Электровакуумный диод — электронная лампа с двумя электродами (катод и анод). Разновидность диода. Используется в детекторах (амплитудных или частотных) и в выпрямителях. Высоковольтная разновидность — кенотрон. История

Принцип действия термионных (электровакуумных) диодов был открыт британским учёным Фредериком Гутри в 1873 году.

[править] Устройство

Обозначение на схемах диода с катодом непрямого накала.

Электровакуумный диод представляет собой стеклянный или металлический баллон, из которого откачан воздух и внутри которого находятся катод и анод. От этих электродов сквозь стенки баллона проходят выводы. Если баллон стеклянный, то выводы впаиваются в стекло. Если же баллон металлический, то выводы выходят через стеклянные или керамические бусинки, впаянные в металл.

Анод имеет один вывод. В зависимости от конструкции выделяют катоды прямого накала и подогревные катоды. Катод прямого накала греется за счёт проходящего через него тока, и имеет два вывода. Для подогревного катода (который греется за счет близко расположенной нити накала) делают два вывода от подогревающей нити и один от, собственно, катода.

В практических конструкциях диодов анод обычно имеет форму цилиндра или коробки без двух стенок (часто с закругленными углами), окружающей катод. В последнем случае нить имеет вид латинской буквы V или W. При таких конструкциях анодов все излучаемые катодами электроны с одинаковой силой притягиваются анодами.

Для уменьшения нагрева анода его часто снабжают рёбрами или крылышками, которые способствуют лучшему отводу от него тепла.

[править] Принцип работы

При разогреве катода электроны начнут покидать его поверхность за счёт термоэлектронной эмиссии. Покинувшие поверхность электроны будут препятствовать вылету других электронов, 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.

При подаче на катод отрицательного электрического потенциала, а на анод — положительного возникает электрическое поле, которое заставляет электроны двигаться от катода к аноду. Тем самым в цепи появляется ток.

Если же на катод подан «+», а на анод «-» (обратное включение), электрическое поле препятствует движению электронов, которые покидают катод и ток не течёт.

[править] ВАХ

Вольт-амперная характеристика электровакуумного диода.

Вольт-амперная характеристика электровакуумного диода имеет 3 участка:

Нелинейный участок. На начальном участке ВАХ ток медленно возрастает при увеличении напряжения на аноде, что объясняется противодействием полю анода объёмного отрицательного заряда электронного облака. По сравнению с током насыщения, анодный ток при U_a = 0 очень мал (и не показан на схеме). Его зависимость от напряжения растет экспоненциально, что обуславливается разбросом начальных скоростей электронов. Для полного прекращения анодного тока необходимо приложить некоторое анодное напряжение меньше нуля, называемое запирающим.

[править] Основные параметры

К основным параметрам электровакуумного диода относятся:

Крутизна ВАХ: — изменение анодного тока в мА на 1 В изменения напряжения.

Дифференциальное сопротивление:

Максимально допустимое обратное напряжение. При некотором напряжении, приложенном в обратном направлении (то есть изменена полярность катода и анода), происходит пробой диода — проскакивает искра между катодом и анодом, что сопровождается резким возрастанием силы тока.

Запирающее напряжение — напряжение, необходимое для прекращения тока в диоде.

Максимально допустимая рассеиваемая мощность.

Крутизна и внутреннее сопротивление являются функциями от анодного напряжения и температуры катода.

Если температура катода постоянна, то в пределах участка «трех вторых» крутизна равна первой производной от функции "трех-вторых".

[править] Маркировка приборов

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

Первое число обозначает напряжение накала, округлённое 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 жёсткими штыревыми выводами без цоколя).

Б — миниатюрная серия с гибкими выводами и с диаметром корпуса менее 10мм.

А — миниатюрная серия с гибкими выводами и с диаметром корпуса менее 6мм.

К — серия ламп в керамическом корпусе.

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

[править] Сравнение с полупроводниковыми диодами

По сравнению с полупроводниковыми диодами в электровакуумных диодах отсутствует обратный ток, и они выдерживают более высокие напряжения. Способны кратковременно выдерживать большие перегрузки (полупроводниковые «выгорают» сразу^{[источник не указан 642 дня]}). Стойки к ионизирующим излучениям. Однако они обладают гораздо большими размерами и меньшим КПД.

