Название: Электровакуумные приборы (Алексеев C. Н.)

Жанр: Военный

Просмотров: 4048


2.1 принцип устройства диода

 

Конструктивно диоды выполняются различно. Встречаются диоды с ци- линдрической и с плоской конструкцией электродов. Электроды лампы име- ют наружные выводы, проходящие сквозь стекло баллона к выводным штырькам. Выводы изготовляются из сплавов, обладающих одинаковым со стеклом коэффициентом теплового расширения. В противном случае при на- греве лампы образуется зазор между стеклом и металлом (если коэффициент расширения металла меньше, чем стекла) или стекло в месте прохода выво- дов лопается (если коэффициент расширения металла больше).

Работает диод в схеме следующим образом. К концам нити накала (като- да) от источника подводится напряжение накала. Ток, идущий через эту нить, нагревает катод. В результате этого катод излучает электроны и вокруг него

образуется электронное облачко. Источник накала, соединительные провода и нить накала (катод) образуют цепь накала лампы. К промежутку анод - ка- тод лампы приложено напряжение Ua, называемое анодным (рис. 2.2). Плюс этого напряжения подведен к аноду, а минус – к катоду. В результате между анодом и катодом лампы образуется постоянное электрическое поле, назы- ваемое полем анода. На рисунке поле анода показано условно силовыми ли- ниями. Электроны электронного облачка         оказываются в пространстве, в котором действуют силы электрического поля анода. Под действием этих сил часть электронов облачка устремляется к аноду, образуя электронный поток.

 

 

Электронный поток лампы замыкает цепь анодного источника, в результате чего в цепи появляется электрический ток, называемый анодным током. На- правление анодного тока условно принято считать в лампе от анода к катоду, хотя электроны летят от катода к аноду. Цепь, по которой проходит анодный ток, называют цепью анода (или анодной цепью). В анодную цепь диода вхо- дят: анодный источник, промежуток анод-катод лампы и соединительные провода.

Если анодный источник подключить минусом к аноду, а плюсом к като- ду, то электрическое поле будет направлено от катода к аноду (рис. 2.3). При этом сила, действующая на электроны электронного облачка, будет направ- лена не к аноду, а к катоду. При таких условиях электронный поток в лампе

не образуется и анодный ток равен нулю. Цепь анода оказывается  разомкну- той. Это означает, что диод обладает односторонней проводимостью – ток через диод может идти лишь в одном направлении – от анода к катоду. Со- противление диода для тока, направленного от катода к аноду, бесконечно велико. Диод в этом случае подобен разомкнутому выключателю.

Анодный ток и анодное напряжение связаны нелинейной зависимостью,

которая приближённо выражается законом степени трёх вторых:

3

i             g 

a

U a / 2 ,

где коэффициент g зависит от геометрических размеров и формы элек-

тродов.

Анодный ток пропорционален анодному напряжению в степени три вто- рых (3/2), а не в первой степени, как в законе Ома. Если увеличить, например анодное напряжение вдвое, то анодный ток возрастёт в 2,8 раза (так как

23/2=2,8), то есть станет на 40\% больше, чем должен быть по закону Ома.

Графически это изображается полукубической параболой (рис. 2.4).

 

 

 

 

Рис. 2.2 Схема включения диода     Рис. 2.3 Схема запирания диода

 

 

 

 

I, A

Закон степени трёх вторых неприме-

ним для режима, когда Ia=Is=const.

A         B          Кривую  ОАВ  иногда  называют

теоретической       характеристикой

диода. Истинная зависимость между анодным током и анодным напряже- нием заметно отличается от закона степени  трёх  вторых.  Но,  несмотря на  неточность,  закон  степени  трёх

Is         вторых в простой форме учитывает

нелинейные свойства лампы.

2.1.2 Пространственный

Us        Ua

 

Рис. 2.4 Зависимость анодного тока от анодного напряжения

заряд

Во время работы всякой лампы, в

том  числе  и  диода,  в  пространстве между        катодом и анодом имеется

определённое            количество     движу-

щихся электронов. Эти движущиеся

электроны, а также электроны, находящиеся в электронном облачке возле ка- тода, образуют пространственный (объёмный) заряд. Величина пространст- венного заряда зависит от степени накала катода: чем выше температура ка- тода, тем больше электронов он излучает и тем больше их находится в про- странстве катод-анод.

Плотность электронов в различных точках между анодом и катодом не- одинакова. Наибольшая плотность электронов вблизи катода, где имеется электронное облачко, наименьшая  – у анода, где скорость движения элек- тронов наибольшая.

