Электровакуумный диод

Диод — наиболее простая электронная лампа, содержащая лишь два электрода: катод и анод. Катод служит для испускания электронов, анод является коллектором — электродом, к которому движутся электроны. Анод в соответствии с формой катода выполняется либо в виде цилиндра (рис. 3, а), либо в виде короба — плоский анод (рис. 3,б). Оба электрода помещаются в стеклянный или металлический баллон, через стенки которого проходят выводы от электродов.

Рис. 3. Устройство диода. а — с цилиндрическими электродами и подогревным катодом; б — с плоскими электродами и катодом прямого накала; 1 — анод; 2 — катод; 3 — подогреватель.

Условное обозначение диодов на радиотехнических схемах показано на рис. 4.

При нагреве катода током накала I_н возникает термоэлектронная эмиссия. В диоде, как и во всех электронных приборах, принято считать потенциал катода равным нулю и от этого значения отсчитывать потенциалы всех других электродов.

Условное обозначение вакуумных диодов с подогревным катодом и их примерные ВАХ представлены на рис. 4.

Рис. 4. Вакуумный диод с подогревным катодом: условное обозначение(а) и вольтамперная характеристика (б)

Если анод находится под положительным потенциалом U_a, то электроны, вылетевшие из катода, движутся к аноду, притягиваемые его положительным полем. Во внешней цепи лампы при этом возникает анодный ток I_а, направленный от катода к аноду. Если же изменить полярность батареи питания и подать на анод напряжение, отрицательное относительно катода, то электроны, отталкиваемые отрицательным полем анода, возвратятся на катод. Тока во внешней цепи не будет.

Таким образом, внутри диода ток может протекать только в одном направлении — от анода к катоду, когда потенциал анода выше потенциала катода. Эта способность диода характеризует его как вентильный (униполярный) прибор, т. е. лампу, проводящую ток только в одном направлении.

Анодный ток, определяемый числом электронов, достигающих анода, зависит как от тока эмиссии I_е, так и от анодного напряжения U_а. При увеличении тока эмиссии возрастает число электронов, покидающих катод и участвующих в движении к аноду, а следовательно, увеличивается и анодный ток. Анодное напряжение также влияет на число электродов, достигающих анода. При малых положительных анодных напряжениях не все электроны попадают на анод; электроны с малыми начальными скоростями возвращаются обратно на катод.

Таким образом, анодный ток является функцией двух величин: анодного напряжения и тока эмиссии. Последний определяется температурой катода, зависящей от напряжения или тока накала.

Для экспериментального определения зависимости анодного тока от напряжения накала и анодного напряжения удобно использовать схему, приведенную на рис. 5.

Рис. 5. Схема для снятия характеристик диода.

Схема содержит две цепи: накальную и анодную. В цепи питания накала имеется источник напряжения накала E_н; реостат R_н, позволяющий изменять величину напряжения U_a, подводимого к нити накала; вольтметр и амперметр для измерения напряжения и тока накала. Напряжение на анод U_a подается от потенциометра R_а, подключенного к батарее анодного питания Е_а. Анодный ток I_а и разность потенциалов U_a между анодом и катодом измеряются миллиамперметром и вольтметром.

С помощью этой схемы можно получить зависимость анодного тока от напряжения накала при некотором определенном напряжении на аноде, а также зависимость при неизменном напряжении накала.

Характеристика называется эмиссионной характеристикой диода. Если считать, что все электроны, покидающие.катод, достигают анода, то анодный ток будет равен току эмиссии. Условия, при которых справедливо равенство I_а = I_е, рассмотрены далее.

Вторая зависимость носит наименование анодной характеристики диода.

