Катод у диода: Принцип устройства и работы электро-вакуумных приборов

Принцип устройства и работы электро-вакуумных приборов

Главное назначение диодов — выпрямление переменного тока. Иногда диоды применяются для генерации шумов, т. е. беспорядочно изменяющихся токов и напряжений, для ограничения электрических импульсов и т. д.

Диод имеет два электрода в стеклянном, металлическом или керамическом баллоне с вакуумом. Один электрод — это накаленный катод, служащий для эмиссии (испускания) электронов. Другой электрод. — анод — принимает электроны, испускаемые катодом. Катод и анод вакуумного диода аналогичны эмиттеру и базе полупроводникового диода. Анод притягивает электроны, если он имеет положительный относительно катода потенциал. Между анодом и катодом образуется электрическое поле, которое при положительном потенциале анода является ускоряющим для электронов. Электроны, вылетающие из катода, под действием поля движутся к аноду.

Простейший катод делают в виде проволочки, которая накаливается током. Такие катоды называют катодами прямого или непосредственного накала.

Большое распространение получил катод косвенного накала (подогревный). Это металлический цилиндр, поверхность которого покрыта активным слоем, эмитирующим электроны. Внутри цилиндра находится подогреватель в виде проволочки, накаливаемой током. В наиболее распространенной цилиндрической конструкции диода (рис. 15.1) анод имеет форму цилиндра.

Цепи диода с катодом косвенного накала показаны на рис. 15.2. Основной является анодная цепь (цепь анода). В нее входят анодный источник Еаи пространство между анодом и катодом.

Все электроны, вылетающие из катода, образуют

ток эмиссии

Ie = Nq, (15.1)

где N — число электронов, вылетающих за 1 с; qзаряд электрона.

Между анодом и катодом образуется отрицательный заряд, называемый объемным или пространственным и препятствующий движению электронов 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 Iк или iK

:

iK = nq<Ie, (15.2)

где п — число электронов, ушедших за 1 с с катода и не возвратившихся.

Рис. 15.1. Цилиндрическая конструкция электродов диода

 

Рис. 15.2. Цепи диода с катодом косвенного накала

 

Рис. 15.3. Упрощенные схемы с диодами

 

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

Поток электронов, летящих от катода к аноду и попадающих на анод, называют анодным током (током анода). Он протекает в анодной цепи и обозначается

Iа или ia В диоде катодный и анодный токи равны друг другу:

ia = iк. (15.3)

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 по отношению к катоду, 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.

Основное свойство диода — способность проводить ток в одном направлении. Электроны могут двигаться только от накаленного катода к аноду, имеющему положительный потенциал. Если же на аноде отрицательный относительно катода потенциал, то диод заперт, т. е. он размыкает цепь. Такой анод отталкивает электроны, а сам он не накален и не испускает электронов. Диод обладает односторонней проводимостью и подобно полупроводниковому диоду может выпрямлять переменный ток. В отличие от полупроводникового диода в вакуумном при обратном напряжении обратный ток практически отсутствует.

Анодный ток составляет доли миллиампера в самых маломощных диодах, применяемых в радиоприемниках или измерительной аппаратуре. В более мощных диодах (кенотронах), работающих в выпрямительных установках для питания аппаратуры, анодный ток достигает сотен миллиампер и более.

Разность потенциалов между анодом и катодом называют анодным напряжением (напряжением анода) и обозначают Ua или uа.

В практических схемах, когда в анодную цепь включена нагрузка, на которой падает часть напряжения анодного источника, анодное напряжение меньше

Eа. Нередко возникают ошибки от того, что напряжение анодного источника Eа неправильно называют анодным напряжением. Но они равны только в том случае, когда зажимы анодного источника непосредственно присоединены к аноду и катоду лампы (см. рис. 15.2). Положительное анодное напряжение у маломощных диодов составляет доли вольта или единицы вольт. У кенотронов средней мощности оно достигает десятков вольт, а у мощных кенотронов сотен вольт и более.