Примерное распределение электронов для одного момента времени и свя-

занное с этим распределение потенциала в промежутке катод-анод показано на рисунке 2.5.

Все потенциалы в лампах принято отсчитывать от катода, потенциал ко-

торого принимается равным нулю. В этом случае потенциал в месте наиболь- шего скопления электронов будет отрицательным. С приближением к аноду плотность пространственного заряда уменьшается и одновременно увеличи- вается действие положительного потенциала анода.

Электрон, вылетающий из катода, сразу попадает в тормозящее поле. Объёмный заряд отталкивает электроны обратно на катод. Можно считать, что электрическое поле анода заканчивается не на поверхности катода, а на объёмном заряде (известно, что электрическое поле, а следовательно,  и  ус- ловные электрические силовые линии начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных). Между поверхностью катода и объём- ным зарядом имеется электрическое поле, которое в отличие от ускоряющего

поля анода является тормозящим. Поэтому пространственный заряд препят-

 

 

ствует движению электронов, вылетающих из катода. Таким образом, элек- троны, излучаемые катодом, находятся под действием положительного потенциала анода и отрицательного потенциала пространственного

заряда (рис. 2.6).

Преодолеть тормозящее поле пространственного заряда смогут лишь те

 

 

Рис. 2.5 Распределение электронов для одного момента времени

Рис. 2.6 Электронное облако  в диоде

 

Рис. 2.7  Действие тормозящего      поля пространственного заряда:

1 – распределение потенциала при холодном катоде и напряжении на аноде Ua; 2 – распределение потенциала при накаленном катоде и на- пряжении на аноде Ua; 3 – распределение потенциала при накаленном катоде и напряжении на аноде Us

 

 

электроны, которые при вылете из катода обладают достаточно большой скоростью. Только такие электроны создают электронный поток и достигают анода. Часть электронов, имеющая малую начальную скорость, под действи- ем тормозящего поля объёмного заряда возвращается обратно на катод (рис. 2.7). Чем выше анодное напряжение, тем в большей степени оно компенси- рует действие пространственного заряда. Это означает, что чем выше анод- ное напряжение, тем меньше плотность, пространственного заряда и тем большее количество электронов может преодолеть его тормозящее действие и попасть на анод. При некотором значении анодного напряжения Us все электроны, излучаемые катодом, образуют электронный поток и попадают на анод. Распределение плотности электронов в промежутке катод - анод в этом случае более равномерно. Такой режим характеризуется отсутствием про- странственного заряда и называется режимом  насыщения. В режиме насы- щения величина анодного тока равна току эмиссии катода. Дальнейшее повышение анодного тока возможно только за счёт увеличения эмиссии катода, т. е. за счёт повышения напряжения накала (исключение составляет оксид- ный катод) [7].

2.1.3 Характеристики и параметры двухэлектродной лампы

Свойство лампы оценивают при помощи экспериментально снятых характеристик, показывающих зависимость тока через лампу от напряжения на её электродах. На рис. 2.8 изображена схема, позволяющая исследовать зави-

симость анодного тока диода от напряжения накала и от напряжения на

аноде.

 

 
В цепи накала имеется реостат R и вольтметр Vн, при помощи которых можно установить нужную величину напряжения накала. Анодный источник

 

Рис. 2.8  Схема, позволяющая исследовать зависимость анодного тока диода от напряжения накала и от напряжения на аноде

 

 

замкнут на высокоомный потенциометр П, который позволяет изменять ве- личину напряжения Uа  между анодом и катодом лампы. Величина анодного напряжения измеряется вольтметром Va. Последовательно в цепи анода включен миллиамперметр, измеряющий величину Ia  анодного тока.

Характеристики диода изображаются в прямоугольной системе коорди- нат (рис. 2.9). Зависимость анодного тока Ia  от величины анодного напряже- ния Uа  при постоянном значении напряжения накала называется анодной ха- рактеристикой диода. Чтобы снять анодную характеристику, необходимо установить определенное напряжение накала и, повышая анодное напряже- ние потенциометром П от 0 до Еа, следить за изменением анодного тока.

Значения анодного напряжения откладываются по горизонтальной оси, а

значения анодного тока – по вертикальной. При малых значениях анодного напряжения анодный ток мал и почти не зависит от величины напряжения на аноде. Это объясняется тем, что количество электронов, обладающих боль- шими скоростями, необходимыми для преодоления тормозящего действия пространственного заряда, невелико.

По мере повышения анодного напряжения напряжённость электрическо-

 

 
го поля анода возрастает и действие пространственного заряда всё более и более компенсируется.