Ламповые диоды

Основная статья: Электровакуумный диод

Ламповые диоды представляют собой радиолампу с двумя рабочими электродами, один из которых подогревается нитью накала. Благодаря этому, часть электронов покидает поверхность разогретого электрода (катода) и под действием электрического поля движется к другому электроду — аноду. Если же поле направлено в противоположную сторону, электрическое поле препятствует этим электронам и тока (практически) нет.

[править] Специальные типы диодов

• Стабилитроны (диод Зенера). Используют обратную ветвь характеристики диода с обратимым пробоем для стабилизации напряжения.

• Туннельные диоды (диоды Лео Эсаки). Диоды, существенно использующие квантовомеханические эффекты. Имеют область т. н. «отрицательного сопротивления» на вольт-амперной характеристике. Применяются как усилители, генераторы и пр.

• Варикапы(диоды Джона Джеумма). Используется то, что запертый p—n-переход обладает большой ёмкостью, причём ёмкость зависит от приложенного обратного напряжения. Применяются в качестве конденсаторов переменной ёмкости.

• Светодиоды (диоды Генри Раунда). В отличие от обычных диодов, при рекомбинации электронов и дырок в переходе излучают свет в видимом диапазоне, а не в инфракрасном. Однако, выпускаются светодиоды и с излучением в ИК диапазоне, а с недавних пор — и в УФ.

• Полупроводниковые лазеры. По устройству близки к светодиодам, однако имеют оптический резонатор, излучают когерентный свет.

• Фотодиоды. Запертый фотодиод открывается под действием света.

• Солнечный элемент. Подобен фотодиоду, но работает без смещения. Падающий на p-n переход свет вызывает движение электронов и генерацию тока.

• Диоды Ганна. Используются для генерации и преобразования частоты в СВЧ диапазоне.

• Диод Шоттки. Диод с малым падением напряжения при прямом включении.

• Лавинный диод — диод, основанный на лавинном пробое обратного участка вольт-амперной характеристики. Применяется для защиты цепей от перенапряжений

• Лавинно-пролётный диод — диод, основанный на лавинном умножении носителей заряда. Применяется для генерации колебаний в СВЧ-технике.

• Магнитодиод. Диод, вольт-амперная характеристика которого существенно зависит от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительно плоскости p-n-перехода.

• Стабисторы. При работе используется участок ветви вольт-амперной характеристики, соответствующий «прямому напряжению» на диоде.

• Смесительный диод — предназначен для перемножения двух высокочастотных сигналов.

• pin диод — содержит область собственной проводимости между сильнолегированными областями. Используется в СВЧ-технике, силовой электронике, как фотодетектор.

[править] Применение диодов

[править] Диодные выпрямители

Трёхфазный выпрямитель Ларионова А. Н. на трёх полумостах

Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий). Диодный выпрямитель или диодный мост (То есть 4 диода для однофазной схемы, 6 для трёхфазной полумостовой схемы или 12 для трёхфазной полномостовой схемы, соединённых между собой по схеме) — основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств. Диодный трёхфазный выпрямитель по схеме Ларионова А. Н. на трёх параллельных полумостах применяется в автомобильных генераторах, он преобразует переменный трёхфазный ток генератора в постоянный ток бортовой сети автомобиля. Применение генератора переменного тока в сочетании с диодным выпрямителем вместо генератора постоянного тока с щёточно-коллекторным узлом позволило значительно уменьшить размеры автомобильного генератора и повысить его надёжность.

В некоторых выпрямительных устройствах до сих пор применяются селеновые выпрямители. Это вызвано той особенностью данных выпрямителей, что при превышении предельно допустимого тока, происходит выгорание селена (участками), не приводящее (до определенной степени) ни к потере выпрямительных свойств, ни к короткому замыканию — пробою.

В высоковольтных выпрямителях применяются селеновые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых селеновых выпрямителей и кремниевые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых кремниевых диодов.

[править] Диодные детекторы

Основная статья: Детектор (электронное устройство)

Диоды в сочетании с конденсаторами применяются для выделения низкочастотной модуляции из амплитудно-модулированного радиосигнала или других модулированных сигналов. Диодные детекторы применяются в радиоприёмных устройствах: радиоприёмниках, телевизорах и т.п. Используется квадратичный участок вольт-амперной характеристики диода.

[править] Диодная защита

Диоды применяются также для защиты разных устройств от неправильной полярности включения и т. п.

Известна схема диодной защиты схем постоянного тока с индуктивностями от скачков при выключении питания. Диод включается параллельно катушке так, что в «рабочем» состоянии диод закрыт. В таком случае, если резко выключить сборку, возникнет ток через диод и сила тока будет уменьшаться медленно (ЭДС индукции будет равна падению напряжения на диоде), и не возникнет мощного скачка напряжения, приводящего к искрящим контактам и выгорающим полупроводникам.

[править] Диодные переключатели

Применяются для коммутации высокочастотных сигналов. Управление осуществляется постоянным током, разделение ВЧ и управляющего сигнала с помощью конденсаторов и индуктивностей.

Обозначения.

Эти сведения впервые публикуются в таком объеме.

Рис 1.1 Условные графические обозначения ЭРЭ в схемах электрических, радиотехнических и автоматизации

1. 1— транзистор структуры р- n-р в корпусе, общее обозначение;

2. 2— транзистор структуры п-р-п в корпусе, общее обозначение,

3. 3 — транзистор полевой с p-n-переходом и п каналом,

4. 4 — транзистор полевой с p-n-переходом и р каналом,

5. 5 — транзистор однопереходный с базой п типа, б1, б2 — выводы

6. базы, э — вывод эмиттера,

7. 6 — фотодиод,

8. 7 — диод выпрямительный,

9. 8 — стабилитрон (диод лавинный выпрямительный) односторонний,

10. 9 — диод тепло-электрический,

11. 10 — тиристор диодный, стираемый в обратном направлении;

12. 11 — стабилитрон (диодолавинный выпрямительный) с двусторонней проводимостью,

13. 12 — тиристор триодный.

14. 13 — фоторезистор,

15. 14 — переменный резистор, реостат, общее обозначение,

16. 15 — переменный резистор,

17. 16 — переменный резистор с отводами,

18. 17 — построечный резистор-потенциометр;

19. 18 — терморезистор с положительным температурным коэффициентом прямого нагрева (подогрева),

20. 19 — варистор,

21. 20 — конденсатор постоянной емкости, общее обозначение,

22. 21 — конденсатор постоянной емкости поляризованный;

23. 22 — конденсатор оксидный поляризованный электролитический, общее обозначение;

24. 23 — резистор постоянный, общее обозначение;

25. 24 — резистор постоянный с номинальной мощностью 0, 05 Вт;

26. 25 — резистор постоянный с номинальной мощностью 0, 125 Вт,

27. 26 — резистор постоянный с номинальной мощностью 0, 25 Вт,

28. 27 — резистор постоянный с номинальной мощностью 0, 5 Вт,

29. 28 — резистор постоянный с номинальной мощностью 1 Вт,

30. 29 — резистор постоянный с номинальной мощностью рассеяния 2 Вт,

31. 30 — резистор постоянный с номинальной мощностью рассеяния 5 Вт;

32. 31 — резистор постоянный с одним симметричным дополнительным отводом;

33. 32 — резистор постоянный с одним несимметричным дополнительным отводом;

Рис 1.1 Условные графические обозначения ЭРЭ в схемах электрических, радиотехнических и автоматизации

33. 33 — конденсатор оксидный неполяризованный,

34. 34 — конденсатор проходной (дуга обозначает корпус, внешний элекрод),

35. 35 — конденсатор переменной емкости (стрелка обозначает ротор);

36. 36 — конденсатор подстроечный, общее обозначение

37. 37 — варикап.

38. 38 — конденсатор помехоподавляющий;

39. 39 — светодиод,

40. 40 — туннельный диод;

41. 41 — лампа накаливания осветительная и сигнальная

42. 42 — звонок электрический

43. 43 — элемент гальванический или аккумуляторный;

44. 44 — линия электрической связи с одним ответвлением;

45. 45 — линия электрической связи с двумя ответвлениями;

46. 46 — группа проводов, подключенных к одной точке электрическою соединения. Два провода;

47. 47 — четыре провода, подключенных к одной точке электрическою соединения;

48. 48 — батарея из гальванических элементов или батарея аккумуляторная;

49. 49 — кабель коаксиальный. Экран соединен с корпусом;

50. 50 — обмотка трансформатора, автотрансформатора, дросселя, магнитного усилителя;

51. 51 — рабочая обмотка магнитного усилителя;

52. 52 — управляющая обмотка магнитного усилителя;

