Вакуумный диод: характеристика, принцип работы

 

Собирая различные электрические приборы в своей домашней лаборатории, многие люди не только экономят деньги на приобретении новой техники, но и чинят вышедшие из строя электроизделия. Для полноценной работы многих приборов требуются диоды, которые сегодня представлены самыми разнообразными экземплярами. В сегодняшней статье речь пойдет о таком элементе, которые довольно часто встречается в электрических схемах – вакуумный диод.

Чтобы правильно использовать такую детальку, необходимо знать ее устройство, а также какая схема и принцип работы для нее характерны. Обо всем этом вы узнаете из этой статьи.

Что представляет собой устройство

Современный диод вакуумного типа представляет собой баллон, выполненный из металлокерамики или стекла, лишенный воздуха. Их этого баллона выкачивают воздух до давления, находящегося на уровне 10-6 — 10-7 мм рт. ст. Отсюда и название данного элемента электросхем.

Строение диод вакуумного типа

Внутри такой баллон размещены два электрода. Одним из них является катод. Он имеет вид металлического вертикального цилиндра, который покрыт слоем оксида щелочно-земельных металлов (кальция, стронция, бария). Благодаря такому напылению данный элемент получил название оксидный катод.

Обратите внимание! При его нагревании с поверхности происходит значительно большее испускание электродов, чем с обычного металлического элемента аналогичного вида.

Катод внутри содержит изолированный проводник, нагреваемый переменным или постоянным током. При нагревании, катод испускает электроны, которые движутся и достигают второго элемента вакуумного диода – анода.
Анод имеет вид овального или круглого цилиндра. Он с катодом имеет общую ось. Схема диода вакуумного типа имеет следующий вид.

Схема диода вакуумного типа

Кроме вакуумного диода существует еще такое понятие, как электровакуумный диод.
Под собой электровакуумный диод подразумевает двухэлектродную вакуумную электронную лампу. Ее строение аналогично диоду вакуумного типа. По сути это одно и тоже. Здесь катод представляет собой W-образную или прямую нить. Он, в процессе работы такой лампы, нагревается до определенной температуры. В результате нагрева возникает термоэлектронная эмиссия. В ходе подачи на анод отрицательного напряжения относительно катода, электроны возвращаются обратно на катод. Когда на анод подается положительное напряжение, часть из эмитированных электронов начинает двигаться в нему. В результате возникает ток.

В результате своей работы вакуумные диоды и их аналоги способны на выпрямление приложенного к ним напряжения. Таким основным своей свойством обладают вакуумные выпрямители, поэтому они используются в качестве детекторов сигналов высокой частоты и выпрямления переменного тока.
Такое устройство характерно для всех изделий подобного типа. При этом данное устройство и определяет основные характеристики изделия, а также то, какое применение оно будет иметь.

Обратите внимание! Частотный диапазон для диода вакуумного типа несколько ограничен и не превышает 500 МГц. При этом интегрированные в волноводы дисковые диоды, способны на детектирование частоты до 10 ГГц.

Формы основных элементов диода

Форма катода и анода

Катод, входящий в состав диода вакуумного типа, зачастую имеет вид латинских букв W или V. Такая форма используется для увеличения длины изделия. В тоже время анод будет более выгодным, если станет изготавливаться в виде коробки, лишенной боковых граней. В сечении анод имеет форму прямоугольника с закругленными углами.

Такая форма анода определяется необходимостью для того, чтобы он во всех направлениях по возможности находился на одинаковом расстоянии от нагреваемого катода. По этой причиной наиболее выгодной формой для обоих элементов является эллиптическая.
Чтобы снизить степень нагрева анода в его устройстве часто фигурируют ребра (крылышки). Благодаря их наличию, анод имеет более качественное отведение тепла.

И катод и анод в баллоне крепятся при помощи специальных держателей. Для большего удобства в эксплуатации, внизу лампы устанавливается цоколь, состоящий из изоляционного материала. Он оснащен металлическими ножками-штырьками. Эти штырьки обеспечивают контакт лампы при включении ее в гнезда ламповой панели.
Вот такое устройство имеет электровакуумная лампы или диод вакуумного типа.

 

Принцип функционирования диода вакуумного типа

Чтобы схема, в которую входит выпрямитель вакуумного типа, работала как надо, следует понимать принцип работы такой детали.

Принцип работы диода

Принцип работы вакуумных диодов представляет собой следующую картину:

• в ходе разогрева катода, электроны с его поверхности начнут отделяться;
• их отделение происходит за счет формирования термоэлектронной эмиссии;
• освобожденные с поверхности электроны начинают препятствовать вылету других электронов. В следствии этого вокруг поверхности катода образуется облако электронов;
• часть электронов этого облака, обладающие наименьшими скоростями, опускается обратно на поверхность катода;
• в ситуации, когда задается определенная температура, облако электронов стабилизируется. Это означает, что с катода вылетает столько же электронов, сколько потом на него опускается;
• при наличии нулевого напряжения, например, при ситуации короткого замыкания анода на катоде, в лампе начинает течь ток электронов по направлению от катода к аноду. В данной ситуации наиболее быстрые электроны способны преодолеть имеющуюся потенциальную яму, из-за чего они и притягиваются к аноду. Отсечка тока происходит в той ситуации, когда на анод подается отрицательное запирающее напряжение. Это напряжение должно иметь один вольт или ниже.
• в ситуации подачи положительного напряжения на анод, в диоде формируется ускоряющее поле, которое способствует возрастанию на аноде тока. Когда ток на этом элементе достигает значений, которые близки в пределу эмиссии катода, происходит замедление роста тока и его стабилизация. Т.е. наблюдается эффект «насыщения».

Вот по такому принципу работают диоды вакуумного типа.

Важная характеристика диодного элемента – ВАХ

Все диоды, в не зависимости от того, вакуумные оны или нет, обладают таким параметром, как вольт амперная характеристика или сокращенно ВАХ.

ВАХ вакуумного диода

Чтобы разобраться, что же это за вольт амперная характеристика, рассмотрим график на примере происходящих в лампе процессов.
В самом начале, когда на аноде отсутствует напряжения, вокруг катода в следствие его нагрева формируется электронное облако. Когда на аноде возникает положительное небольшое напряжение, самые быстрые электроны, входящие в электронное облако катода, начинают устремляться к аноду. В результате можно регистрировать анодный ток небольшой величины. В ситуации, когда анодное напряжение будет продолжать увеличиваться, из электронного облака все большее число электронов будут перетекать к аноду в плоть до полного «рассасывания» катодного электронного облака. Это состояние соответствует точке В на графике, приведенном выше. Такое напряжение означает, что всех вылетающие из катода электроны будут немедленно притягиваться к аноду.

Обратите внимание! Дальнейшее нарастание анодного тока при сохранении величины накала не происходит. Чтобы добиться увеличение данного показателя необходимо использовать дополнительные электроны. А они здесь отсутствуют. Для этого увеличения показателя можно повысить накал катода, но такой способ не используется поскольку приводит к уменьшению срока службы катодного элемента.
Таким образом вся эмиссия катода при конкретной температуре накала будет исчерпана. В результате анод достиг ситуации «насыщения током».
Все эти процессы, поэтапно, отращены на вольт амперной характеристики, приведенной выше. Такой параметр, как вольт амперную характеристику в высшей точке, можно рассматривать как предел возможностей диода.
Как видим принцип работы изделия неотделим от ВАХ. При этом последняя является его отражением.

Где используются такие изделия

Применение электровакуумных ламп определяется их основными возможностями или свойствами, а именно способностью пропускать ток только в одном направлении. Это связано с тем, что в диоде движение электронов возможно только от катода к аноду. Иногда такое свойство диодных выпрямителей называется односторонней проводимостью. Благодаря такому свойству, вакуумные диоды применяются в качестве преобразователя постоянного тока в переменный (его выпрямления). Такие способности данного рода изделий обеспечили им обширное применение в радиоаппаратуре.

Обратите внимание! Использование диода вакуумного типа позволит решить проблему питания радиоаппаратуры от промышленной сети переменного тока.

Схема, по которой можно использовать диода в качестве выпрямителя для переменного тока, довольно проста.

Схема диода, работающего как выпрямитель

В данной ситуации между анодом и катодом следует включить источник переменного тока. Вверху графика отражено напряжение источника переменного тока. Здесь имеется периодическое его изменение с определенной частотой по типу синусоиды. С такой же чистотой меняется напряжение на аноде по отношению к катоду. Часть времени анод будет положительным (верхняя часть графика), а часть – отрицательным (нижняя часть графика).
При положительных полупериода на аноде будет положительное напряжение. В такой ситуации ток будет течь, а при противоположном значении полупериода – он будет отсутствовать. В результате получаться импульсы, равные по частоте переменному току.

Заключение

Зная особенности функционирования диодов вакуумного типа, можно максимально полно использовать их особенности в работе радиоэлектронных приборов. Помните, что каждый вид диодов имеет свои особенности и способен оптимально работать в определенных условиях. Учет всех параметров его работы, а также ВАХ, позволит выжать из изделия максимум без нарушения принципов его функционирования.

 

Принцип работы полупроводникового диода

Полупроводниковые диоды: виды,  характеристики, принцип работы

Для контроля направления электрического тока необходимо применять разные радио и электро детали.

В частности, современная электроника использует с такой целью полупроводниковый диод, его применение обеспечивает ровный ток.

Устройство

Полупроводниковый электрический диод или диодный вентиль – это устройство, которое выполнено из полупроводниковых материалов (как правило, из кремния) и работает только с односторонним потоком заряженных частиц.

Основным компонентом является кристаллическая часть, с p-n переходом, которая подключена к двум электрическими контактами.

Трубки вакуумного диода имеют два электрода: пластину (анод) и нагретый катод.

Принцип работы диодов

Диод является одной из разновидностей приборов, сконструированных на полупроводниковой основе. Обладает одним p-n переходом, а также анодным и катодным выводом. В большинстве случаев он предназначен для модуляции, выпрямления, преобразования и иных действий с поступающими электрическими сигналами.

Принцип работы:

1. Электрический ток воздействует на катод, подогреватель начинает накаливаться, а электрод испускать электроны.
2. Между двумя электродами происходит образование электрического поля.
3. Если анод обладает положительным потенциалом, то он начинает притягивать электроны к себе, а возникшее поле является катализатором данного процесса. При этом, происходит образование эмиссионного тока.
4. Между электродами происходит образование пространственного отрицательного заряда, способного помешать движению электронов. Это происходит, если потенциал анода оказывается слишком слабым. В таком случае, частям электронов не удается преодолеть воздействие отрицательного заряда, и они начинают двигаться в обратном направлении, снова возвращаясь к катоду.
5. Все электроны, которые достигли анода и не вернулись к катоду, определяют параметры катодного тока. Поэтому данный показатель напрямую зависит от положительного анодного потенциала.
6. Поток всех электронов, которые смогли попасть на анод, имеет название анодный ток, показатели которого в диоде всегда соответствуют параметрам катодного тока. Иногда оба показателя могут быть нулевыми, это происходит в ситуациях, когда анод обладает отрицательным зарядом. В таком случае, возникшее между электродами поле не ускоряет частицы, а, наоборот, тормозит их и возвращает на катод. Диод в таком случае остается в запертом состоянии, что приводит к размыканию цепи.