Это  означает,  что всё большее и большее число электронов участ- вует в образовании электронного      потока.

Поэтому при увеличе- нии напряжения на ано- де увеличивается анод- ный ток, а количество электронов, обра- зующих       электронное

облачко возле катода, уменьшается. Анодный ток будет возрастать до

тех пор, пока будет су-

ществовать электронное

Рис. 2.9 Анодные характеристики диода

облачко возле катода. При значении анодного напряжения Ua=Us  анодный ток перестает возрастать, и наступает режим насыщения. Ток Is, идущий при этом через лампу, называют током насыщения.

Величины тока насыщения Is  и напряжения насыщения Us зависят от на- пряжения накала. Чем меньше напряжение накала, тем меньше температура катода и его эмиссия, а следовательно, меньше и ток насыщения. Вследствие меньшей величины пространственного заряда для его компенсации требуется меньшее напряжение на аноде. Поэтому значение напряжения насыщения

 

 

меньше при меньшем напряжении накала. На рис. 2.9 показаны две анодные характеристики, снятые при различных значениях напряжения накала.

Параметры диодов характеризуют их свойства и возможности примене-

ния. Некоторые из этих параметров нам уже известны. Это напряжение нака- ла Uн, ток накала Iн  и ток эмиссии катода Ie. Рассмотрим другие параметры. Крутизна (S) показывает, как изменяется анодный ток при изменении анод- ного напряжения на 1 В. Если изменение анодного напряжения ∆ua  вызывает изменение анодного тока ∆iа, то крутизна

S                    i a     .

 u a

Крутизну выражают в миллиамперах на вольт или амперах на вольт. Ес- ли крутизна равна, например, 4 мА/В, это означает, что изменение анодного напряжения на 1 В вызывает изменение анодного тока на 4 мА. По существу, крутизна представляет собой проводимость пространства между анодом и катодом для переменной составляющей анодного тока (рис. 2.10). Термин

«крутизна» неудачен, так как для более сложных ламп параметр с тем же названием имеет иной физический смысл.

 

 
Для определения крутизны из

характеристики диода берут при-

ращение   анодного   напряжения

∆Uа  на заданном участке АБ и соответствующее ему прираще- ние   анодного   тока   ∆iа     (метод двух  точек).  Крутизна  пропор-

циональна тангенсу угла наклона α касательной в точке Т относи- тельно оси Uа.

S аб

         k          

tg         ѓї  ,

 

 

Рис. 2.10 Крутизна диода

где k – коэффициент, выра- жающийся в единицах проводи- мости и учитывающий масштаб тока и напряжения.

Нельзя писать Sаб=tgα, так как тангенс не есть проводимость.

Если    участок           АБ       нелиней-

ный, то найденная методом двух точек крутизна Sаб является средней для данного участка. Она приближенно равна крутизне для точки Т посредине участка АБ, св. : Sаб= SТ.

При переходе на нижний участок характеристики крутизна уменьшается и приближается к нулю. Принято указывать, для какой точки или для какого

участка характеристики приводится крутизна. Например: S = 1,5 мА/В при

Ua= 2 В.

 

 

Современные диоды имеют крутизну в пределах 1 - 50 мА/В. В мало- мощных диодах она не превышает единиц миллиампер на вольт. В импульс- ном режиме крутизна достигает сотен миллиампер на вольт. Крутизна зави- сит от конструкции электродов лампы.

Внутреннее дифференциальное сопротивление (Ri) диода представляет собой сопротивление пространства между анодом и катодом для переменно- го тока. Оно является величиной, обратной крутизне:

 

R  i       

 u a             1

 i a     S i

и обычно составляет сотни, а иногда десятки ом. Меньшее значение Ri более мощных ламп. При переходе на нижний участок характеристики значение Ri возрастает, стремясь к бесконечности в начальной точке характеристики.

Определение Ri из характеристики аналогично определению крутизны.

Наиболее удобен метод двух точек. Не следует путать сопротивление Ri

с внутренним сопротивлением диода для постоянного тока R   :

0

0

 
R           U a  .

I a

 

Обычно сопротивление Ro несколько больше Ri . Из закона степени трёх вторых следует, что R0=3/2  Ri  , но практическое соотношение может  быть иным. Значение Ri  тем меньше, чем меньше расстояние анод - катод  и  чем больше действующая площадь анода.

