13-6. Двухэлектродные электронные лампы — диоды

а) Устройство и принцип действия диодов

Диод представляет собой простейшую электронную лампу, имеющую два электрода — катод и анод.

Диод имеет металлический, керамический или стеклянный баллон, в котором создан высокий вакуум . В баллоне укреплены два электрода (рис. 13-12). Анод А из никеля имеет цилиндрическую или иную плоскую форму. Внутри анода расположен катод К прямого или косвенного накала, устройство которого рассмотрено выше. Выводы электродов или присоединяются к штырькам, впрессованным в пластмассовый цоколь лампы, или выводятся непосредственно через стекло колбы. Анод соединен с одним штырьком. Катод прямого накала соединен с двумя штырьками, катод косвенного накала — с тремя. У высоковольтных диодов вывод от анода часто располагается в верхней части лампы (рис. 13-12).

Условные обозначения на схемах диодов с катодами прямого и косвенного накала показаны на рис. 13-12.

Ток накала (рис. 13-13) получается от батареи накала с напряжением порядка нескольких волы или нескольких десятков вольт или от вторичной обмотки понижающего трансформатора. Накаленный катод излучает электроны. Для того чтобы эти электроны попадали на анод, необходимо ускоряющее электрическое поле между анодом и катодом. Для создания этого поля анод лампы соединяется с положительным зажимом анодной батареи, а отрицательный зажим ее — с катодом лампы (рис. 13-13, а). Разность потенциалов между анодом и катодом лампы называется анодным, напряжением . Электроны, покидающие катод и достигающие анода, создают в цепи анодный ток

Рис. 13-12. Устройство диода и его обозначение на схемах.

Рис. 13-13. Схемы включения диода: а — анодное напряжение прямое; б — анодное напряжение обратное.

Если анод лампы соединить с отрицательным зажимом батареи, а ее положительный зажим соединить, с катодом лампы, т. е. подвести к лампе обратное анодное напряжение (рис. 13-13, б), то электрическое поле между анодом и катодом лампы для электронов, вылетающих из катода, будет не ускоряющим, а тормозящим, и под действием его электроны, покинувшие катод, вернутся на него обратно и тока в анодной цепи не будет.

Таким образом, диод обладает односторонней проводимостью, т. е. ток через него проходит только в одном направлении от анода к катоду, что означает движение электронов в обратном направлении.

Устройства, обладающие односторонней проводимостью, называются электрическими вентилями.

При отсутствии эмиссии (катод не нагрет) и приложенном анодном напряжении между электродами диода возникает электрическое поле. Допустим, ради упрощения, что электроды плоские и расположены параллельно друг другу.

Рис. 13-14. Кривые изменения потенциалов между катодом и анодом в диоде (а). Плотность объемного заряда между катушками и анодом (б).

В этом случае поле будет однородным. Так как потенциал катода принято считать равным нулю, то потенциалы точек этого поля от нуля на поверхности катода растут пропорционально расстоянию х от катода, Достигая у анода значения, равного анодному напряжению Графически это показывает прямая 1 на рис. 13-14, а.

При накале катода и наличии эмиссии электронов они заполняют пространство между электродами и этим создают объемный отрицательный заряд, поле которого является тормозящим для электронов, покидающих катод. Это поле, накладываясь на основное поле анода, снижает потенциал всех точек поля (кривая 2 на рис. 13-14, а). Распределение потенциалов в этом поле при неизменном анодном напряжении зависит от плотности объемного заряда в отдельных точках поля. Анодный ток в любом сечении пути между катодом и анодом остается неизменным, а скорость электронов по мере приближения к аноду увеличивается, следовательно, концентрация электронов от наибольшей у катода уменьшается по мере приближения к аноду. Это распределение концентрации электронов показано на рис. 13-14, б. У катода, где плотность объемного заряда наибольшая, происходит и наибольшее снижение потенциала.

Объемный заряд и его влияние на поле диода увеличиваются с увеличением тока эмиссии.

Из кривой 2 (рис. 13-14, а), дающей распределение потенциала результирующего поля, при относительно небольшой эмиссии видно, что для всех точек поля потенциалы положительны.