Условились принимать потенциал катода за нулевой, так как от катода электроны начинают свое движение. Потенциал любого электрода определяют относительно катода. У катода прямого накала за точку нулевого потенциала принимают минус источника накала.

Второй цепью диода является цепь накала. Она состоит из источника Eн и подогревателя (или катода прямого накала). Ток накала обозначают Iн, а напряжение накала, т. е. напряжение между выводами подогревателя (или катода прямого накала), обозначают Uн. Напряжение накала всегда низкое — единицы, реже десятки вольт. Ток накала у маломощных ламп составляет десятки миллиампер, а у мощных — до десятков и даже сотен ампер. Во многих схемах вывод катода соединяют с корпусом (рис.

15.3, а, б) аппаратуры.

Основные аннотации по теме ламповой схемотехники

 

В чем разница между диодами, анодами и катодами?

Полупроводниковый диод является основным компонентом огромного количества электрических систем. Эти компоненты имеют два терминала — один, который потребляет электричество, а другой — его. Этот процесс работает одним способом; если терминал потребляет электричество, он не пропускает электричество обратно. Катод — это часть диода, которая позволяет источнику энергии вытекать, а анод — это часть, которая позволяет ему течь. Именно комбинация этих двух элементов позволяет диоду функционировать.

Физическая конструкция диода немного меняется в зависимости от причины его использования, но некоторые факторы остаются неизменными. Диод имеет две клеммы, катод и анод, которые соединены небольшим количеством полупроводникового материала. Этим материалом обычно является кремний, но можно использовать широкий спектр различных материалов. Вся сборка окружена стеклянным или пластиковым покрытием. Диоды могут быть любого размера, и хотя большинство диодов не очень большие, они могут быть почти микроскопически маленькими.

Анод принимает электричество. Этот терминал получил свое название от отрицательно заряженных анионов, которые движутся к нему во время обычной электрохимической реакции. Заряд анода зависит от функции устройства. Если устройство использует энергию, заряд является отрицательным, а если он делает питание, его заряд является положительным. Этот сдвиг полярности позволяет электричеству правильно течь из терминала.

Катод по сути является противоположностью анода. Катод позволяет источнику энергии вытекать из устройства. Этот терминал получил свое название от положительно заряженных катодов, которые он привлекает во время реакции. Когда устройство использует энергию, катод является положительным и отрицательным, когда он генерирует энергию.

Материал в середине диода — это полупроводник. Полупроводники — это материалы, которые не проводят электричество, как стандартный проводник, но не предотвращают его, как изолятор. Эти материалы вписываются между ними и имеют очень специфические свойства, когда через них проходит электричество. В большинстве серийно выпускаемых диодов используется кремниевый полупроводник, но диоды из германия не редкость.

Со времени их изобретения в конце 1800-х годов основные диоды не сильно изменились. Материалы, используемые для их изготовления, улучшились, а базовый дизайн стал намного меньше, но это действительно все, что изменилось. Ни принципы их изготовления, ни их дизайн не сильно отличаются от оригинального творения.

Самое большое новшество с диодами в альтернативных версиях, вдохновленных первоначальным изобретением. Существуют десятки различных типов диодов, которые работают немного по-разному. Эти различные диоды имеют всевозможные дополнительные функции помимо методов ввода-вывода основной формы. Они варьируются от туннельного диода, который работает в квантовом масштабе, до светодиода (LED), используемого в качестве источника света во многих современных электронных приборах.

ДРУГИЕ ЯЗЫКИ

Вакуумный диод-вольт амперная характеристика, устройство диода

Вакуумом называется настолько разреженное скопление газа, которое практически исключает соударение молекул, что сводит электропроводность вакуума к минимуму.

Вакуумный диод — это металлокерамический или диодный баллон, во внутренней полости которого отсутствует воздух. Как результат, показания по давлению внутри таких баллонов составляет 10 -6 — 10 -7 миллиметров ртутного столба.