2.1.4 Рабочий режим. Применение диода для выпрямления переменного тока

Особенность вакуумных диодов – отсутствие обратного тока. Вакуумные

диоды для выпрямления переменного тока электросети (кенотроны) могут работать при высоких обратных напряжениях – сотни и тысячи вольт. По-

этому нет необходимости в последовательном соединении кенотронов.

Для кенотронов, работающих в выпрямителях, опасно короткое замыка- ние нагрузки. В этом случае всё напряжение источника будет приложено к кенотрону, и анодный ток станет недопустимо большим. Происходит пере- грев катода и его разрушение. Анод также перегревается. Нарушается вакуум за счёт выделения газов из перегретых электродов. Газ ионизируется. Положительные ионы бомбардируют катод, способствуя его перегреву и разрушению.

При выпрямлении токов очень высокой частоты вредно влияет ёмкость анод - катод диода Са.к. Она состоит из ёмкости между электродами и ёмко- сти между выводными проводниками. Значение  Са.к достигает единиц пико- фарад у маломощных диодов. На низких частотах эта ёмкость шунтирующе- го влияния не оказывает, так как её сопротивление составляет миллионы ом. A на частотах в десятки мегагерц и выше сопротивление ёмкости становится

 

 

cоизмеримым с внутренним сопротивлением диода и даже меньше его. Тогда переменный ток проходит через эту ёмкость и выпрямляющее действие дио- да ухудшается.

Например, если диод имеет Ri = 500 Ом и Са.к  = 4 пФ, то при частоте

200 Гц сопротивление ёмкости:

 

 

X         

C         ѓЦ

 

1

C

a.k.

 

1012

2 ѓО 200  4

 

 

 200

 

 

 10 6.

Практически через такое coпротивление ток не проходит. Зато при

f = 200 МГц сопротивление Хс станет равным 200 Ом и будет сильно шунти- ровать диод. Для диодов надо учитывать максимальные допустимые значе- ния их параметров.

Если в секунду на анод попадает N электронов и каждый из них обладает

энергией анода:

mv 2 ,  то  мощность,  отдаваемая  электронным  потоком  на  нагрев

 

Nmv2

Pa     .

2

Энергию электроны получают от ускоряющего поля. Пренебрегая их на-

чальной энергией, можно считать, что

mv2  qua .

Тогда произведение N  q есть количество электричества, попадающее за

1 с на анод, т. е. анодный ток ia. Поэтому окончательно

 

P a       

N   q

 u a ,

 

Pa  ia  ua .

Мощность Pa– это потерянная мощность, так как нагрев анода бесполезен и даже вреден. Принято называть Pa    мощностью, выделяемой на аноде, или мощностью потерь на аноде. Не следует эту мощность считать максималь-

ным допустимым параметром лампы, так как она может иметь самые различ- ные значения в зависимости от анодного напряжения. Анод нагревается так- же за счёт теплового излучения катода, но Pa  есть только мощность элек- тронной бомбардировки. Чем больше Pa, тем сильнее нагрев анода. Он может накалиться докрасна и  даже расплавиться.

Максимальная допустимая мощность Pa макс зависит от размеров, конст- рукции, материала анода и способа его охлаждения и составляет от долей ватта до многих киловатт. Чтобы анод не перегревался, должно соблюдаться условие: Pa   < = Pa макс.

При импульсном режиме мгновенная мощность, выделяемая на аноде,

может быть очень большой, но средняя мощность не должна превышать

 

 

Pa  макс. Анодный ток диодов обычно состоит из отдельных импульсов. Мак- симальное допустимое значение тока для диодов с оксидным катодом обу- словлено разрушением оксидного слоя. Для каждого типа диодов характерен максимальный допустимый импульс анодного тока Ia  макс. В диодах для им- пульсной работы значение Ia макс весьма велико, тем больше, чем меньше длительность импульсов и чем больше паузы между ними.

Пульсирующий анодный ток диодов имеет постоянную составляющую

Ia ср, которую называют постоянным выпрямленным током.  Важным пара- метром диода является максимальный допустимый постоянный выпрямлен- ный ток Ia ср макс [4].

При работе диода в выпрямителе в течение некоторого времени (часть

периода) к диоду приложено отрицательное анодное напряжение, называе- мое обратным.  Важным параметром является  максимальное допустимое об- ратное напряжение Uобр макс . Обратное напряжение не должно превышать максимального допустимого Uобр <=Uобр макс. Если Uобр  больше

Uобр макс, то возможен пробой изоляции, электростатическая эмиссия из анода и выход диода из строя. Кенотроны для высоковольтных выпрямителей име- ют Uобр макс до десятков киловольт, маломощные диоды – не более 500 В.