При увеличении тока накала до нормального и соответствующего увеличения эмиссии плотность объемного заряда возрастает и потенциалы точек результирующего поля вблизи катода становятся отрицательными (кривая 3, рис. 13-14, а).

Если потенциал поля по мере удаления от катода увеличивается, то каждый электрон, покинувший катод, попадая в ускоряющее поле, достигает анода, следовательно, анодный ток равен току эмиссии Такой режим работы лампы называется режимом насыщения, а анодный ток — током насыщения. Естественно, при этом режиме повышение анодного напряжения не вызывает увеличения анодного тока, так как для этого необходимо увеличить эмиссию, которая зависит только от температуры катода.

Если вследствие объемного заряда потенциалы точек в прилегающем к катоду слое отрицательны, т. е. поле в этом слое для электронов, вылетающих из катода, замедляющее, то электроны задерживаются в нем и объемный заряд увеличивается. При этом часть электронов, покидающих катод с меньшими скоростями, возвращается обратно на катод, а другая часть, обладающая большими энергиями, пройдя тормозящее поле, достигает анода, так что анодный ток меньше тока эмиссии, т. е. Такой режим работы лампы называется режимом пространственного заряда. При увеличении анодного напряжения, когдт все точки поля имеют положительный потенциал, анодный ток достигает значения тока эмиссии и наступает режим насыщения.

б) Характеристики и параметры диодов

Зависимость анодного тока от анодного напряжения при неизменном напряжении накала, т. е. при , называется анодной (или вольт-амперной) характеристикой диода. Схема для снятия этой характеристики приведена на рис. 13-15. На рис. 13-16 сплошными линиями изображены две анодные характеристики, снятые при различных напряжениях накала.

При нулевом значении анодного напряжения через диод проходит незначительный ток называемый начальным током диода, обусловленный теми вылетающими из катода электронами, кинетическая энергия которых достаточно велика для достижения анода.

Для того чтобы уменьшить этот ток до нуля, необходимо создать между электродами некоторое тормозящее поле, подведя к лампе обратное анодное напряжение порядка 1 B, называемое запирающим.

С увеличением положительного анодного напряжения анодный ток сначала растет медленно, а затем рост тока убыстряется. Это объясняется тем, что с увеличением анодного напряжения уменьшается отрицательный объемный заряд, тормозящий движение электронов, и увеличивается напряженность ускоряющего анодного поля.

Рис. 13-15. Схема соединения для снятия характеристик диода.

Рис. 13-16. Анодные характеристики диода.

Когда анодное напряжение достигнет величины, при которой все покидающие катод электроны достигают анода, наступает режим насыщения и дальнейшее повышение напряжения по-разному влияет на анодный ток; у вольфрамового катода он практически не увеличивается, у бариевого — увеличивается, незначительно, у оксидного — более значительно.

Зависимость анодного тока от анодного напряжения в пределах восходящей части анодной характеристики можно выразить формулой, носящей название закона степени трех вторых:

(13-13)

т. е. анодный ток пропорционален анодному напряжению в степени трех вторых, где g — коэффициент пропорциональности, зависящий от формы и размеров электродов.

Характеристики, полученные опытным путем, в пределах восходящей части проходят несколько ниже характеристики, полученной расчетным путем по формуле (13-13).

Для приближенных расчетов иногда реальную характеристику заменяют приближенной (рис. 13-17) в виде отрезков прямых (кусочно-линейная аппроксимация).

Параметрами лампы называются величины, характеризующие основные свойства лампы.

Параметрами диода являются: внутреннее сопротивление, крутизна характеристики, допустимая мощность, выделяемая на аноде, допустимое обратное напряжение.

Рис. 13-17. Анодная характеристика диода (штриховая линия) и ее кусочно-линейная аппроксимация.

Рис. 13-18. Определение статического сопротивления диода.

Сопротивлением диода при постоянном токе или статическим сопротивлением диода называется отношение анодного напряжения к соответствующему анодному току, например для точки а (рис. 13-18) вольт-амперной характеристики статическое сопротивление

(13-14)

Из анодной характеристики диода видно, что для различных точек ее отношение , т. е. статическое сопротивленце диода, различно.