//www.youtube.com/embed/NqCaJhS0HGU?feature=oembed&wmode=opaque

Устройство

Ниже приводится подробное описание устройства диода, изучение этих сведений необходимо для дальнейшего понимания принципов действия этих элементов:

1. Корпус представляет собой вакуумный баллон, который может быть изготовлен из стекла, металла или прочных керамических разновидностей материала.
2. Внутри баллона имеется 2 электрода. Первый является накаленным катодом, который предназначен для обеспечения процесса эмиссии электронов. Самый простейший по конструкции катод представляет собой нить с небольшим диаметром, которая накаливается в процессе функционирования, но на сегодняшний день более распространены электроды косвенного накала. Они представляют собой цилиндры, изготовленные из металла, и обладающие особым активным слоем, способным испускать электроны.
3. Внутри катода косвенного накала имеется специфический элемент – проволока, которая накаливается под воздействием электрического тока, она называется подогреватель.
4. Второй электрод является анодом, он необходим для приема электронов, которые были выпущены катодом. Для этого он должен обладать положительным относительно второго электрода потенциалом. В большинстве случаев анод также имеет цилиндрическую форму.
5. Оба электрода вакуумных приборов полностью идентичны эмиттеру и базе полупроводниковой разновидности элементов.
6. Для изготовления диодного кристалла чаще всего используется кремний или германий. Одна из его частей является электропроводимой по p-типу и имеет недостаток электронов, который образован искусственным методом. Противоположная сторона кристалла также имеет проводимость, но n-типа и обладает избытком электронов. Между двумя областями имеется граница, которая и называется p-n переходом.

Такие особенности внутреннего устройства наделяют диоды их главным свойством – возможностью проведения электрического тока только в одном направлении.

Назначение

Ниже приводятся основные области применения диодов, на примере которых становится понятно их основное назначение:

1. Диодные мосты представляют собой 4, 6 или 12 диодов, соединенных между собой, их количество зависит от типа схемы, которая может быть однофазной, трехфазной полумостовой или трехфазной полномостовой. Они выполняют функции выпрямителей, такой вариант чаще всего используется в автомобильных генераторах, поскольку внедрение подобных мостов, а также использование вместе с ними щеточно-коллекторных узлов, позволило в значительной степени сократить размеры данного устройства и увеличить степень его надежности. Если соединение выполнено последовательно и в одну сторону, то это повышает минимальные показатели напряжения, которое потребуется для отпирания всего диодного моста.
2. Диодные детекторы получаются при комбинированном использовании данных приборов с конденсаторами. Это необходимо для того, чтобы было можно выделить модуляцию с низкими частотами из различных модулированных сигналов, в том числе амплитудно-модулированной разновидности радиосигнала. Такие детекторы являются частью конструкции многих бытовых потребителей, например, телевизоров или радиоприемников.
3. Обеспечение защиты потребителей от неверной полярности при включении схемных входов от возникающих перегрузок или ключей от пробоя электродвижущей силой, возникающей при самоиндукции, которая происходит при отключении индуктивной нагрузки. Для обеспечения безопасности схем от возникающих перегрузок, применяется цепочка, состоящая из нескольких диодов, имеющих подключение к питающим шинам в обратном направлении. При этом, вход, которому обеспечивается защита, должен подключаться к середине этой цепочки. Во время обычного функционирования схемы, все диоды находятся в закрытом состоянии, но если ими было зафиксировано, что потенциал входа ушел за допустимые пределы напряжения, происходит активация одного из защитных элементов. Благодаря этому, данный допустимый потенциал получает ограничение в рамках допустимого питающего напряжения в сумме с прямым падением показателей напряжение на защитном приборе.
4. Переключатели, созданные на основе диодов, используются для осуществления коммутации сигналов с высокими частотами. Управление такой системой осуществляется при помощи постоянного электрического тока, разделения высоких частот и подачи управляющего сигнала, которое происходит благодаря индуктивности и конденсаторам.
5. Создание диодной искрозащиты. Используются шунт-диодные барьеры, которые обеспечивают безопасность путем ограничения напряжения в соответствующей электрической цепи. В совокупности с ними применяются токоограничительные резисторы, которые необходимы для ограничения показателей электрического тока, проходящего через сеть, и увеличения степени защиты.

Использование диодов в электронике на сегодняшний день весьма широко, поскольку фактически ни одна современная разновидность электронного оборудования не обходится без этих элементов.

Прямое включение диода

На p-n-переход диода может оказывать воздействие напряжение, подаваемое с внешних источников. Такие показатели, как величина и полярность, будут сказываться на его поведении и проводимом через него электрическом токе.

Ниже подробно рассмотрен вариант, при котором происходит подключение плюса к области p-типа, а отрицательного полюса к области n-типа. В этом случае произойдет прямое включение:

1. Под воздействием напряжения от внешнего источника, в p-n-переходе сформируется электрическое поле, при этом его направление будет противоположным относительно внутреннего диффузионного поля.
2. Напряжение поля значительно снизится, что вызовет резкое сужение запирающего слоя.
3. Под воздействием этих процессов значительное количество электронов обретет возможность свободно переходить из p-области в n-область, а также в обратном направлении.
4. Показатели тока дрейфа во время этого процесса остаются прежними, поскольку они напрямую зависят только от числа неосновных заряженных носителей, находящихся в области p-n-перехода.
5. Электроны обладают повышенным уровнем диффузии, что приводит к инжекции неосновных носителей. Иными словами, в n-области произойдет повышение количества дырок, а в p-области будет зафиксирована повышенная концентрация электронов.
6. Отсутствие равновесия и повышенное число неосновных носителей заставляет их уходить вглубь полупроводника и смешиваться с его структурой, что в итоге приводит к разрушению его свойств электронейтральности.
7. Полупроводник при этом способен восстановить свое нейтральное состояние, это происходит благодаря получению зарядов от подключенного внешнего источника, что способствует появлению прямого тока во внешней электрической цепи.

Обратное включение диода

Теперь будет рассмотрен другой способ включения, во время которого изменяется полярность внешнего источника, от которого происходит передача напряжения:

1. Главное отличие от прямого включения заключается в том, что создаваемое электрическое поле будет обладать направлением, полностью совпадающим с направлением внутреннего диффузионного поля. Соответственно, запирающий слой будет уже не сужаться, а, наоборот, расширяться.
2. Поле, находящееся в p-n-переходе, будет оказывать ускоряющий эффект на целый ряд неосновных носителей заряда, по этой причине, показатели дрейфового тока останутся без изменений. Он будет определять параметры результирующего тока, который проходит через p-n-переход.
3. По мере роста обратного напряжения, электрический ток, протекающий через переход, будет стремиться достичь максимальных показателей. Он имеет специальное название – ток насыщения.
4. В соответствии с экспоненциальным законом, с постепенным увеличением температуры будут увеличиваться и показатели тока насыщения.

Прямое и обратное напряжение

Напряжение, которое оказывает воздействие на диод, разделяют по двум критериям:

1. Прямое напряжение – это то, при котором происходит открытие диода и начинается прохождение через него прямого тока, при этом показатели сопротивления прибора являются крайне низкими.
2. Обратное напряжение – это то, которое обладает обратной полярностью и обеспечивает закрытие диода с прохождением через него обратного тока. Показатели сопротивления прибора при этом начинают резко и значительно расти.

Сопротивление p-n-перехода является постоянно меняющимся показателем, в первую очередь на него оказывает влияние прямое напряжение, подающееся непосредственно на диод. Если напряжение увеличивается, то показатели сопротивления перехода будут пропорционально уменьшаться.

Это приводит к росту параметров прямого тока, проходящего через диод. Когда данный прибор закрыт, то на него воздействует фактически все напряжение, по этой причине показатели проходящего через диод обратного тока являются незначительными, а сопротивление перехода при этом достигает пиковых параметров.

Работа диода и его вольт-амперная характеристика

Под вольт-амперной характеристикой данных приборов понимается кривая линия, которая показывает то, в какой зависимости находится электрический ток, протекающий через p-n-переход, от объемов и полярности напряжения, воздействующего на него.

Подобный график можно описать следующим образом:

1. Ось, расположенная по вертикали: верхняя область соответствует значениям прямого тока, нижняя область параметрам обратного тока.
2. Ось, расположенная по горизонтали: область, находящаяся справа, предназначена для значений прямого напряжения; область слева для параметров обратного напряжения.
3. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики отражает пропускной электрический ток через диод. Она направлена вверх и проходит в непосредственной близости от вертикальной оси, поскольку отображает увеличение прямого электрического тока, которое происходит при увеличении соответствующего напряжения.
4. Вторая (обратная) ветвь соответствует и отображает состояние закрытого электрического тока, который также проходит через прибор. Положение у нее такое, что она проходит фактически параллельно относительно горизонтальной оси. Чем круче эта ветвь подходит к вертикали, тем выше выпрямительные возможности конкретного диода.
5. По графику можно наблюдать, что после роста прямого напряжения, протекающего через p-n-переход, происходит медленное увеличение показателей электрического тока. Однако постепенно, кривая достигает области, в которой заметен скачок, после которого происходит ускоренное нарастание его показателей. Это объясняется открытием диода и проведением тока при прямом напряжении. Для приборов, изготовленных из германия, это происходит при напряжении равном от 0,1В до 0,2В (максимальное значение 1В), а для кремниевых элементов требуется более высокий показатель от 0,5В до 0,6В (максимальное значение 1,5В).
6. Показанное увеличение показателей тока может привести к перегреву полупроводниковых молекул. Если отведение тепла, происходящее благодаря естественным процессам и работе радиаторов, будет меньше уровня его выделения, то структура молекул может быть разрушена, и этот процесс будет иметь уже необратимый характер. По этой причине, необходимо ограничивать параметры прямого тока, чтобы не допустить перегрева полупроводникового материала. Для этого, в схему добавляются специальные резисторы, имеющие последовательное подключение с диодами.
7. Исследуя обратную ветвь можно заметить, что если начинает увеличиваться обратное напряжение, которое приложено к p-n-переходу, то фактически незаметен рост параметров тока. Однако в случаях, когда напряжение достигает параметров, превосходящих допустимые нормы, может произойти внезапный скачок показателей обратного тока, что перегреет полупроводник и будет способствовать последующему пробою p-n-перехода.

Принцип работы

Понять принцип действия полупроводникового диода несложно. Все, что для этого понадобится — разбираться в базовых законах физики и знать, как происходят некоторые электрические процессы.

Изначально электроток действует на катод, что вызывает накаливание подогревательного элемента. В свою очередь, электродом испускаются электроны, а между двумя частями появляется электрическое поле.

Аноды с положительным зарядом воздействуют на электроны и притягивают их, а образованное поле выступает в качестве катализатора такой реакции. Также в этот момент формируется эмиссионный ток.

В двух электродах начинается формирование пространственно-отрицательного заряда, который может препятствовать протеканию электронов. Однако случается это лишь при снижении потенциала анода, в результате чего масса электронов не способна справиться с отрицательными элементами, что заставляет их перемещаться в обратном порядке, то есть электроны снова возвращаются к катоду.

Нередко показатели катодного тока держатся нулевой отметки — происходит это при воздействии частиц с зарядом минус. В результате образованное поле не заставляет электроны двигаться быстрее, а вызывает обратную реакцию — притормаживает их и заставляет вернуться обратно к катоду. В конечном итоге цепь размыкается, так как диод остается в запертом состоянии.

Конструкция диода

Одна из возможных конструкций диода показана ниже:

Рассмотрим одну из возможных конструкций прибора. Кристалл полупроводника 1 (например, с электронной проводимостью) размещен на металлической основе 3. На верхней части кристалла размещена примесь 2 (например индий), который обеспечивает наличие дырочной проводимости. Кристалл закрыт корпусом 4 во избежание различных механических повреждений p-n перехода.