Структура диода вакуумного типа

Во внутренней вакуумной полости баллона размещается пара электродов:

  • Катодный электрод.

Изготавливаемый из металлов, вертикально расположенный элемент цилиндрической формы. На поверхности сформировано напыление из металлических оксидов (используются металлы земельно-щелочной группы) поэтому катод называется оксидным. Катоды данного типа отличаются тем, что в момент повышения температуры электроны отделяются от них гораздо активнее, чем от стандартных катодов металлического типа. По катоду проводится изолированный проводниковый элемент, который нагревается посредством тока переменной или постоянной частоты. Отделяющиеся от элемента отрицательно заряженные частицы находятся в потоке и притягиваются в сторону анодного электрода.

Катоды диодов вакуумного типа  выполняются преимущественно по подобию W и V литер. Это позволяет увеличить размер устройства по длине.

  • Анодный электрод.

Округлый или элиптоидный цилиндрический элемент. Расположен на одной горизонтали с катодом.

Аноды выполняются по форме кубообразные элементы с отсутствующими боковыми гранями. Если рассматривать его в разрезе, то можно увидеть закруглённый на углах четырёхугольник. Видимая конструкция обусловлена тем, что промежуток катод-анод по всем векторам направлений должен быть одинаковым. По этой причине и катоды, и аноды контуром похожи на эллипс.

Для уменьшения нагреваемости анода, в его конструкцию обычно включаются специальные теплоотводные «ребра».

Закрепление катодов и анодов осуществляется посредством особых держателей.

Электровакуумный диод

Помимо вакуумных полупроводников были созданы также электровакуумные диоды.

Под этим названием подразумевается двухэлектродная вакуумная электронная лампа. Конструкция этого устройства сходна с диодом вакуумного типа. На деле они практически не отличаются. Единственный несовпадающий момент заключается в том, что в электровакуумном диоде роль катодного электрода исполняет w-подобная, либо ровная нить.

 

 

В процессе функционирования диода температурный уровень нити должен подниматься, пока не достигнет определённого градуса. В этот момент запускается процесс термоэлектронной эмиссии. Когда аноды электроды получают напряжение со знаком «минус», происходит перенаправление электронов в обратную сторону, к катоду. В момент, когда на анод начинает поставляться напряжение со знаком «плюс», отсоединившиеся электроны вновь движутся к анодному электроду. Это провоцирует возникновение тока.

Сферы применения

Вакуумные и аналогичного типа диоды применяются в качестве выравнивателей частоты приложеного напряжения. Данное свойство качество является базовым для вакуумных выпрямителей. Они применяются как фиксаторы высокочастотных волн и выпрямители электронных потоков переменного характера.

Диоды электровакуумного типа обладают односторонней электропроводностью. Причина этому в том, что электроны могут двигаться лишь по направлению катод-анод. Это позволяет эксплуатировать вакуумный диод в роли инвертера.

 

 

Применение вакуумных диодов позволяет питать радиотехнику от сети с переменным током.

Параметры вакуумного диода определяют качество и назначение механизма, в котором он установлен.

Однако вакуумные диоды имеют ограничения по рабочей частоте напряжения: 500 МГц.

Принцип работы

Диоды вакуумного типа работают следующим образом:

  • Катод разогревается, начинается отделение отрицательно заряженных частиц.
  • Развивается процесс термоэлектронной эмиссии.
  • Уже свободные частицы блокируют отделение других частиц, происходит образование электронного облака.
  • Электроны с самой низкой скоростью перемещения притягиваются обратно к катоду.
  • При строго фиксированной температуре происходит стабилизация электронного облака. То есть количество отлетающих электронов совпадает с количеством оседающих

При возникновении нулевого напряжения (короткого замыкания) частицы движутся к в сторону анодного электрода. Это происходит за счёт преодоления быстрыми электронами потенциальной ямы. Ток отсекается, если пустить по аноду напряжение со знаком «минус» на 1В или даже менее того.

