Устройство и принцип действия электровакуумного диода

Электровакуумный диод – электронно-управляемая лампа, имеющая катод и анод. Основой электровакуумного диода является диодная ЭВС. Фор­ма электродов может быть либо цилиндрической, либо прямоуголь­ной в виде короба, либо плоской в виде дисков.

На рис.2 схематически изображены все три вида указанных конструкций электродов, где 1 - анод, 2 - катод, 3 - нить накала, 4 - выводы. Система электродов помещается в стеклянный, металлический или керамический баллон, из которого удален воздух. Выводы от электродов проходят сквозь оболочку баллона.

Принцип действия диода (управления анодным током) заключается в управлении потоком электронов путем изменения на­пряжения анода, воздействующего на потенциальный барьер, создаваемый пространственным зарядом электронов, эмитируемых нагретым катодом.

Схема включения диода показана на рис.3. При положительном потенциале анода относитель­но катода электроны, вылетевшие из катода, попадают в ускоряющее электрическое поле и летят к аноду, образуя анодный ток. Наоборот, при отрицательном потенциале анода электроны оказываются в тормо­зящем поле и возвращаются к катоду, поэтому анодный ток в лампе отсутствует. Следовательно, диод обладает односторонней (вентильной) про­водимостью, т.е. проводит ток только в одном направлении (от анода к катоду внутри диода).

Анодный ток диода определяется двумя факторами: анодным напряжением и напряжением накала . Роль напряжения накала очевидна, так как это напряжение определяет температу­ру катода, от которой зависит число эмитируемых электронов. Роль анодного напряжения менее очевидна. Казалось бы, и при малом и при большом напряжении анода все эмитируемые катодом электроны должны попадать на анод, т.е. анодный ток практиче­ски не должен зависеть от анодного напряжения. Однако присут­ствие электронов, обладающих отрицательным зарядом, в рабочем пространстве диода вызывает появление дополнительных электри­ческих полей, изменяющих распределение потенциала в этом про­странстве, что приводит к зависимости анодного тока от анодного напряжения.

На рис.4 показано распределение потенциала в плоском ди­оде. Кривая 1 соответствует режиму, при котором в междуэлект­родном пространстве нет электронов (катод не нагрет, = 0), а на анод диода подан потенциал = .

Если при напряжении анода = 0 катод нагреть под­ведением напряжения = , то наличие пространственного заряда эмитируемых катодом электро­нов приведет к тому, что потенциал пространства будет отрицательным как по отношению к катоду, так и по отношению к аноду (кривая 2).

При подведении к аноду напряжения = и при нагретом катоде ( = ) распределение потенциала будет ха­рактеризовать кривая 3. Вблизи катода в этом случае образуется минимум потенциала (порядка десятых долей вольта) на расстоянии (порядка 10 ^-1 – 10 ^-2 мм). Следовательно, для электронов, вылетающих из катода, существует потенциальный барьер и преодолеть его могут только те электроны, скорость которых превышает величину = (2eU_min/m)^1/2. Электроны, вы­летающие из катода с меньшей скоростью, возвращаются обратно на катод и своим присутствием вблизи катода поддерживают по­тенциальный барьер, образуя облако пространственного заряда. Величина анодного тока при этом определяется количеством элек­тронов, преодолевших потенциальный барьер, а не общим количе­ством эмитированных электронов.

Если к аноду подведено напряжение = < , то распреде­ление потенциала при этом будет описываться кривой 4. Потенциальный барьер и его расстояние от катода в данном слу­чае увеличиваются, что приводит к уменьшению количества элек­тронов, способных преодолеть этот барьер, а следовательно, к уменьшению анодного тока. Увеличение анодного напряжения ведет к противоположному эффекту. Такой режим работы диода получил название режима ограничения тока пространственным зарядом.

При некотором вполне определенном значении напряжения ано­да = потенциальный барьер полностью исчезает и поэ­тому все эмитированные катодом электроны устремляются к аноду, образуя анодный ток (кривая 5). Этот режим получил название режима насыщения.

Дальнейшее повышение анодного напряжения не приводит к увеличению анодного тока, если эмиссия катода определяется только его температурой. Анодный ток остается постоянным и равным току насыщения .

Таким образом, изменяя напряжение анода, можно управлять анодным током. При этом обычно напряжение накала в диоде поддерживается неизменным.