С индиевой наплавки сделан изолированный вывод через стеклянный изолятор 5 – это анод прибора. Выводом же катода будет металлический корпус 3, которая также обеспечивает отвод тепла при работе устройства, чем защищает его от теплового пробоя и перегрева.

В свою очередь полупроводниковые элементы делят на:

• Малая мощность – ток до 0,3 А;
• Средняя – от 0,3 до 10 А;
• Мощные – от 10 А;

Схемы включения диодов

Если возникнет необходимость пропускать через полупроводники токи, которые больше их номинальных, соединяют их параллельно, что позволит пропустить больший ток, но возникает необходимость использовать индуктивные делители, для выравнивания токов элементов, схема ниже:

При больших напряжениях – соединяют последовательно. Но для таких соединений необходимо применять специальных схемы коммутации, чтоб не допустить выход элементов из строя, они показаны ниже:

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Изобретение электровакуумного диода — Control Engineering Russia

АЛЕКСАНДР МИКЕРОВ, д. т. н., проф. каф. систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Рис. 1. Опыт Гейтеля и Эльстера

Открытие электрона было сделано в результате изучения катодных лучей, т. е. явления эмиссии электронов с твердого металлического катода при приложении электрического поля высокого потенциала [1]. Однако первыми электронными приборами, нашедшими практическое применение, были ртутно-дуговые выпрямители Купера-Хьюитта с жидким (ртутным) катодом [2]. Эти газонаполненные приборы положили начало современной силовой электронике на базе тиристоров. Почти одновременно возникло и другое направление — информационная электроника на базе электровакуумных приборов с термоэлектронной эмиссией. Явление термоэлектронной эмиссии было открыто в 1873 г. британским ученым и основателем Лондонского физического общества Фредериком Гатри (Frederick Guthrie), который обнаружил, что соединенная с электроскопом пластина, помещенная вблизи раскаленного докрасна металлического шара, заряжалась отрицательно [3]. Более подробно этот эффект исследовали в 1880 г. немецкие ученые Ганс Гейтель (Hans Geitel) и Юлиус Эльстер (Julius Elster), известные также тем, что все детство, годы учебы и исследовательской работы они провели вместе. В их опытах платиновый провод, нагреваемый электрическим током, помещался в колбу с откачанным воздухом либо c газом (рис. 1).

Рис. 2. Эффект Эдисона

Аналогичные опыты проводил в 1883 г. и Эдисон при отработке конструкции своей знаменитой вакуумной лампы накаливания с угольной нитью, внутренняя поверхность которой, однако, со временем темнела [3–5]. Помощник Эдисона Уильям Хаммер (William Hammer), впоследствии видный организатор электрического освещения, обнаружил на стекле светлую полоску, которую можно было бы объяснить экранирующим действием нити, испускающей частицы углерода. Предположив, что эти частицы несут электрический заряд, Эдисон ввел внутрь баллона лампы (1) с нитью накала (2) дополнительный электрод (3), надеясь притянуть эти частицы и тем самым уменьшить потемнение (рис. 2). И действительно — гальванометр (4), подключенный к положительному электроду накала, показывал наличие тока. Однако уменьшить потемнение лампы таким путем не удалось, и Эдисон эти эксперименты забросил. Полученное явление, названное эффектом Эдисона, — как и другие подобные наблюдения, описанные выше, — утвердило ученых в мысли, что накаленные тела излучают молекулы или атомы, переносящие каким-то образом и отрицательные заряды [3].

Рис. 3. Джон Флеминг (1849–1945)

Научное объяснение этому феномену было найдено только в 1902 г. английским ученым Оуэном Ричардсоном (Owen Richardson) после открытия электрона Томсоном в 1897 г. [4, 5]. Ричардсон создал теорию термоэлектронной эмиссии (thermionic emission), за что получил в 1928 г. Нобелевскую премию [6]. Однако ни он, ни другие ученые и изобретатели не смогли предложить никакого практического приложения обнаруженному эффекту. Было очевидно, что энергетическое преобразование напряжения накала в ток электрода было совсем невыгодным, например, по сравнению с ртутно-дуговыми лампами. Только Эдисон, запатентовавший в 1884 г. свой эффект, указал на возможность его использования для обнаружения нестабильности напряжения в сети [4].

Человеком, который открыл широкие возможности применения двухэлектродного вакуумного прибора для детектирования высокочастотных электромагнитных волн и тем самым сделал радио доступным миллионам жителей планеты, стал великий английский ученый и инженер Джон Амброз Флеминг (John Ambrose Fleming, рис. 3), 170-летие которого мы отмечаем в этом году.

Среди выдающихся создателей радио Флеминг отличается долголетием. Многие ученые, заложившие фундамент наших знаний об электромагнетизме и радио, прожили очень мало: творец электромагнитной теории Максвелл — 48 лет; создатель первого радиоприемника Попов — 47 лет; Лебедев, измеривший давление электромагнитной волны, — 46 лет; а Герц, открывший электромагнитные волны Максвелла, всего 37 [5]. Изобретатель первой электронной радиолампы профессор сэр Флеминг прожил долгую творческую жизнь до 95 лет. О первой своей научной работе он доложил Лондонскому физическому обществу в 25 лет, а о последней — в 90 [7, 8, 9].

Флеминг был старшим из семи детей священника, не имевшего средств, чтобы дать сыну хорошее инженерное образование, к которому тот стремился. Поэтому юноше пришлось совмещать обучение в Университетском колледже Лондона, а затем и в университете Кембриджа с работой в различных конторах и учителем в школе [8–10]. В Кембридже он посещал лекции самого Максвелла и работал в его знаменитой Кавендишской лаборатории. Его наставником был также профессор Гатри. После получения докторской степени Флеминг преподавал в нескольких университетах, пока в 1885 г. не был приглашен стать профессором и заведующим первой в Англии кафедрой электротехники Университетского колледжа Лондона, где он успешно проработал 42 года, создав прекрасную лабораторию [8, 9]. Одновременно Флеминг консультировал различные предприятия, одним из которых была английская компания Эдисона, внедрявшая его систему освещения. Имея доступ к документам компании и встречаясь с ее главой, Флеминг обратил внимание на эффект Эдисона и в 1883–1886 гг. изготовил несколько двухэлектродных ламп. Детально их изучив, он установил, в частности, что гальванометр показывал протекание постоянного тока и при питании накала переменным током [3, 4, 11]. Но тогда он оставил эти опыты, не видя в них практического смысла.

В 1897 г. Гульельмо Маркони (Guglielmo Marconi), имея амбициозные планы по развитию запатентованного им в том же году радио, основал в Англии компанию Wireless Telegraph & Signal Company, в которую пригласил Флеминга в качестве консультанта [9, 11]. Ему было поручено сконструировать мощный радио­передатчик на 25 кВт для радиостанции в Польдху (Англия), с помощью которой предполагалось установить первую в мире трансатлантическою беспроволочную связь с Ньюфаундлендом (Канада), находящимся на расстоянии около 3500 км от того места [4, 5]. Когда это фантастическое событие, предвещавшее наступление века радио, свершилось в 1901 г., вся слава досталась лично Маркони [3, 9, 11]. Флеминг открыто выражал свое недовольство, и его контракт с компанией Маркони в конце 1903 г. был разорван [11]. Масла в огонь подлила неудачная публичная лекция Флеминга в том же году, которая должна была продемонстрировать преимущества «синтонической» системы Маркони. Данная система содержала резонансные контуры настройки на передающую радиостанцию, предотвращающую помехи от других источников. Однако в конце лекции приемник зафиксировал оскорбительное для Маркони сообщение неизвестной радиостанции. Это была одна из первых в истории хакерских атак, организованная конкурентом Маркони — изобретателем и фокусником Невилом Маскелайном (Nevil Maskelyne), стремившимся опорочить систему Маркони [11]. И хотя Флеминг в печати назвал это «научным хулиганством», сам Маркони скорее был склонен винить во всем несовершенство демонстрационной аппаратуры Флеминга.

Рис. 4. Установка Флеминга

Желая вернуть расположение шефа, Флеминг попытался улучшить радиоаппаратуру — в частности, найти более эффективный детектор радиосигнала взамен применявшихся тогда когерера или магнитного детектора [11]. Поскольку все измерительные приборы переменного тока для этого явно не подходили, он искал способ преобразования (выпрямления) высокочастотных колебаний в постоянный ток для использования самого чувствительного прибора — зеркального гальванометра. Помимо указанных выше детекторов, тогда также были известны электролитические выпрямители, например предложенный французским инженером Альбертом Нодоном (Albert Nodon) и названный им электролитическим вентилем [3, 11]. Этот прибор представлял собой электролитическую ванночку с двумя погруженными в нее алюминиевыми электродами. Испытав ее, Флеминг с сожалением убедился, что электролитический вентиль не обладает достаточным быстродействием. Тогда он попытался использовать, как показано на рис. 4, свою забытую двухэлектродную лампу (1), включив ее в цепь приемной антенны (2) с гальванометром (3) и батареей питания (4) [3, 4, 11]. Передатчиком служил вибратор Герца (справа) с катушкой Румкорфа (5), искровым разрядником (6), лейденскими банками (конденсаторами) (7), излучающий радиоволну с помощью антенны (8) [5].

Рис. 5. Вентиль Флеминга

По аналогии с изобретением Нодона Флеминг назвал свою лампу термоэлектронным, или частотным вентилем, известным впоследствии как вентиль Флеминга, вакуумный вентиль, или лампа, кенотрон и т. д. (рис. 5 и 6) [3, 4, 6, 11, 12]. В России сначала употреблялся термин «пустотная лампа». С 1920-х гг. за ним закрепилось название «диод», образованное от греческих слов δύο (два) и ὁδός (путь) [13].

Подобно лампе Эдисона (рис. 2), вентиль содержал баллон (1) с нитью накала (катод) (2), питаемой батареей, однако отличался формой цилиндрического дополнительного электрода (анода) (3), подключаемого к гальванометру (4) через антенну радиоприемника (5) c трансформатором (6). Поскольку гальванометр был соединен с отрицательным выводом батареи, анодный ток наблюдался только при положительном полупериоде принимаемого антенной сигнала. К этому времени Флеминг, опираясь на электронную теорию, уже правильно объяснил эффект Эдисона потоком электронов между катодом и анодом [3, 11].

Рис. 6. Первые вентили Флеминга

Убедившись в работоспособности своего устройства и оформив в 1904 г. английский патент [12] (а в 1905 г. и патент США), Флеминг сразу сообщил о своем изобретении Маркони, который с энтузиазмом его воспринял, попросил образец вентиля и провел собственные исследования, заменив гальванометр телефоном [11]. Причина, по которой сам Флеминг использовал в качестве индикатора гальванометр, состояла в том, что он был глуховат и не мог воспринимать принимаемый сигнал на слух [3, 4, 11]. С другой стороны, он хотел применять эту установку в метрологических целях, например для измерения мощности, излучаемой антеннами радиостанций, что и отражается в названии его английского патента.

Маркони удостоверился в преимуществах детектора Флеминга, ввел его в свою радиоаппаратуру и с 1905 г. возобновил контракт с Флемингом на условиях передачи компании всех его патентных прав, которые пришлось неоднократно защищать в суде. Их плодотворное сотрудничество продолжалось до 1914 г. [9, 11]. Однако в 1943 г. Верховный суд США признал патент Флеминга на диод недействительным по причине расширительной формулировки областей применения.

