і перетворення високочастотних коливань.

У статичному режимі діод можна характеризувати наступними залежностями:

1. Характеристикою розжарення Ір = f(Up) при Ua=0;

2. Емісійною характеристикою Іе = f(Uе) при Ua= const;

3. Анодною характеристикою Іа= = f(Uа) при Uр= const.

Під статичним мають на увазі такий режим, при якому навантажений Рн, в анодному колі діода рівне нулю (тобто відсутнє корисне навантаження). Характеристики (1 і 2) визначають властивості катода, а 3 – закон проходження струму між катодом і анодом. Оскільки при високій температурі опір нитки розжарення катода змінюється, характеристики розжарення Ір = f(Up) відхиляється від закону Ома і стає нелінійною.

Сімейство анодних характеристик діода показане на рис. 2.

Рис.2. Сімейство анодних характеристик діода (пунктирні лінії – теоретичні характеристики, розраховані згідно із законом «степені 3/2», суцільні – експериментальні).

З рис.2 видно, що анодний струм може виникати при від’ємних значеннях анодної напруги. Це пояснюється наявністю певної кінетичної енергії електронів при вильоті їх з катода. На висхідній ділянці кривих, де має місце режим просторового заряду, анодний струм не повинен залежати від температури катода, тобто від напруги розжарення (див (1)).

Насправді, як показує віялоподібна розбіжність експериментальних характеристик, така залежність існує. Це пояснюється, перш за все, зміною діючої поверхні катода, а отже, і аноду при зміні напруги розжарення. При малих значеннях Up позначається ефект відведення теплоти від ділянок катода, прикріплених до виводів. Діюча поверхня при цьому зменшується. При підвищенні значень Up відносна довжина охолоджених ділянок катода скорочується і діюча поверхня збільшується, наближаючись до геометричної. Цією ж причиною пояснюється плавний перехід характеристик в область насичення, яка наступає при достатньо великій анодній напрузі, коли всі випромінюючі катодом електрони притягуються анодом. Струм анода, стає рівним струму емісії катода : Іа ном = Іе. Анодна напруга, при якій анодний струм досягає струму емісії, називається напругою насичення Uа нас. В області насичення відхилення експериментальних характеристик від теоретичних обумовлень впливом зовнішнього поля на емісію катода ( тобто ефектом Шотткі).

Лампа діода в цілому характеризується крутизною S = ∂Ia/∂Ua анодної характеристики, яка показує швидкість росту анодного струму при зміні анодної напруги. На прямолінійній ділянці характеристики крутизна не може бути визначена як відношення кінцевих приростів струму і напруги :

S = ∆ Ia/∆Ua при Uр = const. З рівняння (1) можна одержати аналітичний вираз для крутизни характеристики:

S = 3/2 ∙GUa^3/2 , або S = 3/2∙ 2,33∙10^-6 ∙Qa/r_a²β² ∙ Ua^1/2, (2)

з якого виходить, що підвищення крутизни пов’язано із збільшенням діючої поверхні аноду і зменшенням між електродної відстані.

Фізично крутизна діода є провідністю лампи за змінним струмом. Для найпоширеніших сучасних діодів крутизна складає 2…10 мА/ В. Геометрично крутизна S визначає нахил анодної характеристики в системі координат Іа-Ua (рис. 3).

Рис. 3. Крутизна діода S в системі координат Іа-Ua

Із рис. 3 видно, що значення крутизни для різних ділянок характеристики різні. Звичайно крутизна S визначається для приблизно лінійної ділянки анодної характеристики так, як показано на рис. 3, тобто:

S = Іа₂ – Іа₁/Ua₂ – Ua₁ = ∆ Ia/∆Ua [мА/В]. (3)

Отримане, таким чином, усереднене значення крутизни приводиться в паспорті даної лампи або в довідниках по електронних приладах.

Часто замість крутизни S як параметр лампи використовують її зворотну величину R_i = ∂Ua/∂Ia – опір діода змінного струму (або R_i =∆Ua/∆ Ia при Uр = const в межах лінійної ділянки характеристики).

Слід відрізняти опір діода змінного струму R_i від опору діода постійного струму R₀ , який визначається згідно із законом R₀ = Ua/Ia.

При експлуатації діодів важливо знати так звані експлуатаційні параметри :

1. Допустиму потужність розсіювання на аноді Ра макс, ВТ ;

2. Допустима зворотна напруга Uзв, В, тобто найбільша від’ємна напруга на аноді, при якому виключається можливість пробою вакуумного проміжку катод-анод протягом терміну служби лампи. Ця величина в основному залежить від якості ізоляції катод-анод.

Двохелектродні лампи застосовуються для випрямлення змінного струму. Якщо діоди використовуються для випрямлення струму промислової частоти, то вони називаються кенотронами. Для таких ламп другим елементом позначення у таких діодів є буква Ц; наприклад, 6Ц13П. окрему групу діодів складають детекторні, яким привласнена буква Х, наприклад, 6Х2П. Існують діоди спеціального призначення, наприклад, шумові діоди 2Д2С і ін.