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).
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
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.
Рис. 3 Конструкция простейшего вакуумного диода
Рис. 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.
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.
Рис. 6 Обозначение на схемах вакуумного диода с прямонакальным катодом
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.