В дальнейшем вакуумный диод в радиотелеграфии и телефонии был вытеснен кристаллическим детектором и триодом Ли де Фореста, о котором пойдет речь в следующей статье. Однако до изобретения полупроводниковых приборов электровакуумные диоды широко применялись для силовых выпрямителей с напряжением до 100 кВ и выходной мощностью до 10 кВт, что, конечно, гораздо ниже, чем у ртутно-дуговых выпрямителей [2, 3].

Рис. 7. Правило правой руки

Флеминг был непревзойденным лектором и демонстратором научных опытов [9]. Он тщательно готовился к каждому занятию, использовал световые проекционные слайды и проводил репетиции. Когда в 1895 г. Рентген открыл свои знаменитые Х-лучи, Флеминг приготовил специальную лекцию, к которой привлек ассистента с пулевым ранением руки. В начале лекции его рука просвечивалась портативным рентгеновским аппаратом, пластина проявлялась и в конце лекции пуля в руке демонстрировалась проектором. Флеминг также известен своими работами по трансформаторам и измерительной технике, он написал девятнадцать известных книг и учебников по электромагнетизму и электротехнике [8, 9]. До сих пор инженеры и студенты используют правило Флеминга для определения направлений механической силы (движения), тока в проводнике и действующего магнитного поля в генераторах и электродвигателях. На рис. 7 приведено изображение для правой руки (1), созданное самим Флемингом для генератора с направлениями: 2 — движения проводника, 3 — магнитного поля, 4 — индуцированного в проводнике тока [14].

В СССР, правда, эти правила широко применялись в измененном виде без упоминания имени автора.

Флеминг был удостоен многих научных медалей и наград, в 1929 г. получил рыцарское звание и титул сэра [4, 8–10]. Будучи человеком религиозным, он активно занимался благотворительностью и участвовал в движении протеста против эволюционной теории Дарвина. Последнее, чем удивил сэр Джон Флеминг современников, была его вторичная женитьба в 84-летнем возрасте на молодой популярной певице [7, 9, 14]. 

---

• Изобретение электровакуумных приборов явилось результатом обнаружения Готье в 1873 г. явления испускания раскаленными металлическими телами отрицательных зарядов.

• В 1883 г. Эдисон продемонстрировал в замкнутой цепи с двухэлектродной лампой электрический ток, названный эффектом Эдисона, который был объяснен только после открытия электрона и создания Ричардсоном в 1902 г. теории термоэлектронной эмиссии.

• Возможности практического применения двухэлектродных приборов для радиосвязи, СВЧ-измерения и выпрямления были открыты Флемингом в 1904 г.

• Флеминг также остался в памяти современников как умелый педагог и замечательный популяризатор электромагнетизма, электротехники и связи.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

Литература

1. Микеров А. Г. Начало электроники – открытие электрона // Control Engineering Россия. 2018. № 5(77).
2. Микеров А. Г. Газооразрядные лампы – первые электронные приборы // Control Engineering Россия. 2018. № 6 (78).
3. Fleming J. A. The thermionic valve and its developments in radiotelegraphy and telephony. London, New York: The Wireless press. 1919.
4. Пестриков В. М. История первой радиолампы // IT news. 2004. №22.
5. Микеров А. Г., Вейнмейстер А. В. История науки и техники в области управления и технических систем. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2016.
6. Guarnieri M. The Age of Vacuum Tubes: Early Devices and the Rise of Radio Communications // IEEE Industrial Electronics Magazine. March 2012.
7. Fleming John Ambrose. Complete dictionary of scientific biography. Detroit: Charles Scribner’s Sons. 2008. V.5.
8. https://en.wikipedia.org/wiki/John_Ambrose_Fleming.
9. Eccles W. H. John Ambrose Fleming. 1849-1945. Obituary Notices of Fellows of the Royal Society. 1945. N5 (14).
10. https://interestingengineering.com/who-was-sir-john-ambrose-fleming-all-about-the-father-of-electronics.
11. Sungook Hong. Inventing the history of invention: Fleming’s Route to the valve // Exposing electronics. NMSI Trading Ltd. 2003.
12. Fleming J. A. Improvements in Instruments for Detecting and Measuring Alternating Electric Currents. Patent GB190424850(A). Nov. 16. 1904.
13. https://ru.wiktionary.org/wiki/диод.
14. famousscientists.org/john-ambrose-fleming/.

Вольт-амперная характеристика полупроводниковых диодов, типовые ВАХи

Электровакуумный диод представляет собой прибор, работающий за счет контроля интенсивности нагрева положительного и отрицательного полюсов устройства. Вход устройства при подаче электрического тока нагревается, после чего появляется эффект выхода электронов из металла. Если подавать электрический ток с отрицательным напряжением, осуществляется процесс обратный термоэлектронной эмиссии. За счет этого идет выпрямление мощности, которая подается на радиодеталь.

Вах полупроводникового прибора

Вольтамперная характеристика вакуумного диода

Данная характеристика состоит из классических трех ступеней:

1. Нелинейная часть. Вольт амперная характеристика диода в месте подачи тока возрастает небольшими темпами. Это объясняется эффектом противодействия полю анода отрицательного напряжения свободных электронов. На данном участке ток анода крайне низок. Влияние напряжения на силу экспоненциально.
2. Вторая часть кривой описывается законом степени 3/2. Влияние электричества на аноде от подаваемого напряжения в данном случае записывается формулой трех вторых, в которой напряжение на аноде умножается на константу, характеристики габаритов электрода.
3. Напряжение насыщения. Если напряжение на аноде продолжает увеличиваться соразмерно предыдущим показателям, скорость увеличения выходного тока снижается. Повысить мощность на выходе невозможно из-за отсутствия свободных электронов.

Как работает диод

Диод – полупроводниковое устройство, которое обладает односторонней проводимостью. Эта характеристика появляется из-за особенностей pn перехода и сопротивления на его концах. Односторонняя проводимость обозначает, что радиодеталь пропустит электрический ток только в том случае, если на аноде (входе) будет больший потенциал. Если мощность выше на катоде, появляется обратный ток. Однако из-за высокой степени сопротивления величины такого электрического тока критически малы. Таким образом строится вольт амперная характеристика полупроводникового устройства.

Принцип функционирования диода вакуумного типа

При подаче электричества на выход электровакуумного диода электроны покидают поверхность из-за эффекта термоэлектронной эмиссии. При этом с накоплением свободных заряженных частиц в атмосфере появляется область, которая характеризуется негативным потенциалом. Характерной особенностью вакуумного прибора является то, что в это время поверхности анода начнут положительно заряжаться. Из-за этого последующим заряженным частицам потребуется более высокий уровень заряда для отрыва. В результате переходных процессов вокруг катода формируется облако заряженных частиц.

Интересно. Незначительная часть электронов возвращается на выход радиодетали. При температуре, которая соответствует требуемой, и стабилизации облака выход и возврат заряженных частиц из катода уравниваются, чем обеспечивают стабильное движение заряженных частиц.

Электрический ток в вакууме

Чтобы появилась возможность передавать ток в вакууме, требуется добавить в пространство свободные заряженные частицы при помощи явлений эмиссии:

• Термоэлектронная – представляет собой процесс освобождения заряженных частиц металлами во время нагрева. Скорость процесса зависит от площади, условий нагрева и свойств материала. Когда кинетическая энергия превышает мощь электронных связей, происходит освобождение частиц;
• Фотоэлектронная – возникает под действием освещения.
• Автоэлектронная эмиссия происходит из-за влияния электрического поля.

Прямое и обратное напряжение диода

Уровень мощности, при котором прибор открыт, и через него течет электричество, называется ток. Обратное напряжение – отрицательная мощность, которая течет с катода на анод. В случае прямого напряжения уровень препятствия движению заряженных частиц не выше 100 Ом, однако при обратном напряжении уровень сопротивления возрастает в несколько сотен раз и может достигать миллионов Ом.

Прямое и обратное напряжение диода

Обратное включение диода, обратный ток

Обратный ток возникает, когда напряжение на катоде выше, чем на аноде. В такой ситуации заряженные частицы из области n перехода начнут смещаться к положительной части детали и передвигаться к отрицательному полюсу. Это приводит к возникновению области, которая содержит малое количество заряженных частиц, из-за чего повысится сопротивление. Однако течение электронов будет продолжаться.

Прямое включение диода, прямой ток

При подключении к аноду большего напряжения, чем на катоде, возникает прямой ток. В таком случае агрегат находится в открытом состоянии. Итоговое значение на выходе зависит от технических характеристик и уровня напряжения на входе. При этом свободные участки из области n типа передвигаются к заряженным частицам из Р типа и, наоборот. На месте pn перехода происходит встреча дырок и электронов, и осуществляется рекомбинация.

ВАХ и выпрямительный диод

ВАХ диода состоит из нескольких квадрантов:

• В первом случае прибору присуща высокая проводимость, которая соответствует приложенному напряжению;
• Во второй части радиоэлектронное устройство получает ток до состояния насыщения, затем сбрасывается;
• В последующем сегменте присутствует обратная ветвь ВАХ диода. Аппроксимация данного состояния свидетельствует о низкой проводимости.

ВАХ стабилитрона

Идеализированная ВАХ полупроводникового диода

Данная характеристика присуща идеальному диоду. Главной задачей такого устройства является пропуск электричества исключительно в одну сторону. В таком случае сопротивление идеального радиоэлемента равно нулю в случае подключения положительного заряда к аноду, и может равняться бесконечности при обратном способе включения в цепь.

Практическое использование выпрямительного диода

Используют устройства в таких узлах:

• БП силовых агрегатов автомобилей и кораблей;
• В диодном мосту;
• В устройствах для выпрямления переменного тока и гальванических емкостей;
• В трансформаторах для передачи электричества посредством высоковольтной линии.

Выбор выпрямительных диодов

Во время подбора выпрямительных деталей требуется учитывать большое количество факторов:

• Частота тока;
• Значения входного тока в амперах;
• Параметр входного напряжения в вольтах;
• Устойчивость к условиям внешней среды..

Что обозначает маркировка

Типичная маркировка:

• Первый символ – Д – диод;
• Второй – нумерация, которая соответствует типу элемента, материалу и способу применения;
• Третий – разновидность устройства.

Вольт амперная характеристика диода показывает основные параметры диода. При помощи графика можно получить точную информацию о зависимости значения напряжения на выходе диода от напряжения на входе. Существует несколько видов диодов: идеальный и реальный, выпрямительный и стабилитрон, кремниевый и германиевый, а также светодиод и вакуумный. Отличия между ними – в выполняемой работе. При этом формула выходного напряжения в цепи будет незначительно отличаться. Так как лабораторные условия встречаются редко, то возможны незначительные погрешности во время включения и последующего выполнения функций устройством. ВАХ полупроводникового агрегата существенно различается от типа к типу, отличные характеристики могут быть значительными.

Видео

Диоды. Устройство и работа. Характеристики и особенности

Самым простым по конструкции в семействе полупроводников являются диоды, имеющие в конструкции всего два электрода, между которыми существует проводимость электрического тока в одну сторону. Такой вид проводимости в полупроводниках создается благодаря их внутреннему устройству.

Особенности устройства

Не зная конструктивных особенностей диода, нельзя понять его принципа действия. Структура диода состоит из двух слоев с проводимостью различного вида.