Если подать положительное напряжение, то произойдёт формирование ускоряющего поля, увеличивающего анодный ток. На уровне близком к предельной катодной эмиссии рост тока снижает скорость и стабилизируется. Это называется эффектом «насыщения».

Вольт-амперная характеристика (ВАХ)

Вольт-амперная характеристика диодов вакуумного типа состоит из трёх участков:

  1. Начальный, нелинейный.

Характеризуется медленным возрастанием тока и повышением уровня напряжения на анодном электроде, что рассматривается как следствие оказываемого электронным облаком (с отрицательным зарядом) сопротивления. Уровень тока на аноде весьма низок, но он увеличивается по экспоненте вместе с напряжением. Это происходит благодаря неоднородности скоростей движущихся электронов. Чтобы прекратить анодный ток потребуется отрицательное, запирающее напряжение на аноде.

  1. Закон степени 3/2-х. Второй участок.

Проявляется взаимозависимость тока и напряжения на аноде в соответствии с законом степени 3/2-х, где одна из переменных находится в зависимости от роста катодной температуры.

  1. Последний, насыщение.

Если уровень напряжения продолжает увеличиваться, то происходит замедление, а затем и прекращение роста тока, поскольку все электроны приникают к аноду, эмиссионный потенциал катода израсходован. Ток, который при этом устанавливается на аноде, называется током насыщения.

 

 

Основные характеристики вакуумного диода

Охарактеризовать вакуумный диод можно по следующим параметрам:

  1. Крутизне ВАХ;
  2. Дифференциальному сопротивлению;
  3. Максимально допустимому обратному напряжению;
  4. Запирающему напряжению;
  5. Максимально допустимой рассеиваемой мощности;

Вычисление крутизны и внутреннего сопротивления осуществляется через анодное напряжение и уровень температуры на катоде.

 

Похожее

Диод

— ток, катод, полупроводник и пластина

Диод — это электронное устройство, в котором два электрода расположены таким образом, что электроны могут течь только в одном направлении. Из-за этой способности управлять потоком электродов диод обычно используется в качестве выпрямителя, устройства, которое преобразует переменный ток в постоянный. Обычно существует два типа диодов. Старые диоды представляли собой вакуумных ламп , содержащих два металлических компонента , в то время как более новые диоды представляют собой твердотельные устройства, состоящие из одного полупроводника n-типа и одного полупроводника p-типа.

Рабочий элемент в вакуумной лампе диод представляет собой металлический провод или цилиндр, известный как катод . Вокруг катода или на расстоянии от него находится металлическая пластина. Катод и пластина герметизированы внутри стеклянной трубки , из которой удален весь воздух. Катод также прикреплен к нагревателю, который при включении заставляет катод светиться. Когда катод светится, он испускает электроны.

Если на металлической пластине поддерживается положительная разность потенциалов по сравнению с катодом, электроны будут течь от катода к пластине.Однако, если пластина на отрицательна на по сравнению с катодом, электроны отталкиваются, и электрический ток от катода к пластине отсутствует. Таким образом, диод действует как выпрямитель, позволяя электронам течь только в одном направлении, от катода к пластине.

Одно из применений такого устройства — преобразование переменного тока в постоянный. Переменный ток — это ток, который течет сначала в одном направлении, а затем в другом. Но переменный ток, подаваемый в диод, может двигаться только в одном направлении, тем самым преобразуя ток в односторонний или постоянный ток.

Новые типы диодов изготавливаются из полупроводников n-типа и полупроводников p-типа. Полупроводники N-типа содержат небольшие примеси, которые обеспечивают избыток электронов, способных перемещаться по системе. Полупроводники P-типа содержат небольшие примеси, которые создают избыток положительно заряженных «дырок», способных перемещаться по системе.

Полупроводниковый диод изготавливается путем соединения полупроводника n-типа с полупроводником p-типа через внешнюю цепь, содержащую источник электрического тока.Ток может течь от n-полупроводника к p-полупроводнику, но не в другом направлении. В этом смысле n-полупроводник соответствует катоду, а p-полупроводник — пластине в диоде вакуумной трубки. Полупроводниковый диод выполняет большинство тех же функций, что и более старый вакуумный диод, но он работает намного эффективнее и занимает гораздо меньше места, чем вакуумный диод.