53. 53 — трансформатор без сердечника (магнитопровода) с постоянной связью (точками обозначены начала обмоток);

54. 54 — трансформатор с магнитодиэлектрическим сердечником;

55. 55 — катушка индуктивности, дроссель без магнитопровода;

56. 56 — трансформатор однофазный с ферромагнитным магнитопроводом и экраном между обмотками;

57. 57 — трансформатор однофазный трехобмоточный с ферромагнитным магнитопроводом с отводом во вторичной обмотке;

58. 58 — автотрансформатор однофазный с регулированием напряжения;

59. 59 — предохранитель;

60. 60 — предохранитель выключатель;

61. б/ — предохранитель-разъединитель;

62. 62 — соединение контактное разъемное;

63. 63 — усилитель (направление передачи сигнала указывает вершина треугольника на горизонтальной линии связи);

64. 64 — штырь разъемного контактного соединения;

Таблица 1.1. Буквенные обозначения элементов схем

Продолжение табл.1.1 Окончание табл. 1.1

50Диод Шотки

Условное обозначение диода Шоттки по ГОСТ 2.730-73

Структура детекторного Шотки диода : 1 — полупроводниковая подложка; 2 — эпитаксиальная плёнка; 3 — контакт металл — полупроводник; 4 — металлическая плёнка; 5 — внешний контакт

Диод Шоттки (также правильно Шотки, сокращённо ДШ) — полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки. Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки (вместо p-n перехода, как у обычных диодов). Допустимое обратное напряжение промышленно выпускаемых диодов Шоттки ограничено 250 В (MBR40250 и аналоги), на практике большинство диодов Шоттки применяется в низковольтных цепях при обратном напряжении порядка единиц и нескольких десятков вольт.

[Править] Свойства диодов Шоттки

Достоинства

• В то время, как обычные кремниевые диоды имеют прямое падение напряжения около 0,6—0,7 вольт, применение диодов Шоттки позволяет снизить это значение до 0,2—0,4 вольт. Столь малое прямое падение напряжения присуще только диодам Шоттки с максимальным обратным напряжением порядка десятков вольт, выше же падение напряжения становится сравнимым с аналогичным параметром кремниевых диодов, что ограничивает применение диодов Шоттки. Например, для силового диода Шоттки 30Q150^{[источник не указан 719 дней]} с максимально возможным обратным напряжением (150 В) при прямом токе 15 А падение напряжения нормируется на уровне от 0,75 В (T = 125 °C) до 1,07 В (T = −55 °C).

• Барьер Шоттки (открыл нем. физик Вальтер Шоттки — Walter Schottky) также имеет меньшую электрическую ёмкость перехода, что позволяет заметно повысить рабочую частоту. Это свойство используется в интегральных микросхемах, где диодами Шоттки шунтируются переходы транзисторов логических элементов. В силовой электронике малое время восстановления позволяет строить выпрямители на частоты в сотни кГц и выше. Например, диод MBR4015 (15 В, 40 А), оптимизированный под высокочастотное выпрямление, нормирован для работы при dV/dt до 10 кВ/мкс.

• Благодаря лучшим временны́м характеристикам и малым ёмкостям перехода выпрямители на диодах Шоттки отличаются от традиционных диодных выпрямителей пониженным уровнем помех, поэтому они предпочтительны в традиционных трансформаторных блоках питания аналоговой аппаратуры.

Недостатки

• при кратковременном превышении максимального обратного напряжения диод Шоттки необратимо выходит из строя (КЗ — короткое замыкание), в отличие от обычных кремниевых p-n диодов, которые переходят в режим обратимого^[1] пробоя, и, при условии непревышения рассеиваемой на диоде максимальной мощности после падения напряжения, диод полностью восстанавливает свои свойства.

• диоды Шоттки характеризуются повышенными (относительно обычных кремниевых p-n диодов) обратными токами, возрастающими с ростом температуры кристалла. Для вышеупомянутого 30Q150 обратный ток при максимальном обратном напряжении изменяется от 0,12 мА при +25 °C до 6,0 мА при +125 °C. У низковольтных диодов в корпусах ТО220 обратный ток может превышать сотни миллиампер (MBR4015 — до 600 мА при +125 °C). При неудовлетворительных условиях теплоотвода положительная обратная связь по теплу в диоде Шоттки приводит к его катастрофическому перегреву.