Принцип действия и статические характеристики вакуумного диода

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.