Двухэлектродная электронная лампа – диод

Д иод (рисунки 2, 3) является наиболее простой электронной лампой. Он содержит два электрода: катод и анод. Катод является излучателем электронов (эмиттером), а анод – их собирателем (коллектором).

А нод диодов выполняется в виде цилиндра из тугоплавких металлов (никель, титан, тантал, молибден), катод – из никеля или платины, покрытых оксидным слоем щелочно-земельных металлов. Работают они при температуре t = 650 – 850 °C. Разогревается катод нитью накала. Напряжение цепи накала составляет 1…6 В. При разогреве катода на его поверхности возникает термоэлектронная эмиссия. Для работы этой лампы требуется два источника питания: накала и анода.

U_н

R₁

R₂

SA₁

PV₁

PV₂

SA₂

U_а

V

V

mA

VL

Рисунок 3 – Схема включения диода

Принцип работы диода

Если к электродам лампы приложить напряжение U_a, то под действием электрического поля, возникшего в пространстве между анодом и катодом, электроны, испускаемые раскаленным катодом, будут двигаться к положительному аноду. Через лампу пройдет ток. При изменении полярности анода и катода электроны под действием электрического поля возвращаются назад на катод и ток через лампу протекать не будет. Свойство диода пропускать ток только в одном направлении называется односторонней проводимостью.

Условие работы диода: U_a > 0; U_н > 0.

Анодный ток зависит от температуры разогрева катода и анодного напряжения U_a. При возрастании температуры катода возрастает количество электронов, достигших анода. При небольших значениях анодного напряжения U_a не все электроны попадут на анод. Температура разогрева катода зависит от напряжения накала.

В настоящее время диоды используются для выпрямления переменного тока в основном в высоковольтных выпрямителях и в схемах детектирования.

Характеристики и параметры диода

Свойства электронных ламп определяются их характеристиками и параметрами.

Характеристики ламп показывают графически зависимость тока, протекающего между электродами, от напряжения, приложенного к этим электродам.

Параметры ламп – это постоянные величины, дающие представление о том, как на ток лампы влияет напряжение на ее электродах.

Основные характеристики диода:

анодная характеристика: I_a = f (U_a) при U_н = const;

накальная характеристика: I_a = f (U_a) при U_а = const.

На рисунке 4 приведена анодная характеристика, которая имеет

основное практическое значение, так как электронные устройства обычно

работают при неизменном напряжении накала U_н. При небольшом

а нодном напряжении U_a объемный заряд сохраняется, а при большом рассасывается и сдвигается к катоду. При некотором напряжении U_a наступает режим насыщения, при котором все электроны достигают анода.

Режим пространственного заряда во всех лампах является основным рабочим режимом. Электронные лампы работают при U_н = const, и ток анода I_a в цепи диода пропорционален напряжению U_a в степени 3/2 (закон степени 3/2):

I_a = σU_a^3/2,

где σ – постоянная для данного типа лампы.

В режиме насыщения ток I_a не должен зависеть от напряжения U_a.

Основные статические параметры диода – это крутизна характеристики (S) и внутреннее сопротивление (R_i).

Свойства диода наиболее удобно оценить с помощью следующих статических параметров:

1 Крутизна характеристики лампы, характеризующая степень изменения анодного тока I_a при изменении анодного напряжения U_a на 1 В. Так как анодная характеристика нелинейна, то крутизна для различных точек характеристики различная. Для выбранной точки характеристики крутизна может быть определена как отношение приращения анодного тока I_a к приращению анодного напряжения U_a:

т. е.

где S – крутизна характеристики, мА/В;

α – угол наклона характеристики.

2 Внутреннее сопротивление лампы – величина, обратная крутизне ее характеристики:

Сопротивление R_i позволяет рассматривать диод как некоторое сопротивление протекающему току.

При протекании постоянного тока через диод сопротивление лампы постоянному току выражают как отношение напряжения к току в некоторой точке характеристики:

где R₀ – сопротивление лампы постоянному току, Ом.

Чем больше крутизна S и меньше внутреннее сопротивление R_i, тем лучше работает лампа в качестве выпрямителя тока.

3 Допустимая мощность рассеяния на аноде, т. е. мощность, которую может рассеять поверхность анода при максимально допустимой рабочей температуре:

P_a = I_a · U_a,

где P_а – допустимая мощность рассеяния на аноде, Вт.

Существуют нормы удельной мощности рассеяния (Вт/см²): никель – 0,5 … 4,5; никель черный – 2,3 … 6,2; медь с водяным охлаждением – 25 … 30, для стеклянной колбы – 0,25 … 0,5.

4 Междуэлектродная емкость диода.

Электроды диода в виде двух пластин, разделенных вакуумом, образуют конденсатор, С_ак в несколько пикофарад на высоких частотах оказывает существенное влияние.