Эффективный маломолекулярный органический светоизлучающий диод с графеновым катодом, покрытым слоем Sm с нанополостями и n-легированным Bphen: Cs 2 CO 3 в полостях

Графен является подходящим кандидатом в качестве электродов органических светоизлучающих диодов (OLED).Графен имеет довольно высокую работу выхода ∼4,5 эВ и широко изучался при использовании в качестве анодов OLED. Чтобы использовать графен в качестве катода, барьер для инжекции электронов между графеновым катодом и слоем переноса электронов должен быть достаточно низким. Использование 4,7-дифенил-1,10-фенантролина (Bphen): Cs 2 CO 3 для n-допированного графена является очень хорошим методом, но барьер для инжекции электронов между n-легированным графеном и Bphen: Cs 2 CO 3 все еще слишком высока, чтобы быть ∼1. 0 эВ. В данной работе для дальнейшего снижения барьера инжекции электронов предлагается новый метод. На графеновый катод наносится слой Sm с множеством нанополостей, а затем слой Bphen: Cs 2 CO 3 . Bphen: Cs 2 CO 3 может n-допировать графен в нанополостях, и уровень Ферми графена повышается. Слой нано-Sm очень легко окисляется. Кислород, адсорбированный на поверхности графена, может реагировать с Sm с образованием дипольного слоя O -Sm + .На участках дипольного слоя оксида Sm без нанополостей барьер инжекции электронов может быть дополнительно снижен за счет дипольного слоя. Электроны, как правило, проникают через нижний электронный барьер, где существует дипольный слой. На основе этой идеи был создан эффективный инвертированный низкомолекулярный OLED со структурой графен / слой Sm толщиной 1 нм с множеством нанополостей / Bphen: Cs 2 CO 3 / Alq 3 : C545T / NPB / MoO 3 / Al. Максимальный выход по току и максимальная энергоэффективность OLED со слоем Sm толщиной 1 нм примерно в два и три раза выше, чем у эталонного OLED без какого-либо слоя Sm, соответственно.

Эмиссионные характеристики высоковольтного плазменного диодного катода для модификации металлической поверхности

  • 1.

    Канг, Э.Г., Ким, Х.С., Ким, Дж. С. и Ли, С.В., «Разработка источника электронного пучка высокой плотности и характеристик отделки поверхности», Proc. весенней конференции KSPE, стр. 649–650, 2012 г.

    Google ученый

  • 2.

    Гао, Ю. К., «Влияние обработки импульсным электронным пучком на микроструктуру и свойства титанового сплава TA5», Прикладная наука о поверхности, Vol.264, стр. 633–635, 2013.

    Статья Google ученый

  • 3.

    Мацумото И. и Фурукава Т. «Способ и устройство для модификации рабочей поверхности электронным лучом», Sodick Co. , Ltd., PCT / JP2006 / 311883, 2006.

    Google ученый

  • 4.

    Бурдовицын В., Окс Е., Климов А., Гореев А. «Особенности сварки керамических материалов ленточным электронным пучком под давлением форвакуума», Тр.10-й конференции «Модификация материалов пучками частиц и потоками плазмы», стр. 239–242, 2010 г.

    Google ученый

  • 5.

    Бурдовицын В.А., Жирков И.С., Окс Е.М., Осипов И., Федоров М. Источник электронов с плазменным катодом для генерации сфокусированного пучка в диапазоне давлений форвакуумной помпы. Инструменты и экспериментальная техника, Vol. 48, № 6, стр. 761–763, 2005.

    Статья Google ученый

  • 6.

    Гореев А.К., Бурдовицин В.А., Климов А.С., Окс Е.М. Электронно-лучевая сварка керамики с металлом с использованием плазменного источника электронов в предвакуумном режиме // Неорганические материалы: прикладные исследования, Vol. 3, №5, стр. 446–449, 2012.

