Статические характеристики и параметры диода, эквивалентная схема диода

Закон степени 3/2. Основной статической вольт-амперной характеристикой диода является его анодная харак­теристика - зависимость анодного тока от анодного напряжения при постоянном напряжении накала. Однако иногда может исполь­зоваться и семейство анодных характеристик, объединяющее не­сколько характеристик при различных напряжениях накала. ВАХ диода может быть получена в аналитическом виде. Для получения подобной за­висимости в наиболее простой форме следует принять ряд допу­щений:

- элек­троды диода имеют плоскую форму, параллельны друг другу и безграничны; тогда электрическое поле между ними однородно, т.е. краевыми эффектами можно пренебречь;

- на по­верхности катода потенциал равен нулю, а на поверхности анода потенциал равен ;

- напряженность электрического поля на поверхности катода равна нулю;

- начальная скорость всех электронов у ка­тода одинакова и равна нулю ( = 0), так что скорость элект­ронов в любой точке пространства определяется только потенци­алом в данной точке.

Решая при перечисленных допущениях уравнение Пуассона, получим

= k ,

где k = - постоянный коэффициент для данного типа лампы. Величина представляет собой эффективную площадь анода, т.е. площадь той поверхности, на которую действительно попадают электроны; - расстояние между анодом и катодом.

Закон степени 3/2 справедлив для режима пространственного заряда. Поэтому полукубическая парабола в соответствии с этим законом приближенно отображает связь тока и напряжения в дио­де только до режима насыщения.

Статические анодные характеристики диода. Теоретическая (в соответствии с законом степени три вторых) и реальные статические анодные характеристики электровакуумного диода показаны на рис.5 (теоретическая – штриховая линия, реальные – сплошная линия).

Характер реальной статической анодной ВАХ в основном объясняется явлениями, рассмотренными в связи с распределени­ем потенциала в диоде (см. рис.4). Незначительный рост тока при малых напряжениях анода объ­ясняется наличием сильного тормозящего поля, созданного про­странственным зарядом у катода и препятствующего проникнове­нию большинства электронов к аноду. По мере увеличения анодно­го напряжения пространственный заряд у катода уменьшается и все большее число электронов преодолевает потенциальный барь­ер и достигает анода, вызывая значительное увеличение тока через диод. В дальнейшем рост анодного тока замедляется, так как пространственный заряд у катода полностью "рассасывается", и все эмитируемые катодом электроны попадают на анод; насту­пает режим насыщения, при котором анодный ток остается прак­тически постоянным. С увеличением напряжения накала в режиме насыщения ток возрастает.

Анодные характеристики диодов с активированными и оксид­ными катодами в рабочих режимах не имеют выраженного участка насыщения (рис.6), что объясняется большим влиянием ускоряющего поля на электронную эмиссию.

В свою очередь в диодах с металлическим катодом в режиме насыщения ток анода не остается неизменным, а несколько возрастает вследствие проявления эффекта Шоттки – увеличения тер-

моэлектронной эмиссии под влиянием внешнего ускоряющего электрического поля.

Реальная анодная характеристика по отношению к теоретической имеет ряд отличий, определяемых принятыми ранее допущениями:

- при анодном на­пряжении, равном нулю, анодный ток не равен нулю, хотя и очень мал; наличие анодного тока при = 0 обусловлено существова­нием небольшого числа быстрых электронов, вылетающих из като­да и способных преодолеть потенциальный барьер и достигнуть анода при отсутствии ускоряющего поля и даже при небольшом тормозящем поле < 0;

- в режиме пространственного заряда подъем реальной характеристики менее крутой, что связано с неравномерностью нагрева поверхности катода (концы катода всегда имеют меньшую температуру, чем середина) и неоднородностью напряженности электрического поля на краях катода; кроме того, при расчете тока не учиты­вался магнетронный эффект, который состоит в воздействии маг­нитного поля катода на траектории электронов: электроны откло­няются в сторону положительного конца катода и возвращаются к катоду, уменьшая анодный ток;

- наличие участка насыщения.

Параметры диода. Электровакуумный диод характеризуется теми же статически­ми параметрами, что и полупроводниковый диод: крутизной харак­теристики (единицы и десятки миллиампер на вольт), внут­ренним или дифференциальным сопротивлением = и сопротив­лением постоянному току = (сотни ом - единицы килоом), которые могут быть определены с помощью анодной характеристики диода. В режиме пространственного заряда в соответствии с законом степени 3/2

Значения всех статических параметров диода зависят от вы­бора рабочей точки на характеристике.

Электрический режим работы диода характеризуется номиналь­ными параметрами и их предельными значениями - максимально допустимыми параметрами.

Важнейшими максимально допустимыми параметрами диодов яв­ляются:

- максимально допустимое обратное напряжение , ограничиваемое возникновением пробоя меж­дуэлектродного промежутка, т.е. появлением газового разряда между электродами диода; для различных типов диодов может составлять от нескольких сотен вольт до нескольких десятков ки­ловольт.

-мак­симально допустимый анодный ток - импульсное значение и среднее значение , ограничиваемые либо свойствами катода и его возможностями (в большинстве случаев), либо максимально допустимой мощностью, рассеиваемой на аноде.

- максимально допустимая мощность, рассеиваемая анодом ;

- пределы изменения напряжения накала и (± 10% от номинального значения).

Эквивалентная схема диода по переменному току показана на рис.7

и представляет собой параллельное соединение дифференциального сопротивления и емкости анод - катод (при нагретом катоде).