Теперь самое время подвести некоторый итог вышесказанному и рассмотреть прин­цип действия простейшего электровакуумного прибора — диода. В основе работы любых электронных ламп, электронно-лучевых трубок (осциллоскопов, кинескопов, видиконов) и ряда других приборов, лежит эффект протекания электрического тока в вакууме. Казалось бы вакуум, заполняющий баллон любого электровакуумного прибора (к которым относятся и электронные лампы) является идеальным диэлект­риком, и электрический ток через него протекать никак не может.

Однако, в реальной жизни все бывает по другому. Природа существования тока в вакууме обусловлена в первую очередь физическим явлением, называемым термоэлектронной эмиссией, которое было рассмотрено в предыдущем параграфе. Итак, суть явления термоэлек­тронной эмиссии состоит в том, что при разогреве металлической пластины, находя­щейся внутри баллона из которого откачан воздух, происходит отрыв электронов от поверхности пластины. При нагреве, как известно, кинетическая энергия хаотически движущихся частиц возрастает, и при определенной температуре разогрева пласти­ны, энергии электронов оказывается достаточно, для того, чтобы преодолеть дейст­вие сил, удерживающих свободные электроны в металле. Покидая поверхность ме­талла, электрон совершает работу, называемую работой выхода. Для снижения величины этой работы, пластину часто покрывают специальными примесями — соля­ми бария, тория, различными оксидами.

Однако, для существования тока в вакууме наличие только одной лишь эмиссии электронов недостаточно. Представим себе лампочку от карманного фонарика, к ко­торой подключена батарейка (рис. 1).Нить накаливания простейшей лампочки

Рис. 1   Нить накаливания простейшей лампочки

При протекании по этой цепи электрического тока, нить лампочки сильно разогревается, и электроны, преодолевая работу выхода, вырываются из нее в окружающее пространство внутри баллона. Однако, эти элект­роны никуда от нити не разлетаются, поскольку нет силы, которая заставила бы их двигаться в каком-либо направлении в сторону от нити. Сама же нить частично притя­гивает электроны обратно на себя, поскольку, теряя отрицательный заряд в виде вырвавшихся из нее электронов, нить заряжается положительно. Таким обра­зом, одни электроны покидают нить, преодолевая работу выхода, а другие притягиваются к ней обратно, образуя некий баланс. При этом вокруг нити образуется облачко свободных электронов, как это условно показано на рис. 2

Электронное облако вокруг нити накаливания

Рис. 2 Электронное облако вокруг нити накаливания

 

Для существования электрического тока в любой среде необходимо выполнение двух обязательных условий — это наличие носителей тока и наличие силы, которая заставляла бы их двигаться. Для того, чтобы через вакуум потек электрический ток, носителями которого являлись бы вырвавшиеся из раскаленной нити электроны, не­обходимо приложить к какой-либо вспомогательной пластине положительный заряд относительно нити, что создаст необходимую электрическую силу, заставляющую электроны двигаться в определенном направлении. Такая конструкция, показанная на рис. 2.4, является простейшим вакуумным диодом. Здесь в баллон, из которого предварительно откачан воздух, помимо нити накала, разогреваемой за счет тока, протекающего через нее от источника постоянного напряжения Ен, помещена также металлическая пластина, называемая анодом (А). К этой пластине подключен положительный полюс источника постоянного напряжения Еа, а отрицательный полюс этого источника соединен с одним из выводов нити накала. Таким образом, анод зара­жен положительно, а электрод создающий носители, называемый катодом (К) — от­рицательно. Роль катода в простейшем вакуумном диоде, изображенном на рис. 3, выполняет непосредственно нить, называемая в электровакуумных приборах нитью накала или подогревателем.

Конструкция простейшего вакуумного диода

Рис. 3 Конструкция простейшего вакуумного диода

 

Катод косвенного накалаРис. 4  Катод косвенного накала

При питании нити накала (подогревателя) не постоянным, а переменным током (в аппаратуре работающей от электросети переменного тока), во избежание пара­зитной модуляции анодного тока фоном частоты сети, часто катоды ламп делают по­догревными, когда роль катода выполняет не сам нить накала, а вспомогательная пластина, расположенная близко к ней, и нагреваемая за счет излучаемого нитью тепла. Эту катодную пластину также покрывают веществами с малой работой выхода (солями, оксидами и т. п.). Такой катод, показанный на рис. 4, называют катодом косвенного накала, а когда роль катода выполняет сама нить, так как показано на рис. 3, ее называют катодом прямого накала.

