§ 52. Пустотные выпрямители тока (диоды, кенотроны)

Как уже упоминалось, на использовании термоэлектронной эмиссии основано устройство важнейшей части радиотехнической аппаратуры — электронной лампы. Схема простой двухэлектродной электронной лампы — пустотного выпрямителя тока — показана на рис. 190. Внутри стеклянного баллона, из которого воздух тщательно удален, находятся два электрода. Один из этих электродов (нить К) выполнен в виде металлической проволочки, накаливаемой

Рис. 190. Схема диода.

электрическим током от низковольтного трансформатора накала или же от батареи В, (часто применяется подогревный катод, рис. 187, стр. 250). Второй электрод — металлический цилиндр — охватывает первый.

Электрод К окружен пространственным отрицательным зарядом — электронным облаком. Число электронов в этом электронном облаке увеличивается при повышении температуры нити (§ 50); теряя электроны, электрод К заряжается положительно. Если этот электрод заземлить и. сообщить второму электроду, цилиндру некоторый положительный заряд то электроны пространственного заряда будут притягиваться положительным зарядом; известная часть электронов, заряд которой численно равен устремится от К к цилиндру Это движение электронов будет продолжаться до тех пор, пока заряд не будет полностью нейтрализован.

Если постоянно возобновлять положительный заряд на цилиндре с другой стороны, пополнять убыль электронов в К (для этого нужно подключить к электродам источник достаточно высокого постоянного напряжения, например аккумуляторную батарею внутри лампы установится постоянный ток электронов от К к цилиндру цепи источника напряжения (через батарею будет идти постоянный электрический ток.

От чего зависит количество электронов, пробегающих в единицу времени путь между анодом и катодом? Очевидно, что число электронов, увлекаемых анодом пропорционально заряду, который ему сообщен. Если между нитью и анодом приложено напряжение V, то этот заряд равен

где С — емкость между нитью и анодом, которые образуют цилиндрический конденсатор. Следовательно, количество увлекаемых электронов зависит от расположения и размеров анода и от приложенного к нему напряжения.

Чем ближе поверхность анода к нити, тем больше емкость С и тем больше влияние анода на электроны пространственного заряда. Чем выше напряжение, приложенное между нитью и анодом, тем больше количество увлекаемых электронов; следовательно, ток в анодной цепи электронной лампы будет возрастать при увеличении напряжения Однако это возрастание тока в цепи анода при увеличении напряжения является ограниченным. В самом - деле, оно может продолжаться только до тех пор, пока имеется запас электронов в пространственном заряде (рис. 191).

Предельный ток называют током насыщения электронной лампы. Нужно, однако, заметить, что пространственный заряд при этом не исчезает и кривая распределения потенциала остается криволинейной. При отсутствии зарядов между анодом и нитью распределение

потенцйала подчинялось бы прямолинейному закону. Практически полное уничтожение пространственного заряда наступает лишь при очень больших анодных напряжениях.

Напряжение, при котором устанавливается ток насыщения, зависит от емкости между нитью и анодом: чем меньше емкость, т. е. чем дальше поверхность анода от нити, тем большее напряжение необходимо для достижения тока насыщения.

На рис. 192 графически представлена зависимость тока в анодной цепи от напряжения, приложенного между анодом и нитью. Такие графики обычно называются характеристиками лампы. На рис. 192 приведены характеристики двухэлектродной лампы для разных температур катода. Как видим, для более высоких температур ток насыщения получается большим. Характеристика лампы на значительном участке близка к прямой линии. Иногда, идеализируя, ее принимают за прямолинейную от нуля и до тока насыщения.

Рис. 191. Распределение потенциала в электронной лампе при малом анодном напряжении (1) и при увеличении напряжения между анодом и нитью (2, 3)

Рис. 192. Характеристика двухэлектродной лампы с вольфрамовой нитью для различных температур нити.

Поступая так, мы предполагаем, что в области положительных напряжений на аноде вплоть до тока насыщения лампа ведет себя, как обычный проводник, подчиняющийся закону Ома, т. е. ток через лампу пропорционален приложенному к ней напряжению:

Мы видим, что лампу можно характеризовать определенным, ей присущим сопротивлением, так называемым внутренним сопротивлением лампы. Очевидно, чем круче идет характеристика лампы,

тем меньше внутреннее сопротивление лампы. Внутреннее сопротивление лампы и ее ток насыщения являются величинами, характеризующими двухэлектродную лампу с достаточной полнотой.

Действительная характеристика лампы не прямолинейна; тем не менее сохраняют представление о внутреннем сопротивлении лампы, но определяют эту величину, дифференцируя выражение закона Ома (3) в предположении, что хотя бы для относительно небольшого участка характеристики

Таким образом, дифференциальным внутренним сопротивлением лампы называют отношение дифференциально малого прироста анодного напряжения к тому приросту тока в лампе, который вызывается этим увеличением анодного напряжения.

Начальные участки характеристик двухэлектродной лампы для разных температур, как показывает рис. 192, совпадают. Здесь характеристика является наиболее криволинейной. В этой области сравнительно малых напряжений между анодом и катодом зависимость тока от напряжения определяется законом Богуславского — Ленгмюра:

Здесь К — константа, характеризующая размеры и форму электродов и не зависящая от температуры катода.

На рис. 192 пунктиром представлена характеристика лампы, имеющей большую емкость С, т. е. такой лампы, у которой анод расположен ближе к нити. Ток насыщения для такой лампы достигается при меньших значениях напряжения и характеристика ее идет круче.

Что получится, если мы сообщим аноду не положительный заряд, а отрицательный, например приложим обратное напряжение между электродами, переменив полюсы батареи? Очевидно, что в этом случае тока не будет, так как электроны не будут увлекаться к цилиндру А. Следовательно, электронная лампа обладает односторонней (униполярной) проводимостью и может служить для выпрямления тока. Такие лампы, предназначенные для выпрямления тока, получаемого от трансформатора или от динамомашин переменного тока, как уже упоминалось в предыдущем параграфе, называют кенотронами; двухэлектродные лампы, применяемые в радиоприемниках для выпрямления высокочастотных токов, носят название диодных детекторов.