    Статья Google ученый

  • 7.

    Сари, А. Х., Горанневис, М., Хора, Х. и Осман, Ф., «Вогнутая электронная пушка с холодным катодом с использованием заблокированного разряда», Proc. 31-й конференции EPS по физике плазмы, Vol.28, 2004.

  • 8.

    Fukao, M., Ishida, M., Ohtsuka, Y., and Matsuo, H., «Простая электронная пушка с затрудненным разрядом и ее механизм поддержания разряда», Vacuum, Vol. . 59, № 1, стр. 358–372, 2000.

    Статья Google ученый

  • 9.

    Окс, Э., «Источники электронов с плазменным катодом: физика, технология, приложения», Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2006.

    Google ученый

  • 10.

    Окс, Э., Браун, И., Еременко, В. А., «Новые применения плазменных, ионных и электронных пучков, генерируемых вакуумной дугой», Springer, стр. 173–225, 2002.

    Google ученый

  • 11.

    Либерман М. А. и Лихтенберг А. Дж. «Принципы плазменных разрядов и обработка материалов», John Wiley & Sons, стр. 543–550, 2005 г.

    Google ученый

  • 12.

    Райзер Ю.П., «Физика газового разряда», Springer, стр. 128–143, 1997.

    Google ученый

  • 13.

    Райзер М., «Теория и конструкция пучков заряженных частиц», John Wiley & Sons, стр. 543–550, 2005 г.

    Google ученый

  • 14.

    Окада, А., Уно, Ю., МакГео, Дж., Фудзивара, К., Дои, К., и др., «Обработка поверхности нержавеющих сталей для ортопедических хирургических инструментов с помощью электронов большой площади. Лучевое облучение », CIRP Annals-Manufacturing Technology, Vol.57, № 1, стр. 223–226, 2008.

    Статья Google ученый

  • В чем разница между диодами, анодами и катодами? — Dip Diode LED — Новости

    Полупроводящий диод является основным компонентом огромного количества электрических систем. Эти компоненты имеют два вывода: один для подачи электричества, а другой — для его вывода. Этот процесс работает одним способом; если терминал принимает электричество, он не пропускает электроэнергию обратно.Катод — это часть диода, которая пропускает мощность, а анод — это часть, которая позволяет ей поступать. Комбинация этих двух элементов позволяет диоду функционировать.

    Физическая конструкция диода незначительно меняется в зависимости от цели его использования, но некоторые факторы остаются неизменными. Диод имеет два вывода, катод и анод, которые соединены небольшим количеством полупроводящего материала. Этим материалом обычно является кремний, но можно использовать широкий спектр различных материалов.Вся сборка окружена стеклянным или пластиковым покрытием. Диоды могут быть любого размера, и хотя большинство диодов не очень большие, они могут быть почти микроскопическими.

    Анод принимает электричество. Этот терминал получил свое название от отрицательно заряженных анионов, которые движутся к нему во время обычной электрохимической реакции. Заряд анода зависит от функции устройства. Если устройство использует питание, заряд отрицательный, а если он вырабатывает энергию, его заряд положительный.Этот сдвиг полярности позволяет электричеству правильно течь от терминала.

    Катод по существу противоположен аноду. Катод позволяет мощности вытекать из устройства. Этот терминал получил свое название от положительно заряженных катодов, которые он привлекает во время реакции. Когда устройство использует питание, катод является положительным, а когда он генерирует энергию, — отрицательным.

    Материал в середине диода — полупроводник. Полупроводники — это материалы, которые не проводят электричество, как стандартный проводник, но не препятствуют ему, как изолятор.Эти материалы подходят посередине и обладают очень специфическими свойствами, когда через них проходит электричество. В большинстве серийно выпускаемых диодов используется кремниевый полупроводник, но диоды из германия не редкость.

    С момента своего изобретения в конце 1800-х годов основные диоды практически не изменились.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *