Электровакуумный диод. виды, характеристики , принцип работы

Устройство электровакуумного диода

Обозначение на схемах диода с катодом непрямого накала.

Изображения на электрических схемах двухэлектродных электронных ламп приведены на рисунке 5, где а – диод прямого накала, б – диод косвенного накала, в – двуханодный диод косвенного накала г – упрощенное изображение без подогревателя. В зависимости от назначения и области применения различают следующие типы вакуумных диодов: диоды для выпрямления переменного напряжения с целью использования в системах электропитания (кенотроны) и высокочастотные выпрямительные диоды

Электровакуумный диод представляет собой сосуд (баллон), в котором создан высокий вакуум. В баллоне размещены два электрода — катод и анод. Катод прямого накала представляет собой прямую или W-образную нить, разогреваемую током накала. Катод косвенного накала — длинный цилиндр или короб, внутри которых уложена электрически изолированная спираль подогревателя. Как правило, катод вложен внутрь цилиндрического или коробчатого анода, который в силовых диодах может иметь ребра или «крылышки» для отвода тепла. Выводы катода, анода и подогревателя (в лампах косвенного накала) соединены с внешними выводами (ножками лампы).

Внутри такой баллон размещены два электрода. Одним из них является катод. Он имеет вид металлического вертикального цилиндра, который покрыт слоем оксида щелочно-земельных металлов (кальция, стронция, бария). Благодаря такому напылению данный элемент получил название оксидный катод.

Катод внутри содержит изолированный проводник, нагреваемый переменным или постоянным током. При нагревании, катод испускает электроны, которые движутся и достигают второго элемента вакуумного диода – анода. Анод имеет вид овального или круглого цилиндра. Он с катодом имеет общую ось. Схема диода вакуумного типа имеет следующий вид.

https://youtube.com/watch?v=VTV2X7THcow

Прямое включение диода

На p-n-переход диода может оказывать воздействие напряжение, подаваемое с внешних источников. Такие показатели, как величина и полярность, будут сказываться на его поведении и проводимом через него электрическом токе.

Ниже подробно рассмотрен вариант, при котором происходит подключение плюса к области p-типа, а отрицательного полюса к области n-типа. В этом случае произойдет прямое включение:

Под воздействием напряжения от внешнего источника, в p-n-переходе сформируется электрическое поле, при этом его направление будет противоположным относительно внутреннего диффузионного поля.
Напряжение поля значительно снизится, что вызовет резкое сужение запирающего слоя.
Под воздействием этих процессов значительное количество электронов обретет возможность свободно переходить из p-области в n-область, а также в обратном направлении.
Показатели тока дрейфа во время этого процесса остаются прежними, поскольку они напрямую зависят только от числа неосновных заряженных носителей, находящихся в области p-n-перехода.
Электроны обладают повышенным уровнем диффузии, что приводит к инжекции неосновных носителей. Иными словами, в n-области произойдет повышение количества дырок, а в p-области будет зафиксирована повышенная концентрация электронов.
Отсутствие равновесия и повышенное число неосновных носителей заставляет их уходить вглубь полупроводника и смешиваться с его структурой, что в итоге приводит к разрушению его свойств электронейтральности.
Полупроводник при этом способен восстановить свое нейтральное состояние, это происходит благодаря получению зарядов от подключенного внешнего источника, что способствует появлению прямого тока во внешней электрической цепи.

Обозначение, применение и параметры диодов Шоттки

К многочисленному семейству полупроводниковых диодов названных по фамилиям учёных, которые открыли необычный эффект, можно добавить ещё один. Это диод Шоттки. Немецкий физик Вальтер Шоттка открыл и изучил так называемый барьерный эффект возникающий при определённой технологии создания перехода металл-полупроводник.

Основной «фишкой» диода Шоттки является то, что в отличие от обычных диодов на основе p-n перехода, здесь используется переход металл-полупроводник, который ещё называют барьером Шоттки. Этот барьер, так же, как и полупроводниковый p-n переход, обладает свойством односторонней электропроводимости и рядом отличительных свойств.

В качестве материала для изготовления диодов с барьером Шоттки преимущественно используется кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs), а также такие металлы как золото, серебро, платина, палладий и вольфрам.

На принципиальных схемах диод Шоттки изображается вот так.

Как видим, его изображение несколько отличается от обозначения обычного полупроводникового диода.

Кроме такого обозначения на схемах можно встретить и изображение сдвоенного диода Шоттки (сборки).

Сдвоенный диод – это два диода смонтированных в одном общем корпусе. Выводы катодов или анодов у них объединены. Поэтому такая сборка, как правило, имеет три вывода. В импульсных блоках питания обычно применяются сборки с общим катодом.

Так как два диода размещены в одном корпусе и выполнены в едином технологическом процессе, то их параметры очень близки. Поскольку они размещены в едином корпусе, то и температурный режим их одинаков. Это увеличивает надёжность и срок службы элемента.

У диодов Шоттки есть два положительных качества: весьма малое прямое падение напряжения (0,2-0,4 вольта) на переходе и очень высокое быстродействие.

К сожалению, такое малое падение напряжения проявляется при приложенном напряжении не более 50-60 вольт. При дальнейшем его повышении диод Шоттки ведёт себя как обычный кремниевый выпрямительный диод. Максимальное обратное напряжение для Шоттки обычно не превышает 250 вольт, хотя в продаже можно встретить образцы, рассчитанные и на 1,2 киловольта (VS-10ETS12-M3).

Так, сдвоенный диод Шоттки (Schottky rectifier) 60CPQ150 рассчитан на максимальное обратное напряжение 150V, а каждый из диодов сборки способен пропустить в прямом включении 30 ампер!

Также можно встретить образцы, выпрямленный за полупериод ток которых может достигать 400А максимум! Примером может служит модель VS-400CNQ045.

Очень часто в принципиальных схемах сложное графическое изображение катода попросту опускают и изображают диод Шоттки как обычный диод. А тип применяемого элемента указывают в спецификации.

К недостаткам диодов с барьером Шоттки можно отнести то, что даже при кратковременном превышении обратного напряжения они мгновенно выходят из строя и главное необратимо. В то время как кремниевые силовые вентили после прекращения действия превышенного напряжения прекрасно самовосстанавливаются и продолжают работать. Кроме того обратный ток диодов очень сильно зависит от температуры перехода. На большом обратном токе возникает тепловой пробой.

К положительным качествам диодов Шоттки кроме высокого быстродействия, а, следовательно, малого времени восстановления можно отнести малую ёмкость перехода (барьера), что позволяет повысить рабочую частоту. Это позволяет использовать их в импульсных выпрямителях на частотах в сотни килогерц. Очень много диодов Шоттки находят своё применение в интегральной микроэлектронике. Выполненные по нано технологии диоды Шоттки входят в состав интегральных схем, где они шунтируют переходы транзисторов для повышения быстродействия.

В радиолюбительской практике прижились диоды Шоттки серии 1N581x (1N5817, 1N5818, 1N5819). Все они рассчитаны на максимальный прямой ток (IF(AV)) – 1 ампер и обратное напряжение (VRRM) от 20 до 40 вольт. Падение напряжения (VF) на переходе составляет от 0,45 до 0,55 вольт. Как уже говорилось, прямое падение напряжения (Forward voltage drop) у диодов с барьером Шоттки очень мало.

Устройство и принцип работы диода

Главным назначением диодов является выпрямление переменного тока. Иногда диоды применяются для генерации шумов, т.е. беспорядочно меняющихся токов и напряжений, для ограничения электрических импульсов и т. д.

Диод имеет два электрода в стеклянном, металлическом или керамическом баллоне с вакуумом. Одним электродом является накаленный катод, служащий для эмиссии (испускания) электронов. Другой электрод – анод – служит для притяжения электронов испускаемых катодом, т. е. для создания потока свободных электронов. Анод притягивает электроны, если он имеет положительный относительно катода потенциал. В пространстве между анодом и катодом образуется электрическое поле, которое при положительном потенциале анода является ускоряющим для электронов, испускаемых катодом. Электроны, вылетающие из катода, под действием поля движутся к аноду. В простейшем случае катод делают в виде проволочки, которая накаливается током. С ее поверхности вылетают электроны. Такие катоды называют катодами прямо, или непосредственного накала. Большое распространение получили катоды косвенного накала (подогревные). Они имеют металлический цилиндр, у которого поверхность покрыта активным слоем, эмитирующим электроны. Внутри цилиндра находится подогреватель в виде проволочки, накаливаемой током.

Все электроны, вылетающие из катода, образуют ток эмиссии.

Где N – число электронов, вылетающих за одну секунду, и e – заряд электрона.

В пространстве между анодом и катодом электроны образуют отрицательный заряд называемый объемным или пространственным и препятствующий движению электродов к аноду. При недостаточном положительном потенциале анода не все электроны могут преодолеть действие объемного заряда, и часть их возвращается на катод.

Электроны, ушедшие с катода безвозвратно, определяют катодный ток (ток катода), обозначаемый Ik или ik:

Где n – число электронов, ушедших за одну секунду с катода и не возвратившихся на него.

Чем выше потенциал анода, тем больше электронов преодолевает объемный заряд и уходит к аноду, т. е. тем больше катодный ток.

Поток электронов, летящих внутри лампы от катода к аноду и попадающих на анод, называют анодным током (током анода). Он протекает в анодной цепи и обозначается Ia или ia. В диоде катодный и анодный токи всегда равны друг другу:

Анодный ток является главным током электронной лампы. Электроны этого тока движутся внутри лампы от катода к аноду, а вне лампы от анода к плюсу анодного источника, затем внутри него и от минуса источника к катоду лампы.

При изменении положительного потенциала анода изменяется катодный ток и равный ему анодный ток, В этом заключается электростатический принцип управления анодным током.

Если потенциал анода отрицателен относительно катода, то поле между анодом и катодом тормозит электроны, вылетающие из катода, и возвращает их на катод. В этом случае катодный и анодный токи равны нулю.

Основным свойством диода является его способность проводить ток в одном направлении. Электроны могут двигаться только от накаленного катода к аноду, имеющему положительный потенциал относительно катода. Если же на аноде отрицательный относительно катода потенциал, то диод заперт, т. е он размыкает цепь. Такой диод обладает односторонней проводимостью и подобно полупроводниковому диоду может выпрямлять переменный ток. В отличие от полупроводникового диода в вакуумном диоде при обратном напряжении обратный ток практически отсутствует. При выпрямлении переменного тока анодный источник имеет переменную ЭДС.

Перейти на страницу: 1

Другие публикации

Проектирование двухканального микропроцессорного таймера УТ 1–М Системы автоматизации постепенно находятся в развитии и с каждым новым днем появляется, что более модернизированное и удобное в использовании для любого человека. При …

Условия эксплуатации и их влияние на конструкцию электронной аппаратуры Условия эксплуатации ЭА и систем характеризуются комплексом параметров, называемых внешними воздействующими факторами, которые имеют различную физико-химическую прир …

Принцип работы[ | ]

При разогреве катода электроны начнут покидать его поверхность за счёт термоэлектронной эмиссии. По мере того как электроны покидают поверхность катода и накапливаются в его атмосфере, возникает область отрицательного заряда. При этом в такой же пропорции поверхность начинает заряжаться положительно. В итоге каждому следующему электрону для отрыва из атома потребуется больше энергии, а сами электроны будут удерживаться положительно заряженной поверхностью в некоторой ограниченной по объему области над катодом. В результате вокруг катода образуется своего рода облако электронов. Часть электронов с наименьшими скоростями из облака падает обратно на катод. При заданной температуре катода облако стабилизируется: на катод падает столько же электронов, сколько из него вылетает.

Уже при нулевом напряжении анода относительно катода (например, при коротком замыкании анода на катод) в лампе течёт ток электронов из катода в анод: относительно быстрые электроны преодолевают потенциальную яму пространственного заряда и притягиваются к аноду. Отсечка тока наступает только тогда, когда на анод подано запирающее отрицательное напряжение порядка −1 В и ниже. При подаче на анод положительного напряжения в диоде возникает ускоряющее поле, ток анода возрастает. При достижении током анода значений, близких к пределу эмиссии катода, рост тока замедляется, а затем стабилизируется (насыщается).

Назначение

Ниже приводятся основные области применения диодов, на примере которых становится понятно их основное назначение:

Диодные мосты представляют собой 4, 6 или 12 диодов, соединенных между собой, их количество зависит от типа схемы, которая может быть однофазной, трехфазной полумостовой или трехфазной полномостовой. Они выполняют функции выпрямителей, такой вариант чаще всего используется в автомобильных генераторах, поскольку внедрение подобных мостов, а также использование вместе с ними щеточно-коллекторных узлов, позволило в значительной степени сократить размеры данного устройства и увеличить степень его надежности. Если соединение выполнено последовательно и в одну сторону, то это повышает минимальные показатели напряжения, которое потребуется для отпирания всего диодного моста.
Диодные детекторы получаются при комбинированном использовании данных приборов с конденсаторами. Это необходимо для того, чтобы было можно выделить модуляцию с низкими частотами из различных модулированных сигналов, в том числе амплитудно-модулированной разновидности радиосигнала. Такие детекторы являются частью конструкции многих бытовых потребителей, например, телевизоров или радиоприемников.
Обеспечение защиты потребителей от неверной полярности при включении схемных входов от возникающих перегрузок или ключей от пробоя электродвижущей силой, возникающей при самоиндукции, которая происходит при отключении индуктивной нагрузки. Для обеспечения безопасности схем от возникающих перегрузок, применяется цепочка, состоящая из нескольких диодов, имеющих подключение к питающим шинам в обратном направлении. При этом, вход, которому обеспечивается защита, должен подключаться к середине этой цепочки. Во время обычного функционирования схемы, все диоды находятся в закрытом состоянии, но если ими было зафиксировано, что потенциал входа ушел за допустимые пределы напряжения, происходит активация одного из защитных элементов. Благодаря этому, данный допустимый потенциал получает ограничение в рамках допустимого питающего напряжения в сумме с прямым падением показателей напряжение на защитном приборе.
Переключатели, созданные на основе диодов, используются для осуществления коммутации сигналов с высокими частотами. Управление такой системой осуществляется при помощи постоянного электрического тока, разделения высоких частот и подачи управляющего сигнала, которое происходит благодаря индуктивности и конденсаторам.
Создание диодной искрозащиты. Используются шунт-диодные барьеры, которые обеспечивают безопасность путем ограничения напряжения в соответствующей электрической цепи. В совокупности с ними применяются токоограничительные резисторы, которые необходимы для ограничения показателей электрического тока, проходящего через сеть, и увеличения степени защиты.

Использование диодов в электронике на сегодняшний день весьма широко, поскольку фактически ни одна современная разновидность электронного оборудования не обходится без этих элементов.

Прямое и обратное напряжение

Напряжение, которое оказывает воздействие на диод, разделяют по двум критериям:

Прямое напряжение – это то, при котором происходит открытие диода и начинается прохождение через него прямого тока, при этом показатели сопротивления прибора являются крайне низкими.
Обратное напряжение – это то, которое обладает обратной полярностью и обеспечивает закрытие диода с прохождением через него обратного тока. Показатели сопротивления прибора при этом начинают резко и значительно расти.

Сопротивление p-n-перехода является постоянно меняющимся показателем, в первую очередь на него оказывает влияние прямое напряжение, подающееся непосредственно на диод. Если напряжение увеличивается, то показатели сопротивления перехода будут пропорционально уменьшаться.

Это приводит к росту параметров прямого тока, проходящего через диод. Когда данный прибор закрыт, то на него воздействует фактически все напряжение, по этой причине показатели проходящего через диод обратного тока являются незначительными, а сопротивление перехода при этом достигает пиковых параметров.

Принцип работы

Понять принцип действия полупроводникового диода несложно. Все, что для этого понадобится — разбираться в базовых законах физики и знать, как происходят некоторые электрические процессы.

Изначально электроток действует на катод, что вызывает накаливание подогревательного элемента. В свою очередь, электродом испускаются электроны, а между двумя частями появляется электрическое поле.

В двух электродах начинается формирование пространственно-отрицательного заряда, который может препятствовать протеканию электронов. Однако случается это лишь при снижении потенциала анода, в результате чего масса электронов не способна справиться с отрицательными элементами, что заставляет их перемещаться в обратном порядке, то есть электроны снова возвращаются к катоду.

Нередко показатели катодного тока держатся нулевой отметки — происходит это при воздействии частиц с зарядом минус. В результате образованное поле не заставляет электроны двигаться быстрее, а вызывает обратную реакцию — притормаживает их и заставляет вернуться обратно к катоду. В конечном итоге цепь размыкается, так как диод остается в запертом состоянии.

Кенотронная приставка

Кенотронная приставка представляет собой маслонаполненный цилиндр, внутри которого размещены трансформатор и кенотрон. Сверху приставки установлен трехпредельный микроамперметр для измерения токов утечки с переключателем пределов. Микроамперметр отградуирован на 200, 1000 и 5000 мка. Конструкция экранировки микроамперметра обеспечивает исключение токов утечки самого аппарата при измерении токов утечки во время испытания.

выпрямительные установки, выполненные на кенотронных лампах КР-110, КРМ-150 и КР-220 имеют ряд недостатков: излучение вредных для организма человека рентгеновских лучей; малая величина выпрямленного тока (для перечисленных выше ламп соответственна — 5 мА, 10 мА, 30 мА) наличие накальных трансформаторов в установках увеличивает их вес; неудобства транспортировки, в результате которой кенотронные лампы часто выходят из строя.

Маркировка приборов электровакуумный диод

Электровакуумные диоды маркируются по такому принципу, как и остальные лампы:

Первое число обозначает напряжение накала, округленное до целого.
Второй символ обозначает тип электровакуумного прибора. Для диодов:
- Д— одинарный диод.
Ц — кенотрон (выпрямительный диод)
X — двойной диод, то есть содержащий два диода в одном корпусе с общим накалом. МХ — механотрон-двойной диод
МУХ — механотрон-двойной диод для измерения углов
Следующее число — это порядковый номер разработки прибора.
И последний символ — конструктивное выполнение прибора:
- С— стеклянный баллон диаметром более 24 мм без цоколя либо с октальным (восьмиштырьковым) пластмассовым цоколем с ключом.
П — пальчиковые лампы (стеклянный баллон диаметром 19 или 22,5 мм с жесткими штыревыми выводами без цоколя).
Б — миниатюрная серия с гибкими выводами и с диаметром корпуса менее 10 мм.
А — миниатюрная серия с гибкими выводами и с диаметром корпуса менее 6 мм.
К — серия ламп в керамическом корпусе.

Если четвертый элемент отсутствует, то это говорит о присутствии металлического корпуса!

Принцип работы

Работа вакуумного диода основана на отсутствии в баллоне воздуха. Вакуум способствует отделению электронов от катода после подачи на него напряжения и достижения определенного уровня нагрева.

Заряженные частицы образуют облако.
Частицы, имеющие небольшую скоростью, возвращаются на поверхность минусового электрода.
После подключения к напряжению плюсового электрода электроны, имеющие большую скорость, перемещаются к нему.
в процессе формирования ускоряющего поля поток частиц от минуса к плюсу увеличивается.
при объеме электронов, близком к предельному значению эмиссии, электроток стабилизируется (это явление называется насыщением).

Электрические параметры

У каждого типа диодов есть свои рабочие и предельно допустимые параметры, согласно которым их выбирают для работы в той или иной схеме:

Iобр – постоянный обратный ток, мкА;
Uпр – постоянное прямое напряжение, В;
Iпр max – максимально допустимый прямой ток, А;
Uобр max – максимально допустимое обратное напряжение, В;
Р max – максимально допустимая мощность, рассеиваемая на диоде;
Рабочая частота, кГц;
Рабочая температура, С.

Здесь приведены далеко не все параметры диодов, но, как правило, если надо найти замену, то этих параметров хватает.

Схема простого выпрямителя переменного тока на одном диоде

На вход выпрямителя подадим сетевое переменное напряжение, в котором положительные полупериоды выделены красным цветом, а отрицательные – синим. К выходу выпрямителя подключим нагрузку (Rн), а функцию выпрямляющего элемента будет выполнять диод (VD). При положительных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод открывается. В эти моменты времени через диод, а значит, и через нагрузку (Rн), питающуюся от выпрямителя, течет прямой ток диода Iпр (на правом графике волна полупериода показана красным цветом).

При отрицательных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод закрывается, и во всей цепи будет протекать незначительный обратный ток диода (Iобр). Здесь, диод как бы отсекает отрицательную полуволну переменного тока (на правом графике такая полуволна показана синей пунктирной линией).

В итоге получается, что через нагрузку (Rн), подключенную к сети через диод (VD), течет уже не переменный, поскольку этот ток протекает только в положительные полупериоды, а пульсирующий ток – ток одного направления. Это и есть выпрямление переменного тока. Но таким напряжением можно питать лишь маломощную нагрузку, питающуюся от сети переменного тока и не предъявляющую к питанию особых требований, например, лампу накаливания.

Будет интересно Диод 1n4007: характеристики, маркировка и datasheets

Напряжение через лампу будет проходить только во время положительных полуволн (импульсов), поэтому лампа будет слабо мерцать с частотой 50 Гц. Однако, за счет тепловой инертности нить не будет успевать остывать в промежутках между импульсами, и поэтому мерцание будет слабо заметным. Если же запитать таким напряжением приемник или усилитель мощности, то в громкоговорителе или колонках мы будем слышать гул низкого тона с частотой 50 Гц, называемый фоном переменного тока. Это будет происходить потому, что пульсирующий ток, проходя через нагрузку, создает в ней пульсирующее напряжение, которое и является источником фона.

Этот недостаток можно частично устранить, если параллельно нагрузке подключить фильтрующий электролитический конденсатор (Cф) большой емкости. Заряжаясь импульсами тока во время положительных полупериодов, конденсатор (Cф) во время отрицательных полупериодов разряжается через нагрузку (Rн). Если конденсатор будет достаточно большой емкости, то за время между импульсами тока он не будет успевать полностью разряжаться, а значит, на нагрузке (Rн) будет непрерывно поддерживаться ток как во время положительных, так и во время отрицательных полупериодов. Ток, поддерживаемый за счет зарядки конденсатора, показан на правом графике сплошной волнистой красной линией.

Силовой выпрямительный диод.

Но и таким, несколько сглаженным током тоже нельзя питать приемник или усилитель потому, что они будут «фонить», так как уровень пульсаций (Uпульс) пока еще очень ощутим. В выпрямителе, с работой которого мы познакомились, полезно используется энергия только половины волн переменного тока, поэтому на нем теряется больше половины входного напряжения и потому такое выпрямление переменного тока называют однополупериодным, а выпрямители – однополупериодными выпрямителями. Эти недостатки устранены в выпрямителях с использованием диодного моста.