Полученная экспериментальным путем эмиссионная характеристика диода показана на рис. 6,а. Здесь изображено семейство кривых, отображающих зависимость при различных, но неизменных для каждой кривой анодных напряжениях. Можно отметить два характерных участка этих кривых. На первом участке, соответствующем малым значениям U_н, анодный ток растет при увеличении напряжения накала по закону, близкому к полученной ранее зависимости тока эмиссии от напряжения накала или температуры катода. При дальнейшем повышении U_н рост анодного тока замедляется и характеристика переходит во второй, пологий участок. Увеличение анодного напряжения вызывает смещение пологого участка характеристики в область больших U_н, а значение анодного тока при тех же напряжениях накала становится больше.

Для объяснения полученных зависимостей рассмотрим распределение потенциала в пространстве между катодом и анодом диода при различных напряжениях накала и при некотором фиксированном напряжении на аноде, например U¢¢¢_а. Представим анод и катод в виде неограниченных плоскостей и пренебрежем краевым эффектом. На рис. 6,б по оси ординат вниз отложены положительные значения потенциалов, по оси абсцисс - расстояние от поверхности катода.

В начале эмиссионной характеристики (U_н = 0) катод не накален и эмиссии нет. Диод можно рассматривать как плоский конденсатор, разность потенциалов на пластинах которого равна U¢¢¢_а.

Распределение потенциала в междуэлектродном пространстве для этой точки — прямая линия 1, соединяющая точки, соответствующие потенциалу катода U_K = 0 и анода U'"_a. При малых значениях напряжения накала температура катода ещё недостаточно высока и сообщенная электронам энергия меньше требуемой для совершения работы выхода; ток эмиссии по-прежнему равен нулю. Когда напряжение превысит некоторое значение U_но, электроны, обладающие наибольшей собственной энергией, начинают покидать катод и ток эмиссии возрастает с увеличением напряжения накала. В междуэлектродном пространстве находится в движении весьма большое количество электронов, суммарный отрицательный заряд которых изменяет картину распределения потенциалов (кривая 2 на рис. 6,б, соответствующая точке 2 на эмиссионной характеристике). За счёт отрицательного заряда электронов потенциал в пространстве между катодом и анодом несколько снижается, но все же во всех точках остается положительным. Вектор напряженности электрического поля в любой точке кривой 2 направлен от анода к катоду, и поэтому все электроны, покинувшие катод, устремляются на анод.

Рис. 6. Эмиссионные характеристики диода (а)

и кривые распределения потенциала (б).

Таким образом, восходящему участку эмиссионной характеристики соответствует такое распределение потенциала, при котором анодный ток равен току эмиссии. Этот режим называется режимом насыщения.

При дальнейшем увеличении напряжения накала с поверхности катода выходит все большее число электронов, причем часть из них обладает незначительными, скоростями. Возрастает плотность потока электронов, от катода к аноду, и все более изменяется кривая распределения потенциала за счет отрицательного объемного электрического заряда, образуемого движущимися электронами. Более всего сказывается влияние этого объемного заряда вблизи катода, где скорости электронов невелики. Как видно из кривой 3 (рис. 6,б), вблизи катода образуется область, в которой положительный градиент потенциала очень мал. Вследствие этого электроны, обладающие близкими к нулю начальными скоростями, не получают достаточного ускорения и под влиянием отрицательного пространственного заряда, образованного другими электронами, возвращаются на катод. Объемная плотность электронного «облачка» у катода возрастает настолько, что образуется область отрицательного потенциала (кривая 4), минимальное значение которого U_мин обычно находится на расстоянии сотых долей миллиметра от поверхности катода. Таким образом, вблизи катода (0 < х < r_мин) существует тормозящее электрическое поле, вектор напряженности которого направлен от катода к аноду.