 

В случае, когда анод заряжен положительно относительно катода, электроны, на вылетевшие из катода (нити накала), действует электрическая сила, создаваемая поло­жительным полем анода. Под действием этой силы, электроны начинают притягивать­ся к аноду, создавая в цепи, включающей в себя источник Еа, анод, вакуумный проме­жуток и катод, электрический ток. Протекающий в направлении, противоположном движению электронов (как принято в физике и электротехнике), то есть от плюса ис­точника к его минусу через анод, вакуумный промежуток и катод Если же изменить полярность включения источника Еа, приложив минус к аноду, а плюс к катоду, отрица­тельное поле анода будет отталкивать электроны, прижимая их к катоду, и электриче­ский ток в цепи батарейка — вакуумный диод существовать не будет. Таким образом, для протекания электрического тока в вакууме необходимо выполнить два условия: обеспечить эмиссию электронов из катода (для чего необходимо катод разогреть), а также обеспечить положительный заряд на аноде относительно катода.

Из вышесказанного следует, что вакуумный диод обладает односторонней прово­димостью — электрический ток через него протекает только тогда, когда на аноде на­пряжение положительно. При подаче отрицательного напряжения на анод, ток через диод не течет. В случае если к такому вакуумному диоду приложить переменное на­пряжение гармонической (синусоидальной) формы, то ток через диод будет сущест­вовать только в течении положительных полупериодов. Это явление широко использу­ется на практике. В частности, в век ламповой техники, вакуумные диоды применяли для выпрямления переменного тока, а также для детектирования модулированных колебаний. Вакуумные диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока, называются кенотронами.

Статическая вольт-амперная характеристика вакуумного диода

Рис. 5   Статическая вольт-амперная характеристика вакуумного диода

На рис. 5 показана графическая зависимость анодного тока вакуумного диода, от величины положительного напряжения на аноде относительно катода. Эта зависи­мость называется статической вольт-амперной анодной характеристикой. Как видно из графика, при увеличении анодного напряжения, анодный ток возрастает, причем в области малых анодных напряжений этот рост достаточно медленный, что обуслов­лено малой величиной силы, притягивающей электроны, а при более высоких напря­жениях на аноде, ток нарастает практически линейно.

Наклон линейного участка вольт-амперной характеристики диода характеризуется его внутренним сопротивле­нием rа, которое можно определить через закон Ома, отсчитав приращения напряже­ния и токов на этом участке непосредственно по графику. Наконец, при очень боль­ших анодных напряжениях, ток перестает возрастать, поскольку эмиссионная способность катода (то есть максимальное количество электронов, могущих покинуть поверхность катода) всегда ограничена. Это явление называют насыщением.

Помимо величины внутреннего сопротивления, вакуумные диоды также характе­ризуются максимальной величиной анодного тока, предельным анодным напряжени­ем и максимальной мощностью тепла, рассеиваемого на аноде. Эти параметры явля­ются предельно допустимыми, и их превышение может привести к физическому разрушению прибора.

Обозначение на схемах вакуумного диода с прямонакальным катодом

Рис. 6   Обозначение на схемах вакуумного диода с прямонакальным катодом

Обозначение на схемах вакуумного диода с катодом косвенного накала

Рис. 7   Обозначение на схемах вакуумного диода с катодом косвенного накала

В завершение данного экскурса в физику работы вакуумного диода, приведем их изображения на принципиальных схемах. На рис. 6 и 7 показаны обозначения ди­одов с катодами прямого и косвенного накала.

Морган Джонс. Ламповые усилителию. Перевод с английского под общей научной редакцией к.т.н. доц. Иванюшкина Р.Ю.

 

Оставить комментарий

Вы можете использовать следующие теги HTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

(обязательно)

(обязательно)

What is 15 + 11 ?
Please leave these two fields as-is:
IMPORTANT! To be able to proceed, you need to solve the following simple math (so we know that you are a human) :-)
© 2011 hifisound.com.ua При использовании материалов с данного сайта, обязательна ссылка на сайт HI-FI sound и первоисточник Поддержка предоставлена компанией www.hifiaudio.com.ua