Т. Вакуумный диод

Электронная лампа — диод. Вольт-амперная характеристика диода

Односторонняя проводимость используется в электронных приборах с двумя электродами — вакуумных диодах.

Рис. 1

Современный вакуумный диод представляет собой баллон из стекла или металлокерамики, из которого откачан воздух до давления 10^-6 - 10^-7 мм рт. ст. Внутри него размещены два электрода (рис. 1). Один из них — катод — имеет вид вертикального металлического цилиндра, покрываемого обычно слоем оксида щелочно-земельных металлов — бария, стронция, кальция. Такой катод называют оксидным. При нагревании поверхность оксидного катода испускает гораздо больше электронов, чем поверхность катода из чистого металла. Внутри катода расположен изолированный проводник, нагреваемый постоянным или переменным током. Нагретый катод испускает электроны, достигающие анода. Анод лампы представляет собой круглый или овальный цилиндр, имеющий общую ось с катодом. Схематическое изображение диода показано на рисунке 2 (изображен диод с катодом прямого накала).

Рис. 2

Важнейшей характеристикой диода является его вольт-амперная характеристика — зависимость силы тока от напряжения между электродами I_a = f(U_a) при постоянном напряжении накала U_n = const. Для получения вольт-амперной характеристики анода можно воспользоваться электрической цепью, приведенной на рисунке 3, где применяется диод с катодом косвенного накала.

Рис. 3

Вольт-амперная характеристика диода с металлическим катодом (рис. 4) является нелинейной в отличие от вольт-амперной характеристики металлического проводника. При напряжении между катодом и анодом, равном нулю, вылетевшие из катода электроны образуют вокруг него электронное облако (пространственный отрицательный заряд), отталкивающее вылетающие из катода электроны. Большинство электронов возвращается на катод, и лишь незначительное их число достигает анода. С увеличением U_a число электронов, достигающих анода, увеличивается и электронное облако постепенно уменьшается. Когда же все термоэлектроны, вылетающие из катода, попадают на анод, сила анодного тока достигает насыщения I_нас (на графике рисунка 4 — горизонтальный участок). В области 1 графика, т.е. при увеличении анодного напряжения от 0 до U_нас ток через диод возрастает, но не пропорционально напряжению, а по закону \(~I_a = k \cdot U_a^{\frac 32}\). Это выражение называют формулой Богуславского—Ленгмюра или законом "трех вторых". В области 2 данного графика, т.е. при U ≥ U_нас, ток через диод не зависит от напряжения. Такой ток называют током насыщения. Сила тока насыщения определяется формулой I_нас = en, где n — число электронов, вылетающих в единицу времени с поверхности катода; е — заряд электрона. При постоянной температуре катода сила тока в межэлектродном промежутке зависит от анодного напряжения.

Рис. 4

Для увеличения тока насыщения нужно повысить температуру катода, увеличив силу тока накала.

Диод пропускает ток только в одном направлении. Это его свойство используется для выпрямления переменного тока. Диод, действующий в качестве выпрямителя, называют кенотроном. На рисунке 5, а показаны схемы однополупериодного, а на рисунке 5, б — двухполупериодного выпрямления переменного тока.

Рис. 5

На рисунке 6, а, б показаны соответствующие графики зависимости силы выпрямленного тока, проходящего через сопротивление R, от времени.

Рис. 6

В отличие от диода трехэлектродная электронная лампа — триод — содержит, кроме катода и анода, еще и третий электрод — управляющую сетку. Обычно сетка представляет собой спиральную проволочку, окружающую прямолинейный катод, а ось цилиндрического анода совпадает с осью катода и сетки (рис. 7, а); условное изображение триода приведено на рис. 7, б.

Рис. 7

Схема включения триода в цепь для усиления анодного тока приведена на рис. 8. Здесь А — анод лампы; К — ее катод; С — сетка; Б_а — анодная батарея; Б_с — сеточная батарея, создающая напряжение между сеткой и катодом; R — потребитель тока.

Рис. 8

Сетка расположена ближе к катоду, чем анод, и на пути катод — сетка на электроны действует суммарное поле, создаваемое между анодом и катодом (φ_A - φ_K) и между сеткой и катодом (φ_C - φ_K). Во время работы лампы лишь часть электронов попадает на сетку и движется к катоду по внешней цепи, образуя сеточный ток I_c.

Если потенциал сетки выше потенциала катода, то движение электронов от катода к аноду ускоряется, сила анодного тока растет. Если же потенциал сетки меньше потенциала катода, то движение электронов к аноду замедляется, и сила анодного тока уменьшается. При достаточно большом по абсолютному значению отрицательном потенциале сетки анодный ток полностью прекращается — в этом случае говорят, что "лампа заперта".

Для управления током внутрь электронной лампы вводят дополнительные сетки. Лампу с двумя сетками называют тетродом, т.е. четырехэлектродной, с тремя — пентодом (пятиэлектродной).

Появление электронных ламп и разнообразных устройств, основанных на их применении, сыграло огромную роль в развитии радио.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 295-298.