Для преодоления этого тормозящего действия начальная скорость электронов, покидающих катод, должна быть больше некоторой величины, определяемой потенциалом U_мин:

. (11)

Если начальная скорость электрона меньше этой величины, то он не сумеет преодолеть потенциальный барьер и, потеряв скорость, остановится и возвратится на катод. В области тормозящего поля (0 - r_мин), таким образом, будут находиться не только электроны, движущиеся к аноду, но и возвращающиеся обратно на катод. При неизменном напряжении накала установится динамическое равновесие, при котором число уходящих к аноду и возвращающихся к катоду электронов равно числу электронов, вновь эмитируемых катодом. Вследствие влияния отрицательного пространственного заряда дальнейшее повышение напряжения накала почти не вызывает роста анодного тока (область кривой за точкой 4 на рис. 6,а). Растет лишь пространственный заряд, а следовательно, становится выше потенциальный барьер. Все большее число электронов, для которых не выполняется условие (11), возвращается на катод. Пологая часть эмиссионной характеристики соответствует режиму пространственного заряда, при котором, в отличие от режима насыщения, не все электроны, покинувшие катод, достигают анода. Ток эмиссии превышает анодный ток или, как говорят, происходит ограничение анодного тока пространственным зарядом. Поэтому на эмиссионной характеристике по оси ординат следует откладывать не ток эмиссии I_е, а анодный ток I_а.

Анодная характеристика (рис. 7,а), отображающая зависимость анодного тока от напряжения на аноде (при неизменном напряжении накала), является важнейшей характеристикой двухэлектродной лампы. Режиму пространственного заряда на анодной характеристике соответствует её начальный участок, а режиму насыщения — пологий. Распределение потенциалов в диоде при различных значениях анодного напряжения и U_H = const показано на рис. 7,б. Если катод накален, а напряжение на аноде равно нулю, то эмитированные электроны образуют в междуэлектродном пространстве отрицательный объемный заряд (кривая 1 на рис. 7,б, соответствующая точке 1 на анодной характеристике). При малом анодном напряжении (кривая 2) напряженность поля у катода невелика, электроны движутся с небольшой скоростью и вблизи катода существует область отрицательного потенциала, препятствующая продвижению к аноду медленных электродов. Все же электроны с наибольшими энергиями преодолевают потенциальный барьер и достигают анода, создавая анодный ток. При дальнейшем увеличении анодного напряжения пространственный заряд все более рассасывается, потенциальный барьер уменьшается и сдвигается к катоду (кривая 3). При некотором значении U_а наступает режим насыщения (кривая 4), когда в каждой точке междуэлектродного пространства вектор напряженности направлен от анода к катоду и все электроны, эмитированные катодом, достигают анода.

Рис. 7. Анодные характеристики диода (а) и кривые распределения потенциала (б).

Режим пространственного заряда, когда у поверхности катода существует область отрицательного потенциала, в диоде, как и во всех других электронных лампах, является основным рабочим режимом. Все электронные приборы работают, как правило, при неизменном рабочем напряжении накала и, следовательно, при постоянном значении тока эмиссии с поверхности катода. Регулировать величину анодного тока за счет уменьшения или увеличения накала катода нецелесообразно. Даже при очень малых габаритах катод обладает тепловой инерцией, и при таком методе управления анодным током электронные приборы лишились бы одного из самых ценных качеств - безынерционности.

В диоде анодный ток управляется путем изменения напряжения на аноде, а в других электронных приборах для этой цели служат главным образом специальные электроды - сетки.

Как видно из рис. 7,б, напряжение на аноде влияет на величину и расположение области отрицательного потенциала у катода. При увеличении анодного напряжения плотность пространственного заряда уменьшается, так как все большая часть электронов устремляется к аноду. И наоборот: уменьшение анодного напряжения влечет за собой повышение плотности пространственного заряда, за счет все большего числа электронов, возвращающихся обратно к катоду.

Таким образом, пространственный заряд служит как бы «резервуаром» - источником, снабжающим электронами анод и хранящим их избыток, если анодное поле недостаточно велико для отбора большого количества электронов. Следует, однако, помнить, что этот «резервуар» не только непрерывно пополняется электронами, эмитируемыми катодом, но также и то, что электроны там находятся не в статическом состоянии, а в динамическом равновесии, которое устанавливается для каждого значения напряжения на аноде.