Диод Устройство и принцип действия

Простейшая электронная лампа – диод – состоит из катода, благодаря которому осуществляется электронная эмиссия, и анода, назначение которого – управление током в лампе. Анод является коллектором, он собирает электроны, движущиеся от катода. Оба электрода помещены в баллон, выполненный чаще всего из стекла, но в некоторых случаях из керамики и металла. Внутри баллона поддерживается вакуум, т.е. очень разреженное состояние газа до 10^-6…10^-7 мм. рт. ст. Аноды электронных ламп изготовляют из тугоплавких металлов, имеющих большую работу выхода, – никеля, молибдена и т.д.

Условное изображение диодов в схемах приведено на рисунке.

А

К н н

При подаче напряжения накала катод разогревается до требуемой температуры и происходит эмиссия электронов. Вылетевшие из катода электроны обладают некоторыми начальными скоростями, различными как по величине, так и по направлению. В отсутствие напряжения между анодом и катодом эти электроны заполняют пространство между ними, образуя отрицательный пространственный заряд. Этот пространственный заряд создаёт вблизи катода область отрицательного потенциала. Подадим между анодом и катодом напряжение плюсом на анод +U_а. Электроны пространственного заряда под действием ускоряющего электрического поля, созданного положительным потенциалом на аноде, притягиваются к нему. В цепи лампы возникает анодный ток I_а. При подаче на анод напряжения, отрицательного по отношению к катоду, для электронов эмиссии создаётся тормозящее поле, и анодный ток отсутствует.

Таким образом, ламповый диод обладает односторонней проводимостью, как и полупроводниковый диод.

Анодная (вольт - амперная) характеристика диода

Эта характеристика представляет собой зависимость

I_а=f (U_а) при U_н= const,

где U_н – напряжение накала, которое обеспечивает постоянство температуры катода и, следовательно, постоянство тока эмиссии. При U_А=0 анодный ток практически отсутствует и только некоторые электроны, имеющие достаточно большую энергию, могут развить скорость, необходимую для преодоления тормозящего поля пространственного заряда, и достичь анода. При подаче положительного анодного напряжения для электронов создаётся ускоряющее поле, которое позволяет им преодолеть тормозящее поле пространственного заряда и достигнуть анода. По мере возрастания анодного напряжения U_А происходит постепенное рассасывание пространственного заряда, и анодный ток I_А увеличивается. При каком-то значении +Uа пространственный заряд полностью рассасывается. Режим, при котором полностью рассасывается пространственный заряд электронов в диоде, называется режимом насыщения. В этом режиме все электроны, вылетевшие с катода, достигают анода. В режиме насыщения ток эмиссии

I_А = I_{А нас}. Таким образом, при работе диода наблюдается два режима: режим пространственного заряда и режим насыщения.

I_А

режим простр. режим U_А

заряда насыщения

Основным режимом является режим пространственного заряда, т.к. в этом режиме проявляется управляющее действие поля анода, и анодный ток I_А меняется пропорционально напряжению U_А. Эта пропорциональность нарушается в режиме насыщения, где изменение U_А не вызывает соответствующего изменения I_А.

В действительности, и в режиме насыщения также происходит некоторое увеличение тока I_А при увеличении U_А. Оно особенно резко выражено у ламп с оксидными катодами, что связано с увеличением тока эмиссии под действием поля анода.

Статические параметры диода

Крутизна характеристики отражает управляющее воздействие изменения U_А на изменение I_А в режиме пространственного заряда:

S=ΔI_А/ ΔU_А , мА/В при U_н = const.

Крутизна характеристики в различных её точках разная, т.к. сама характеристика нелинейная. Очевидно, чем ближе к катоду расположен анод, тем управляющее воздействие поля анода на пространственный заряд больше и S соответственно больше. Ламповые диоды имеют S=2…6 мА/В.

Внутреннее сопротивление характеризует сопротивление диода изменяющемуся току, т.е. переменному току:

R_i = ΔU_А / ΔI_А при U_н = const.

Внутреннее сопротивление диода R_i составляет 50…1000 Ом.