Допустим, что кроме постоянного напряжения — постоянной слагающей напряжения между анодом и катодом действует еще переменное напряжение — переменная слагающая напряжения с амплитудой На рис. 13-19, б показаны графики этой слагающей напряжения и суммарного напряжения

По этим графикам и вольт-амперной характеристике (рис. 13-19, а) диода построены графики постоянной составляющей тока переменной составляющей тока с амплитудой и суммарного пульсирующего тока (рис. 13-19, в).

Рис. 13-19. Анодная характеристика (а), график анодного напряжения (б), график анодного тока (в).

Отношение приращения анодного напряжения к соответствующему приращению анодного тока называется дифференциальным или внутренним сопротивлением диода при переменном токе, т. е.

(13-15)

Дифференциальное сопротивление диода на разных участках характеристики имеет разные значения. Однако средняя часть характеристики диода почти прямолинейна, и поэтому на этой части ее дифференциальное сопротивление практически постоянно. Оно часто и применяется для характеристики лампы.

Из рис. 13-19 постоянная составляющая анодного напряжения а соответствующая ей постоянная составляющая анодного тока , следовательно, статическое сопротивление диода

Из того же рис. 13-19 амплитуда переменной составляющей анодного напряжения , а соответствующая ей амплитуда переменной составляющей анодного тока мА, следовательно, дифференциальное сопротивление диода

Статическое сопротивление диода всегда больше его дифференциального сопротивления

Отношение приращения анодного тока к соответствующему приращению анодного напряжения (рис. 13-18) называется крутизной характеристики

(13-16)

Анодный ток измеряется в амперах или миллиамперах, а анодное напряжение — в вольтах, поэтому сопротивление измеряется в вольтах на ампер а крутизна, как величина, обратная сопротивлению, в амперах на вольт (А/В) или (мА/В).

Крутизну характеристики можно рассматривать как дифференциальную или внутреннюю проводимость диода при переменном токе, следовательно, если известно дифференциальное сопротивление диода, то тем самым известна и дифференциальная проводимость, таким образом, крутизна не является независимым параметром диода.

Вследствие нелинейности анодной характеристики диода крутизна характеристики, так же как и дифференциальное сопротивление диода, на различных участках характеристики не одинакова.

Для нахождения крутизны по данной характеристике диода выбирают участок ее (рис. 13-18), находят для него приращения (отрезок бв) (отрезок ав) и, определяя их отношение, получают крутизну для участка аб или для средней точки этого участка. Иногда пользуются понятием максимальной крутизны, соответствующей прямолинейной части характеристики.

Падая на анод, электроны отдают ему свою кинетическую энергию которая выделяется в виде тепла. Если мощность полученная анодом, превосходит мощность, которую анод отдает в окружающее пространство, то температура анода повышается.

Это может вызвать перегрев, деформацию анода и разрушение катода, находящегося вблизи анода.

Электрон на пути от катода к аноду приобретает энергию . Если на анод падает электронов в секунду, то энергия, получаемая анодом за это время, т. е. мощность анода,

(13-17)

В рабочем режиме вследствие нагрева анода возможно выделение из него остатков газа. Для уменьшения газовыделения анодом его при изготовлении лампы в процессе откачки газа (воздуха) интенсивно прогревают. При работе лампы температура анода должна быть меньше, чем при откачке, и меньше температуры катода во избежание перегрева катода. Допустимая температура нагрева анода определяет величину допустимой мощности, передаваемой аноду электронным потоком.

Мощность развиваемая на аноде при работе лампы, должна быть меньше допустимой:

а допустимая величина анодного тока

(13-18)

Аноды электронных ламп изготовляются из никеля, молибдена, тантала или графита.

Для увеличения мощности, рассеиваемой анодом, применяют аноды с добавочными ребрами или радиаторами. Применяется также чернение анода и покрытие его цирконием для повышения лучеиспускания и для поглощения остаточных газов.

Для каждой лампы указывается предельное значение выделяемой на аноде мощности при которой температура анода не превышает допустимой.

Если приложить отрицательное (обратное) анодное напряжение, превышающее запирающее, то может развиться самостоятельный электрический разряд и наступить пробой. Для каждой лампы указывается наибольшее допустимое обратное напряжение . К параметрам лампы относятся также номинальное напряжение () и номинальный ток накала лампы.

в) Типы и система обозначений диодов

По назначению двухэлектродные лампы делятся на кенотроны и высокочастотные диоды.

Кенотроном называется двухэлектродная лампа, предназначенная для выпрямления переменного тока промышленной частоты, т. е. для преобразования переменного тока в постоянный ток.

Высокочастотным диодом называется двухэлектродная лампа, предназначенная для преобразования высокочастотных колебаний (детектирование, модулирование, преобразование частоты).

Рис. 13-20. Оформление электронных ламп: а — двуханодный низковольтный кенотрон в стеклянном баллоне; б — высоковольтный кенотрон с верхним выводом анода, в стеклянном баллоне; в — лампа в металлическом баллоне; г — миниатюрная пальчиковая лампа; д — лампа типа «желудь».

По конструкции диоды бывают одноанодными и двуханодными. Двуханодный диод, как показывает название, представляет собой сочетание двух одинаковых диодов в одном баллоне. Такой диод может иметь один общий или два изолированных катода.

Размеры баллона лампы зависят от ее мощности, так как чем больше мощность лампы, тем больше тепла излучают электроды. Для ограничения температуры баллона увеличивают его поверхность.

По габаритным размерам, кроме обычных стеклянных и металлических ламп, снабженных цоколем, различают широко применяемые миниатюрные — пальчиковые и лампы типа «желудь» (рис. 13-20), которые не имеют цоколя.

У последних выводы от электродов выполняются гибкими проводами, которые припаиваются к соответствующим точкам схемы, или выводы от электродов выполняются из более толстых проводов, которые в то же время служат штырьками для соединения с гнездами ламповой панели.

Некоторые нормальные стеклянные и металлические лампы имеют восьмиштырьковый (октальный) цоколь. В цоколе по периферии симметрично укреплены восемь металлических штырьков, соединенных с электродами лампы, а в центре расположен пластмассовый удлиненный штырь-ключ с выступом (рис. 13-21, а), обеспечивающим правильную установку лампы. Штырьки цоколя вставляются в ламповую панельку (рис. 13-21, б). Штырьки нумеруются от выступа ключа по часрвой стрелке (рис. 13-21, в).

Рис. 13-21. Октальный цоколь (а); ламповая панель (б); нумерация штырьков (в); цоколевка кенотрона 5Ц4С (г).

Часть штырьков у некоторых ламп отсутствует.

Схема соединения электродов лампы со штырьками называется цоколевкой лампы. Она обычно приводится в справочниках по электровакуумным приборам.

Система обозначений электровакуумных приборов установлена ГОСТ 13393-67. Согласно этому стандарту обозначение электронной лампы состоит из четырех элементов:

1-й элемент обозначения — число, указывающее округленно напряжение накала в вольтах.

2-й элемент обозначения — буква, указывающая тип лампы:

Д — диод;

X — двойной диод;

Ц — кенотрон.

3-й элемент обозначения — число, указывающее порядковый номер данного типа прибора.

4-й элемент обозначения — буква, указывающая конструктивное оформление:

С — в стеклянной оболочке, диаметром больше 22,5 -мм;

К — в керамической оболочке;

П — стеклянная, миниатюрная, диаметром 19 и 22,5 мм;

Г — стеклянная сверхминиатюрная, диаметром свыше 10.2 мм;

Б — стеклянная сверхминиатюрная, диаметром до 10.2 мм;

А — стеклянная сверхминиатюрная, диаметром до 8 мм;

Р — стеклянная сверхминиатюрная, диаметром не более 5 мм;

Н — металлокерамическая.

Отсутствие четвертого элемента обозначения указывает, что лампа имеет металлическую оболочку.

В качестве примера рассмотрим условные обозначения нескольких электронных ламп;

5Ц4С — кенотрон (Ц), напряжение накала 5 В (5), в стеклянной колбе нормальных размеров (С), тип № 4 (4).

6Д6А — высокочастотный диод (Д), напряжение накала 6,3 В (6), сверхминиатюрный в стеклянной колбе диаметром до 8 мм (А), тип (6).

6Х6С — двойной диод (X), напряжение накала 6,3 В (6), в стеклянной колбе нормальных размеров (С), тип № 6 (6).