Диод состоит из следующих основных элементов:

• Корпус. Выполняется в виде вакуумного баллона, материалом которого может быть керамика, металл, стекло и другие прочные материалы.
• Катод. Он расположен внутри баллона, служит для образования эмиссии электронов. Наиболее простым устройством катода является тонкая нить, раскаляющаяся в процессе действия. Современные диоды оснащены косвенно накаляющимися электродами, которые выполнены в виде металлических цилиндров со свойством активного слоя, имеющего возможность испускать электроны.
• Подогреватель. Это особый элемент в виде нити, раскаляющейся от электрического тока. Подогреватель расположен внутри косвенно накаляющегося катода.
• Анод. Это второй электрод диода, служащий для приема электронов, вылетевших от катода. Анод имеет положительный потенциал, по сравнению с катодом. Форма анода чаще всего так же, как и катода, цилиндрическая. Оба электрода аналогичны эмиттеру и базе полупроводников.
• Кристалл. Его материалом изготовления является германий или кремний. Одна часть кристалла имеет р-тип с недостатком электронов. Другая часть кристалла имеет n-тип проводимости с избытком электронов. Граница, расположенная между этими двумя частями кристалла, называется р-n переходом.

Эти особенности конструкции диода позволяют ему проводить ток в одном направлении.

Принцип действия

Работа диода характеризуется его различными состояниями, и свойствами полупроводника при нахождении в этих состояниях. Рассмотрим подробнее основные виды подключений диодов, и какие процессы происходят внутри полупроводника.

Диоды в состоянии покоя

Если диод не подключен к цепи, то внутри него все равно происходят своеобразные процессы. В районе «n» есть излишек электронов, что создает отрицательный потенциал. В области «р» сконцентрирован положительный заряд. Совместно такие заряды создают электрическое поле.

Так как заряды с разными знаками притягиваются, то электроны из «n» проходят в «р», при этом заполняют дырки. В итоге таких процессов в полупроводнике появляется очень слабый ток, увеличивается плотность вещества в области «р» до определенного значения. При этом частицы расходятся по объему пространства равномерно, то есть, происходит медленная диффузия. Вследствие этого электроны возвращаются в область «n».

Для многих электрических устройств направление тока не имеет особого значения, все работает нормально. Для диода же, большое значение имеет направление протекания тока. Основной задачей диода является пропускание тока в одном направлении, чему благоприятствует переход р-n.

Обратное включение

Если диоды подсоединять к питанию по изображенной схеме, то ток не будет проходить через р-n переход. К области «n» подсоединен положительный полюс питания, а к «р» — минусовой. В итоге электроны от области «n» переходят к плюсовому полюсу питания. Дырки притягиваются минусовым полюсом. На переходе возникает пустота, носители заряда отсутствуют.

При повышении напряжения дырки и электроны осуществляют притягивание сильнее, и на переходе нет носителей заряда. При обратной схеме включения диода ток не проходит.

Повышение плотности вещества возле полюсов создает диффузию, то есть, стремление к распределению вещества по объему. Это возникает при выключении питания.

Обратный ток

Вспомним о работе неосновных переносчиков заряда. При запертом диоде, через него проходит малая величина обратного тока. Он и образуется от неосновных носителей, двигающихся в обратном направлении. Такое движение возникает при обратной полярности питания. Обратный ток обычно незначительный, так как число неосновных носителей очень мало.

При возрастании температуры кристалла их число повышается и обуславливает повышение обратного тока, что обычно приводит к повреждению перехода. Для того, чтобы ограничить температуру работы полупроводников, их корпус монтируют на теплоотводящие радиаторы охлаждения.

Прямое включение

Поменяем местами полюса питания между катодом и анодом. На стороне «n» электроны будут отходить от отрицательного полюса, и проходить к переходу. На стороне «р» дырки, имеющие положительный заряд, оттолкнутся от положительного вывода питания. Поэтому электроны и дырки начнут стремительное движение друг к другу.

Частицы с разными зарядами скапливаются возле перехода, и между ними образуется электрическое поле. Электроны проходят через р-n переход и двигаются в область «р». Часть электронов рекомбинирует с дырками, а остальные проходят к положительному полюсу питания. Возникает прямой ток диода, который имеет ограничения его свойствами. При превышении этой величины диод может выйти из строя.

При прямой схеме диода, его сопротивление незначительное, в отличие от обратной схемы. Считается, что обратно ток по диоду не проходит. В результате мы выяснили, что диоды работают по принципу вентиля: повернул ручку влево – вода течет, вправо – нет воды. Поэтому их еще называют полупроводниковыми вентилями.

Прямое и обратное напряжение

Во время открытия диода, на нем имеется прямое напряжение. Обратным напряжением считается величина во время закрытия диода и прохождения через него обратного тока. Сопротивление диода при прямом напряжении очень мало, в отличие от обратного напряжения, возрастающего до тысяч кОм. В этом можно убедиться путем измерения мультиметром.

Сопротивление полупроводникового кристалла может изменяться в зависимости от напряжения. При увеличении этого значения сопротивление снижается, и наоборот.

Если диоды использовать в работе с переменным током, то при плюсовой полуволне синуса напряжения он будет открыт, а при минусовой – закрыт. Такое свойство диодов применяют для выпрямления напряжения. Поэтому такие устройства называются выпрямителями.

Характеристика диодов

Характеристика диода выражается графиком, на котором видна зависимость тока, напряжения и его полярности. Вертикальная ось координат в верхней части определяет прямой ток, в нижней части – обратный.

Горизонтальная ось справа обозначает прямое напряжение, слева – обратное. Прямая ветка графика выражает ток пропускания диода, проходит рядом с вертикальной осью, так как выражает повышение прямого тока.

Вторая ветка графика показывает ток при закрытом диоде, и проходит параллельно горизонтальной оси. Чем круче график, тем лучше диод выпрямляет ток. После возрастания прямого напряжения, медленно повышается ток. Достигнув области скачка, его величина резко нарастает.

На обратной ветви графика видно, что при повышении обратного напряжения, величина тока практически не возрастает. Но, при достижении границ допустимых норм происходит резкий скачок обратного тока. Вследствие этого диод перегреется и выйдет из строя.

Похожие темы:

ГЛАВА 6. ПРИБОРЫ  ВАКУУМНОЙ  ЭЛЕКТРОНИКИ

 

К классу электронно-вакуумных относят приборы, действие которых основано на формировании, управлении и преобразовании энергии электронных потоков в вакуумированном рабочем объёме. Их можно разделить на три группы:

1. Электровакуумные приборы, в которых управление электронным потоком осуществляется посредством потенциалов электродов.

2.  Электронно-лучевые приборы, в которых электронный пучок используется для преобразования оптического сигнала в электрический и обратного преобразования электрического сигнала в оптический.

3.  Плоские панели и дисплеи, преобразующие электрический сигнал в оптический без формирования электронного пучка.

 

6.1. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫ ПРИБОРЫ

 

К этой группе приборов отнесём электронные лампы и фотоэлектронные приборы.

 

6.1.1.ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ

 

Электронные лампы образуют одну из старейших подгрупп электронных приборов. Они ведут свою родословную от электровакуумного диода, изобретённого профессором Лондонского университета Джоном Флемингом в 1904 году. В течение 50 лет они исправно выполняли функции преобразователей электрических сигналов и достигли в этом пределов совершенства. Но с наступлением транзисторной эры их применение начало быстро сокращаться, и к началу 1970–х годов они практически вышли из употребления в слаботочной электронике. Полупроводниковые приборы оставили им только небольшую нишу мощных генераторов ВЧ и СВЧ колебаний. При всей её важности количественно выпуск генераторных ламп исчислялся десятками, в лучшем случае сотнями тысяч, в год. Но оказалось, что и маломощные приемно-усилительные лампы рано хоронить окончательно. Транзисторы не смогли превзойти их по уровню собственных шумов,  поэтому в середине 1980-х годов наметился рост выпуска и продаж ламп для высококачественных звуковоспроизводящих систем. К началу ХХI века мировой объём этого сектора рынка электронных компонентов достиг 150 млн. долларов и имеет тенденцию к медленному росту.

Рассмотрим кратко физические процессы в электронных лампах, их характеристики и параметры.

 

6.1.1.1.  ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЙ ДИОД

 

Электровакуумный диод – простейший их электронных приборов. Он состоит из стеклянного или металлического баллона, в котором расположены два электрода – эмиттер электронов — катод и коллектор электронов – анод (рис.6.1). Подогревный оксидный катод и анод выполнены, как правило, в виде соосных цилиндров.

                     

                          Рис. 6.1  Электровакуумный диод       

                  

Основное свойство диода – односторонняя проводимость. При нагреве катода до температуры   и подаче на анод положительного относительно катода напряжения   в цепи протекает значительный анодный ток  . При отрицательном относительно катода анодном напряжении анодный ток отсутствует. Зависимость анодного тока от анодного напряжения называется анодной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). ВАХ диода при  сильно нелинейна. Нелинейность обусловлена влиянием на анодный ток двух факторов – анодного напряжения и поля пространственного заряда (ПЗ). Пространственный заряд образован всеми электронами, эмитированными катодом в рабочий объём. В точке расположения одного из них остальные создают суммарное поле   с потенциалом  , повышающее потенциальную энергию электрона на   . Анодное напряжение создаёт в рабочем объёме поле  и потенциал  . Суммарный потенциал  может быть найден из уравнения Пуассона. Рассмотрим одномерную плоскостную модель диода. Будем считать катод и анод бесконечными параллельными плоскостями, расположенными на расстоянии  d . Уравнение Пуассона имеет в этом случае вид

                                                                     (6.1)

Потенциал должен также удовлетворять граничным условиям

                           ,                                (6.2)

Пространственный заряд будем считать распределённым однородно, так что  , где   – число электронов в единице рабочего объёма. Из (6.1) и (6.2) находим потенциал

                                              (6.3)

или, в зависимости от безразмерной переменной    ,

                                             ()

Потенциальная энергия электрона равна

                                                            (6.4)

где  . Графики её при различных анодных напряжениях показаны на рис.6.2. При   в рабочем пространстве образуется симметричный потенциальный барьер. Высота его в максимуме, при  ,  равная, с одной стороны,

                                                                  (6.5)

с другой стороны, должна составлять , чтобы отсутствовал суммарный поток электронов из катода в рабочий объём. Отсюда находим, что плотность электронов в единице рабочего объёма

 

           

        

 

       Рис.6.2. Графики функции   при

При , как следует из (6.4), потенциальный барьер снижается,

                                               (6.6)

вследствие чего наиболее энергичные эмитированные электроны преодолевают его и создают анодный ток. Число таких электронов нелинейно растёт с уменьшением  , поэтому и ток нелинейно зависит от анодного напряжения. Точно описать эту зависимость простым выражением нельзя. Ещё в начале XX века американский физик Ирвинг Лэнгмюр вывел при сильных упрощающих предположениях уравнение ВАХ диода

                                                                               (6.7)

За ним закрепилось название “закон трёх вторых Лэнгмюра”. Коэффициент пропорциональности  есть не что иное, как первеанс, уже встречавшийся при описании электронных пучков. Уравнение (6.7) приближённо описывает ток, ограниченный пространственным зарядом (ТОПЗ).  При остаточно большом анодном напряжении ПЗ, как говорят, рассасывается и потенциальный барьер исчезает. Как следует из (6.6) и рис. 6.2, это происходит, если  . При ещё больших анодных напряжениях  все эмитированные электроны достигают анода, поэтому ток насыщается, то есть перестаёт зависеть от напряжения. График ВАХ диода показан на рис.6.3.

 

        

                   Рис.6.3  ВАХ электровакуумного диода

 

6.1.1.2. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЙ ТРИОД

 

Возможности электровакуумного диода оказались не слишком велики. Обладая одной степенью свободы, он мог выполнять одну функцию – преобразовывать переменный ток в пульсирующий.

Бурное развитие радиотехники началось после изобретения нью-йоркским инженером Ли де Форестом  в 1907 году электронной лампы с двумя степенями свободы – электровакуумного триода. Дополнительная степень свободы обеспечивалась введением третьего электрода – управляющей сетки – между катодом и анодом. Обычно сетка выполнятся в виде спирали, навитой на траверзах (держателях) вокруг катода. Условное обозначение триода и схема его включения показаны на рис.6.4. Потенциалы сетки и анода относительно катода можно менять независимо. Это и позволяет использовать триод для усиления электрических сигналов.

Электрон движется в рабочем объёме триода под влиянием трёх полей – анодного поля  , сеточного поля  и поля пространственного заряда  .

          

              Рис. 6.4 Схема включения электровакуумного триода

 

Анодное и сеточное поля вблизи катода можно оценить соотношениями

                               ,       

где — расстояние между сеткой и катодом,  d – расстояние между анодом и катодом. В триоде , например,  , а  . Поэтому небольшое,  сеточное напряжение создаёт поле  , сравнимое с полем  , созданным анодным напряжением  . Другими словами, небольшим изменением сеточного напряжения можно вызывать большие изменения анодного тока. Для сравнения влияния анодного и сеточного напряжений на анодный ток используют параметр μ, называемый статическим коэффициентом усиления, и определяемый соотношением

                       при  или       (6.8)

Из сказанного ясно, что  . Таким образом, анодный ток зависит от двух переменных  и . Бонч-Бруевич и Баркгаузен, вслед за Лэнгмюром, показали, что с достаточной для практических потребностей точностью эту зависимость можно представить в виде

                                                         (6.9)

где D – параметр, называемый проницаемостью триода. Он характеризует экранирование анодного напряжения сеткой  и равен отношению межэлектродных ёмкостей  анод — катод  и сетка — катод ,

                                   

Так как , то . Приравняв дифференциал (6.9) к нулю,

                    

найдём, что                                      (6.10)

Соотношение (6.9), называемое “законом трёх вторых триода”, определяет два семейства ВАХ:

— семейство анодных характеристик   при  ;

-семейство анодно-сеточных характеристик  при  . 

Графики их показаны на рис.6.5.

Рассмотрим на примере электровакуумного триода принцип усиления электрических сигналов с помощью прибора с двумя степенями свободы. Из общего функционального соотношения  образуем дифференциальное соотношение

                               

     

       Рис.6.5 Анодные и анодно-сеточные характеристики триода

 

Оно задаёт связь приращения анодного тока с вызвавшими его приращениями напряжений и определяет параметры триода:

   — внутреннее сопротивление   ;

    — крутизну                                 

С учётом этих определений получаем уравнение динамической характеристики триода

                                                         (6.11)

При   из (6.11) следует уравнение Баркгаузена

                                                                (6.12)

Обратимся к рис.6.4. Из закона сохранения заряда следует соотношение

                                  

В рабочем режиме триода , поэтому и  (электроны отталкиваются от сетки). Следовательно, , и можно записать соотношение по постоянному току

                                                                  (6.13)

Обычно  , поэтому из (5.13) получаем дифференциальное соотношение       

                                                                     (6.14)

Подставив в (6.14)    из (6.11), найдём связь  между изменением сеточного напряжения  и вызванного им изменения анодного напряжения ,

                               

или                              (6.15)

Таким образом, по абсолютной величине выходной сигнал (изменение анодного напряжения ) в  раз больше входного  сигнала (изменения сеточного напряжения ). Величина

                                                                   (6.16)

есть, по определению, коэффициент усиления по напряжению. Он не превосходит  и стремится к нему при  . Таким образом,  — это максимально возможный для данного триода коэффициент усиления по напряжению.

 

6.1.1..3. ЭКРАНИРОВАННЫЕ ЛАМПЫ

 

Триодные усилители быстро обнаружили склонность к самовозбуждению, то есть к самопроизвольной генерации электромагнитных колебаний. Причина оказалась в большой проходной ёмкости анод- сетка . Через неё часть выходного сигнала с анода поступала снова на вход (на сетку), взывая ещё большее усиление входного сигнала. Другими словами, между выходом и входом возникала положительная обратная связь, и усилитель превращался в генератор.

Для предотвращения самовозбуждения В. Шоттки первым предложил уменьшить ёмкость . На основе этой идеи  американец А. Халл в 1924 году создал четырёх электродную лампу – тетрод. Он ввёл между управляющей сеткой  и анодом вторую, экранирующую, сетку . На неё подаётся напряжение, составляющее   . Тогда получается последовательное соединение двух ёмкостей   и  . При последовательном соединении, как известно, складываются обратные ёмкости,

                              

Откуда            

Поскольку экранирующая сетка находится под высоким положительным потенциалом, то она конкурирует с анодом и перехватывает часть электронов. Имеет место, как говорят, токораспределение,

                                                                      (6.17)

Количественно его характер

Что такое вакуумная трубка и как она работает

У вас может возникнуть соблазн отбросить старую добрую лампу как пережиток прошлого — в конце концов, как несколько кусочков металла в прославленной лампочке могут удерживать транзисторы и интегральные схемы сегодня? Хотя лампы и потеряли свое место в магазине бытовой электроники, они по-прежнему используются в незначительных количествах там, где требуется много энергии на очень высоких (в диапазоне ГГц) частотах, например, в радио- и телевещании, промышленном отоплении, микроволновых печах, спутниках. связь, ускорители частиц, радары, электромагнитное оружие, а также несколько приложений, требующих более низких уровней мощности и частот, таких как измерители излучения, рентгеновские аппараты и аудиофильские усилители.

20 лет назад в большинстве дисплеев использовались вакуумные кинескопы . Знаете ли вы, что в вашем доме тоже может прятаться несколько трубок? В основе вашей микроволновой печи лежит, а точнее, в розетке, трубка магнетрона. Его работа — генерировать мощные и высокочастотные радиочастотные сигналы, которые используются для нагрева всего, что вы кладете в духовку. Другое бытовое устройство с трубкой внутри — это старый CRT TV , который теперь, скорее всего, находится в картонной коробке на чердаке после замены на новый телевизор с плоским экраном. CRT означает «электронно-лучевая трубка» — эти трубки используются для отображения принятого видеосигнала. Они довольно тяжелые, большие и неэффективные по сравнению с ЖК-дисплеями или светодиодными дисплеями, но они справились со своей задачей до того, как появились другие технологии. Было бы неплохо узнать о них, потому что большая часть современного мира все еще полагается на них, большинство ТВ-передатчиков используют вакуумные лампы в качестве устройства вывода мощности, потому что они более эффективны на высоких частотах, чем транзисторы.Без магнетронных электронных ламп не было бы дешевых микроволновых печей, потому что альтернативные полупроводники были изобретены совсем недавно и остаются дорогими. Многие схемы, такие как генераторы, усилители, микшеры и т. Д., Легче объяснить с помощью ламп и увидеть, как они работают, потому что классические лампы, особенно триоды, очень легко смещать с помощью небольшого количества компонентов и рассчитывать их коэффициент усиления, смещение и т. Д.

Как работают вакуумные трубки?

Обычные вакуумные лампы работают на основе явления, называемого термоэлектронной эмиссией , также известного как эффект Эдисона .Представьте, что жарким летним днем ​​вы ждете очереди в душной комнате, рядом со стеной с обогревателем по всей ее длине, еще какие-то люди стоят в очереди и кто-то включает отопление, люди начинают отходить от обогреватель — затем кто-то открывает окно и пропускает холодный ветерок, заставляя всех переходить к нему. Когда в вакуумной трубке происходит термоэлектронная эмиссия, стенка с нагревателем является катодом, нагревается нитью накала, люди — электронами, а окно — анодом.В большинстве вакуумных трубок цилиндрический катод нагревается нитью накала (не слишком отличается от катода в лампочке), в результате чего катод испускает отрицательные электроны, которые притягиваются положительно заряженным анодом, заставляя электрический ток течь в анод. и выходит из катода (помните, ток идет в противоположном направлении, чем электроны).

Ниже мы объясняем эволюцию вакуумной трубки: диод, триод, тетрод и пентод , а также некоторые специальные типы вакуумных трубок, такие как магнетрон, ЭЛТ, рентгеновская трубка и т. Д.

В начале стояли диоды

Используется в простейшей вакуумной лампе — диоде, состоящем из нити накала, катода и анода.Электрический ток проходит через нить накала в середине, заставляя ее нагреваться, светиться и излучать тепловое излучение — подобно лампочке. Нагретая нить накала нагревает окружающий цилиндрический катод, давая электронам достаточно энергии для преодоления работы выхода, в результате чего вокруг нагретого катода формируется облако электронов, называемое областью пространственного заряда. Положительно заряженный анод притягивает электроны из области пространственного заряда, вызывая прохождение электрического тока в трубке, но что произойдет, если анод будет отрицательным? Как вы знаете из уроков физики в старшей школе, как заряды отталкиваются — отрицательный анод отталкивает электроны, и ток не течет, все это происходит в вакууме, потому что воздух препятствует потоку электронов.Вот как диод используется для выпрямления переменного тока.

Нет ничего лучше старого доброго Триода!

В 1906 году американский инженер Ли де Форест обнаружил, что добавление сетки, называемой управляющей сеткой, между анодом и катодом позволяет контролировать анодный ток. Конструкция триода аналогична диоду, с сеткой из очень тонкой мобылдениевой проволоки. Управление достигается за счет смещения сетки напряжением, которое обычно отрицательно по отношению к катоду.Чем больше отрицательное напряжение, тем меньше ток. Когда сетка отрицательна, она отталкивает электроны, уменьшая анодный ток, если он положительный, то протекает больше анодного тока, за счет того, что сетка становится крошечным анодом, вызывая образование сетевого тока, который может повредить трубку.

Триод и другие лампы с сеткой обычно смещаются путем подключения резистора большого номинала между сеткой и землей и резистора меньшего номинала между катодом и землей. Ток, протекающий через трубку, вызывает падение напряжения на катодном резисторе, увеличивая катодное напряжение относительно земли.Сетка отрицательна по отношению к катоду, потому что катод находится под более высоким потенциалом, чем земля, к которой подключена сетка.

Триоды и другие обычные лампы могут быть использованы в качестве переключателей, усилителей, микшеров, и есть много других вариантов использования на выбор. Он может усиливать сигналы, подавая сигнал на сетку и позволяя ему управлять анодным током, если между анодом и источником питания добавлен резистор, усиленный сигнал может быть снят с анодного напряжения, потому что анодный резистор и лампа действуют аналогично делителю напряжения, с триодной частью, изменяющей свое сопротивление в соответствии с напряжением входного сигнала.

Тетроды спешат на помощь!

Ранние триоды страдали низким коэффициентом усиления и высокими паразитными емкостями. В 1920-х годах было обнаружено, что установка второй (экранной) сетки между первой сеткой и анодом увеличивала коэффициент усиления и уменьшала паразитные емкости, новая лампа была названа тетродом, что по-гречески означает четыре (тетра) путь (од, суффикс). . Новый тетрод был несовершенным, он страдал от отрицательного сопротивления, вызванного вторичной эмиссией, которая могла вызвать паразитные колебания.Вторичная эмиссия происходила, когда напряжение второй сетки было выше, чем напряжение анода, что приводило к снижению анодного тока, когда электроны ударялись об анод и выбивали другие электроны, а электроны притягивались сеткой положительного экрана, вызывая дополнительное, возможно, разрушительное увеличение сетевой ток.

Пентоды — последний рубеж?

Исследования способов уменьшения вторичной эмиссии привели к изобретению пентода в 1926 году голландскими инженерами Бернхардом Д.Х. Теллеген и Жиль Холст. Было обнаружено, что добавление третьей сетки, называемой сеткой подавителя, между экранной сеткой и анодом, устраняет эффекты вторичной эмиссии за счет отталкивания электронов, выбитых из анода, обратно к аноду, поскольку он либо подключен к земле, либо к аноду. катод. Сегодня пентоды используются в передатчиках ниже 50 МГц, поскольку тетроды в передатчиках хорошо работают до 500 МГц, а триоды — до гигагерцового диапазона, не говоря уже об использовании аудиофилами.

Различные типы вакуумных трубок

Помимо этих «обычных» трубок существует множество специализированных промышленных и коммерческих труб, предназначенных для различных целей.

Магнетрон

Магнетрон похож на диод, но с резонансными полостями, сформированными в аноде лампы, и вся трубка расположена между двумя мощными магнитами. Когда подается напряжение, трубка начинает колебаться, электроны проходят через полости на аноде, вызывая генерацию радиочастотных сигналов в процессе, похожем на свист.

Рентгеновские трубки

Рентгеновские трубки используются для получения рентгеновских лучей в медицинских или исследовательских целях.Когда на диод вакуумной трубки подается достаточно высокое напряжение, излучаются рентгеновские лучи: чем выше напряжение, тем короче длина волны. Чтобы справиться с нагревом анода, вызванным ударами электронов, дискообразный анод вращается, поэтому электроны попадают в разные части анода во время его вращения, улучшая охлаждение.

ЭЛТ или электронно-лучевая трубка

ЭЛТ или «электронно-лучевая трубка» были в то время основной технологией отображения.В монохроматической ЭЛТ горячий катод или нить накала, действующие как катод, излучают электроны. По пути к анодам они проходят через небольшое отверстие в цилиндре Венельта, который действует как управляющая сетка для трубки и помогает фокусировать электроны в узкий пучок. Позже их привлекают и фокусируют несколько анодов высокого напряжения. Эта часть трубки (катод, цилиндр Венельта и аноды) называется электронной пушкой . Пройдя через аноды, они проходят отклоняющие пластины и ударяются о флуоресцентную переднюю часть трубки, в результате чего появляется яркое пятно там, где падает луч.Отклоняющие пластины используются для сканирования луча по экрану, притягивая и отталкивая электроны в их направлении, их две пары, одна для оси X и одна для оси Y.

Небольшой ЭЛТ, созданный для осциллографов, вы можете ясно видеть (слева) цилиндр Венельта, круглые аноды и отклоняющие пластины в форме буквы Y.

Лампа бегущей волны

Лампы бегущей волны используются в качестве усилителей мощности РЧ на борту спутников связи и других космических аппаратах из-за их небольшого размера, малого веса и эффективности на высоких частотах.Как и у ЭЛТ, у него сзади есть электронная пушка. Катушка, называемая «спиралью», наматывается вокруг электронного луча, вход трубки соединяется с концом спирали ближе к электронной пушке, а выходной сигнал берется с другого конца. Радиоволна, текущая по спирали, взаимодействует с электронным лучом, замедляя и ускоряя его в разных точках, вызывая усиление. Спираль окружена магнитами для фокусировки луча и аттенюатором в середине, его цель — предотвратить возвращение усиленного сигнала на вход и появление паразитных колебаний.На конце трубки расположен коллектор, сопоставимый с анодом триода или пентода, но выход с него не снимается. Электронный луч попадает в коллектор, и все заканчивается внутри трубки.

Трубки Гейгера – Мюллера

В измерителях радиации используются трубки Гейгера – Мюллера

, они состоят из металлического цилиндра (катода) с отверстием на одном конце и медной проволоки посередине (анода) внутри стеклянной оболочки, заполненной специальным газом.Всякий раз, когда частица проходит через отверстие и на короткое время ударяется о стенку катода, газ в трубке ионизируется, позволяя течь току. Этот импульс можно услышать в динамике измерителя в виде характерного щелчка!

Как работают триоды с вакуумными трубками

Эффект Эдисона

Между 1875 и 1883 годами изобретатель и бизнесмен Томас Альва Эдисон был работаю над усовершенствованием лампы накаливания. Он работал, подключая источник напряжения к паре проводов, которые поддерживал нить внутри вакуума.Напряжение заставляло электроны течь в один провод через нить накала и из другого провода. Сопротивление нити накаливания создавало тепло, которое заставляло нить светиться добела.

В ходе своих экспериментов Эдисон обнаружил интересное явление. Когда электрод был вставлен в колбу и стал положительным, ток протекал через вакуум между горячей нитью накала и электродом.

Когда электрод был отрицательным, ток не протекал. Явление стало известный как эффект Эдисона .В то время Эдисон не знал, что первопричиной была термоэлектронная эмиссия , электроны, выкипающие с горячей поверхности нить. Отрицательно заряженные электроны притягиваются к положительному электроду, заставляя ток течь в вакууме. Электроны отталкиваются, если электрод отрицательный по отношению к горячая нить, поэтому ток не течет.

---

---

Трубчатые диоды

Эффект Эдисона используется в вакуумной лампе , диод , как и 1V2.

Диод состоит из двух электродов: катода , с которого электроны выпарить и анод (также называемый пластиной ), который собирает их. 1V2 имеет катод с прямым нагревом , потому что катод действует как собственный нагреватель, как в лампочке Эдисона. Небольшое напряжение (0,625 В) подается на контакты 4 и 5 для генерации тепла. Если пластина, подключенная к контактам 1 и 9, положительна относительно нагретый катод, то отрицательные электроны текут от катода к тарелка.

катод отрицательного потока электронов + _ пластина

Условно мы говорим, что положительный ток течет от пластины к катодом и называют ток между электродами , пластину тока .

положительный ток протока катод + _ пластина

Когда пластина отрицательна по отношению к катоду, ток не течет.

ток нулевой пластины, катод_ + пластина

---

---

Триоды с вакуумными трубками

Триод вставляет свободно разнесенный проволочный экран, называемый управляющей сеткой , между катодом и пластиной.Сетка обычно отрицательна по отношению к катоду. 12AX7, наиболее часто используемая лампа для гитарных усилителей, содержит два триоды в одной стеклянной оболочке. Если напряжение пластины на одном из них + 300В, напряжение сетки -2В, катод напряжение равно 0В, то ток пластины составляет 2,08 мА для средней трубки.

сетка-2Vкатод + 300V0Vplate

Это обозначено красной точкой здесь на характеристиках пластины в техническом паспорте , которые показывают зависимость тока пластины от напряжения между пластиной и катодом.

---

---

Каждая кривая представляет различное сетевое напряжение от -5 В в правом нижнем углу до 0V в левом верхнем углу. Синяя точка показывает, что если напряжение сети снижается до -4 В, пластина отсутствует. ток, состояние, известное как отсечка . Всего -4В на сетке полностью нейтрализует + 300В на пластине. Кроме того, изменение напряжения сети на 2 В приводит к изменению тока пластины на 2,08 мА. Сетка управления осуществляет контроль контроля над током .

Зеленая точка указывает, что с сеткой -3 В ток пластины равен 0.53 мА. Если напряжение на пластине изменяется на 2 В, до 298 В или 302 В, ток пластины едва ли. изменения. Напряжение сети имеет гораздо больший контроль над током пластины чем напряжение на пластине, потому что сетка находится ближе к катоду. Его электрическое поле эффективно экранирует катод от электрического поле простирается от более далекой пластины. Это явление лежит в основе предусилителей гитарных усилителей: небольшой перепад входного напряжения в сети вызывает изменение тока пластины это может быть использовано для создания гораздо большего размаха выходного напряжения.В этом суть усиления напряжения .

СЛЕДУЮЩАЯ СТРАНИЦА

Лучшая цена на диодный вакуум — Отличные предложения на диодный вакуум от мировых продавцов диодного вакуума

Отличные новости !!! Вы попали в нужное место для диодного вакуума. К настоящему времени вы уже знаете, что что бы вы ни искали, вы обязательно найдете это на AliExpress. У нас буквально тысячи отличных продуктов во всех товарных категориях.Ищете ли вы товары высокого класса или дешевые и недорогие оптовые закупки, мы гарантируем, что он есть на AliExpress.

Вы найдете официальные магазины торговых марок наряду с небольшими независимыми продавцами со скидками, каждый из которых предлагает быструю доставку и надежные, а также удобные и безопасные способы оплаты, независимо от того, сколько вы решите потратить.

AliExpress никогда не уступит по выбору, качеству и цене.Каждый день вы будете находить новые онлайн-предложения, скидки в магазинах и возможность сэкономить еще больше, собирая купоны. Но вам, возможно, придется действовать быстро, поскольку этот верхний вакуумный диод в кратчайшие сроки станет одним из самых востребованных бестселлеров. Подумайте, как вам будут завидовать друзья, когда вы скажете им, что приобрели свой диодный вакуум на AliExpress. Благодаря самым низким ценам в Интернете, дешевым тарифам на доставку и возможности получения на месте вы можете еще больше сэкономить.

Если вы все еще не уверены в диодном вакууме и думаете о выборе аналогичного товара, AliExpress — отличное место для сравнения цен и продавцов.Мы поможем вам решить, стоит ли доплачивать за высококачественную версию или вы получаете столь же выгодную сделку, приобретая более дешевую вещь. А если вы просто хотите побаловать себя и потратиться на самую дорогую версию, AliExpress всегда позаботится о том, чтобы вы могли получить лучшую цену за свои деньги, даже сообщая вам, когда вам будет лучше дождаться начала рекламной акции. и ожидаемая экономия.AliExpress гордится тем, что у вас всегда есть осознанный выбор при покупке в одном из сотен магазинов и продавцов на нашей платформе.Реальные покупатели оценивают качество обслуживания, цену и качество каждого магазина и продавца. Кроме того, вы можете узнать рейтинги магазина или отдельных продавцов, а также сравнить цены, доставку и скидки на один и тот же продукт, прочитав комментарии и отзывы, оставленные пользователями. Каждая покупка имеет звездный рейтинг и часто имеет комментарии, оставленные предыдущими клиентами, описывающими их опыт транзакций, поэтому вы можете покупать с уверенностью каждый раз. Короче говоря, вам не нужно верить нам на слово — просто слушайте миллионы наших довольных клиентов.

А если вы новичок на AliExpress, мы откроем вам секрет. Непосредственно перед тем, как вы нажмете «купить сейчас» в процессе транзакции, найдите время, чтобы проверить купоны — и вы сэкономите еще больше. Вы можете найти купоны магазина, купоны AliExpress или собирать купоны каждый день, играя в игры в приложении AliExpress. Вместе с бесплатной доставкой, которую предлагают большинство продавцов на нашем сайте, вы сможете приобрести вакуумный диодный диод по самой выгодной цене.

У нас всегда есть новейшие технологии, новейшие тенденции и самые обсуждаемые лейблы. На AliExpress отличное качество, цена и сервис всегда в стандартной комплектации. Начните самый лучший шоппинг прямо здесь.

Wikizero — Vacuum tube

Устройство, регулирующее электрический ток между электродами в вакуумированном контейнере

Эта статья про электронное устройство.Для экспериментов в откачанной трубе см. Свободное падение. О транспортной системе см. Пневматическая трубка. Для взятия крови см. Венепункция. Более поздние термоэлектронные вакуумные лампы, в основном миниатюрные, некоторые с верхними крышками для подключения более высоких напряжений

A вакуумная трубка , электронная трубка , ^{[1] [2] [3]} клапан (британский использование) или , трубка (Северная Америка), ^[4] — это устройство, которое контролирует электрический ток в высоком вакууме между электродами, к которым приложена разность электрических потенциалов.

Тип, известный как термоэлектронная трубка или термоэлектронный клапан , использует явление термоэлектронной эмиссии электронов от горячего катода и используется для ряда основных электронных функций, таких как усиление сигнала и выпрямление тока. Однако нетермоэлектронные типы, такие как вакуумная фототрубка, обеспечивают эмиссию электронов за счет фотоэлектрического эффекта и используются для таких целей, как определение интенсивности света. В обоих типах электроны ускоряются от катода к аноду электрическим полем в трубке.

Простейшая электронно-эмиссионная лампа, диод, изобретенная в 1904 году Джоном Амброузом Флемингом, содержит только нагретый катод, излучающий электроны, и анод. Электроны могут течь через устройство только в одном направлении — от катода к аноду. Добавление одной или нескольких управляющих сеток внутри трубки позволяет управлять током между катодом и анодом с помощью напряжения на решетках. ^[5]

Эти устройства стали ключевым компонентом электронных схем в первой половине двадцатого века.Они имели решающее значение для развития радио, телевидения, радаров, звукозаписи и воспроизведения, междугородных телефонных сетей, а также аналоговых и первых цифровых компьютеров. Хотя в некоторых приложениях использовались более ранние технологии, такие как передатчик искрового разрядника для радио или механических компьютеров для вычислений, именно изобретение термоэлектронной вакуумной трубки сделало эти технологии широко распространенными и практичными и создало дисциплину электроники. ^[6]

В 1940-х годах изобретение полупроводниковых устройств сделало возможным производство твердотельных устройств, которые меньше, более эффективны, надежны, долговечны, безопаснее и экономичнее, чем термоэлектронные лампы.Начиная с середины 1960-х годов на смену термоэлектронным лампам пришли транзисторы. Однако электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) оставалась основой телевизионных мониторов и осциллографов до начала 21 века. Термоэлектронные лампы все еще используются в некоторых приложениях, таких как магнетрон, используемый в микроволновых печах, некоторых высокочастотных усилителях и усилителях, которые энтузиасты аудио предпочитают из-за своего «более теплого» лампового звука.

Не все клапаны электронных схем / электронные лампы являются вакуумными лампами.Газонаполненные трубки — аналогичные устройства, но содержащие газ, обычно под низким давлением, в которых используются явления, связанные с электрическим разрядом в газах, обычно без нагревателя.

Классификации [править]

Аудио вакуумные лампы в радио

Одна классификация термоэмиссионных вакуумных ламп — это количество активных электродов. Устройство с двумя активными элементами — это диод, обычно используемый для выпрямления. Устройства с тремя элементами представляют собой триоды, используемые для усиления и переключения.Дополнительные электроды создают тетроды, пентоды и т. Д., Которые имеют множество дополнительных функций, которые стали возможными благодаря дополнительным управляемым электродам.

Другие классификации:

• по частотному диапазону (аудио, радио, VHF, UHF, микроволновая печь)
• по номинальной мощности (слабый сигнал, мощность звука, мощная радиопередача)
• по типу катода / нити накала ( косвенного нагрева, прямого нагрева) и времени прогрева (включая «яркий излучатель» или «приглушенный излучатель»)
• по дизайну характеристических кривых (например,g., резкое или дистанционное отсечение в некоторых пентодах)
• по применению (приемные лампы, передающие лампы, усиление или переключение, выпрямление, микширование)
• специализированные параметры (длительный срок службы, очень низкая микрофонная чувствительность и малошумное усиление звука , прочная или военная версия)
• специализированные функции (детекторы света или излучения, трубки видеоизображения)
• трубки, используемые для отображения информации (трубки Никси, трубки «волшебный глаз», вакуумные флуоресцентные дисплеи, ЭЛТ)

Трубки имеют разные функции , такие как электронно-лучевые трубки, которые создают пучок электронов для отображения (например, кинескоп для телевизора) в дополнение к более специализированным функциям, таким как электронная микроскопия и электронно-лучевая литография.Рентгеновские трубки также являются вакуумными трубками. Фототрубки и фотоумножители полагаются на поток электронов через вакуум, хотя в этих случаях электронная эмиссия с катода зависит от энергии фотонов, а не термоэлектронной эмиссии. Поскольку у этих видов «электронных ламп» есть функции, отличные от электронного усиления и выпрямления, они описаны в другом месте.

Описание [править]

Как работают канализационные системы?

Гравитация. Это определяющий принцип физики на Земле.Она влияет почти на все во Вселенной и составляет точно 9,80665 м / с ² на уровне моря. Это также влияет на то, как ваши отходы попадают из туалета на очистные сооружения.

Канализационные системы — это по сути чудеса современной инфраструктуры. В былые времена в городах были открытые коллекторы, по которым отходы текли по открытым каналам на городских улицах. Можно только представить себе ужас …

Сегодня мы гораздо более цивилизованы: мы транспортируем наши отходы под землю по большим трубам.

Канализационные системы необходимы для современного водопровода. Каждый раз, когда вы смываете воду в туалете, пользуетесь раковиной или принимаете душ, вы создаете жидкие отходы различного химического состава, которые необходимо транспортировать и правильно обрабатывать. Вы можете просто смыть его в септик, но эти резервуары требуют обслуживания и связаны с множеством других проблем при их массовой интеграции в современные города. Мы должны управлять своими отходами, потому что … они воняют. Он также содержит смертельные бактерии и другие опасные химические вещества, которые могут повлиять на окружающую среду.

Вы, наверное, знаете, что сточные воды обрабатываются на очистных сооружениях, но давайте посмотрим, как они туда попадают: канализационные системы.

Городские системы сточных вод

Городские системы сточных вод необходимы в густонаселенных районах, чтобы вам не приходилось иметь дело со своими соседями … отходами. В идеальных условиях канализационные системы питаются полностью самотеком, а это означает, что трубы имеют наклон вниз от источника (вашего туалета) к очистным сооружениям.Это происходит потому, что сточные воды содержат много твердых частиц, что затрудняет их перекачивание. Сточные воды также содержат много бактерий и химикатов, и когда мы проталкиваем их через турбулентные среды, такие как насосы, они могут создавать опасные и смертельные газы, такие как сероводород.

В идеальной канализационной системе трубы от каждого дома или здания попадают в канализационную магистраль, которая обычно проходит вдоль дороги или под ней. Канализационная магистраль на большой площади обычно имеет диаметр от 3 до 5 футов , при этом трубы из каждого дома в среднем имеют диаметр около от 6 до 12 дюймов .

Основная инфраструктура канализации

В каждой магистрали канализации периодически проходят вертикальные трубы, которые выходят на землю с люками. Эти точки доступа расположены в зависимости от местного законодательства и необходимы на случай возникновения проблем в канализационной сети. Допустим, у вашего малыша есть неприятная привычка промывать игрушки. Если они сделают это достаточно, и игрушки превратятся в основную, то в конечном итоге может возникнуть серьезный засор, который городским рабочим нужно будет удалить.

Канализационные сети будут течь по трубам все большего размера по мере накопления в них все большего и большего количества сточных вод, пока в конечном итоге не достигнут очистных сооружений.Обычно эти заводы располагаются в низинах, чтобы облегчить инженерам работу по проектированию канализационных систем.

СВЯЗАННЫЕ С: КАК РАБОТАЕТ ВОДООЧИСТИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Однако все эти разговоры о самотечной канализационной системе — идеальный сценарий. Что произойдет, если ваш дом находится ниже отметки станции очистки сточных вод или если вам нужно переехать через холм? Ответ очевиден: нужно нагнетать давление.

Это делается с помощью дробильных насосов или подъемных станций для перекачки сточных вод через холмы.Эти станции собирают сточные воды с более низких высот и используют насосы для их подъема на необходимую высоту, где они могут вытекать оттуда самотеком. Эти насосы специально разработаны для работы с большим количеством твердых частиц, таких как туалетная бумага и смываемые салфетки.

Небольшое примечание : смываемые салфетки на самом деле не такие. Туалетная бумага разлагается в канализационных системах, но смываемые салфетки остаются нетронутыми. Они забивают канализационные системы, и операторам очистных сооружений сложно удалить их.Причина, по которой они так распространены, в том, что капитализм победил в производстве салфеток по сравнению с городским регулированием. Протирайте тем, что хотите, но имейте в виду, что где-то есть оператор очистных сооружений, которого немного смущают ваши привычки в ванной.

Обратно к подъемникам. Эти места перекачки обычно находятся на относительно низкой высоте из-за их характера и, вероятно, будут иметь небольшое здание для размещения оборудования. Их также обычно размещают подальше от людей, поскольку они имеют неприятную привычку взрываться или, по крайней мере, производить опасные уровни сероводорода из-за бурных сточных вод.

Канализационные системы, по своей сути, представляют собой совокупность наклонных водостоков, по которым отходы переносятся из дома на очистные сооружения. Иногда бывают насосы, но по большей части всю работу делает гравитация.

Как использовать, преимущества, риски, другое

Есть много способов избавиться от черных точек. Один из последних популярных способов — использование порового вакуума, также известного как вакуум от черных точек.

Пылесос от черных точек — это небольшой вакуум, расположенный над черными точками.Его мягкое всасывание удаляет жир и омертвевшую кожу из пор.

Некоторые пылесосы от угрей — это профессиональные устройства, одобренные Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA), которыми пользуются опытные специалисты. Некоторые из них также являются недорогими устройствами для самостоятельной сборки.

Черные точки — это поры, забитые жиром и омертвевшими клетками кожи. Забор окисляется воздухом, и он темнеет. Их также называют открытыми комедонами. (Белые точки — это закрытые комедоны.)

По данным Университета штата Юта, пылесос для пор может помочь при расслоении черных точек.

Отшелушивание и проникновение в поры для ослабления пор и помощи в работе вакуума может включать:

Использование надлежащего количества отсоса для вашей конкретной кожи имеет решающее значение. Из-за слишком сильного всасывания могут возникнуть синяки.

Слишком сильное всасывание также может привести к телеангиэктазии. Телеангиэктазии, также известные как сосудистые звездочки, характеризуются наличием мелких, сломанных или расширенных кровеносных сосудов у поверхности кожи.

Хотя это может показаться заманчивым, не выдавливайте черные точки.Сдавливание может привести к повреждению кожи, включая рубцевание.

Вот несколько альтернативных методов, которые могут помочь вам избавиться от черных точек:

• Используйте безрецептурное очищающее средство с салициловой кислотой. Салициловая кислота разрушает омертвевшие клетки кожи и забивает поры жиром.
• Отшелушивайте бета-гидроксикислотой (BHA), например гликолевой кислотой.
• Используйте отпускаемый без рецепта актуальный продукт, содержащий ретиноид.
• Попробуйте глиняную маску для лица.
• Попробуйте угольную маску для лица.
• Используйте некомедогенные средства для лица.
• Вымойте лицо после потения.
• Не спите в макияже.
• Обратитесь к дерматологу по поводу химического пилинга.
• Обратитесь к дерматологу для профессионального удаления.

Пылесосы для удаления черных точек кажутся более эффективными, когда черные точки были ослаблены, особенно с помощью:

• гликолевой кислоты
• пара
• салициловой кислоты

При использовании пылесоса для черных точек будьте осторожны уровень всасывания, чтобы избежать синяков и телеангиэктазий.Поговорите со своим дерматологом перед лечением или самолечением с помощью пылесоса от черных точек.