Физические процессы в вакуумном диоде

Рассмотрим плоский диод, анодное напряжение которого создает между анодом и катодом электрическое поле. Если нет электронной эмиссии катода, то поле будет однородным. При нормальной работе катод испускает большое число электронов, которое в пространстве «анод–катод» создают отрицательный объемный заряд, препятствующий движению электронов к аноду. Наиболее плотный объемный заряд находится в близи катода.

Вследствие образования объемного заряда электрическое поле между анодом и катодом является неоднородным. В зависимости от характера этого поля возможны два режима работы диода.

Основным режимом работы диода является режим объемного заряда или точнее режим ограничения анодного тока объемным зарядом. В этом режиме при низких анодных напряжениях катод окружен плотным облаком объемного заряда. В этом случае напряженность поля вблизи катода должна быть равна нулю. Действительно, если считать, что электроны, покидающие катод, имеют практически нулевую скорость, то, если напряженность поля вблизи катода направлена к аноду, ни один из электронов не покинет катода, и ток окажется равным нулю. Если же напряженность поля направлена к катоду, то все электроны, которые эмитировал катод, будут его покидать, и ток будет постоянным, независящим от напряжения, что противоречит наблюдаемым фактам.

Остается одна возможность: нулевая напряженность поля на катоде. В этих условиях изменение потенциала внутри лампы и ток определяются объемным зарядом.

При увеличении анодного напряжения поле на всем протяжении от катода до анода является ускоряющим, тогда любой электрон, вылетающий из катода, ускоренно движется на анод. Ни один электрон не возвращается в этом случае на катод, и анодный ток будет наибольшим, равным току эмиссии. Объемный заряд исчезает, и ток ограничивается лишь скоростью эмиссии электронов с катода. Этот режим называется режимом насыщения.

Основной характеристикой диода является вольт-амперная характеристика (ВАХ), выражающая зависимость анодного тока от анодного напряжения при постоянном напряжении накала (рис. 3.2).

Ход характеристики можно объяснить так. При отсутствии анодного напряжения анодный ток лампы равен нулю, хотя вокруг катода и существует электронное облако. С увеличением анодного напряжения анодный ток увеличивается и электронное облако рассасывается. Точка а харак­теристики соответствует такому режиму работы, когда анодный ток оказывается равным эмиссионному току, т.е. электронное облако полностью рассосалось. Для диодов с простыми катодами этот ток называется током насыщения. Ему соответствует анодное напряжение .

Для изменения тока насыщения необходимо менять температуру катода.

Параметры диодов. Внутреннее сопротив­ление , т.е. отношение приращения анодного напряжения к приращению анодного тока на рабочем участке характеристики (участок О а). Для выпрямительных ламп (кенотронов) его значения порядка нескольких сотен ом.

Допустимая мощность рассеяния на аноде выделяется при бомбардировке его электронами и при разогревании анода до некоторой допустимой температуры. Превышение может привести к расплавлению анода. Для современных анодов колеблется в пределах от долей ватт до десятков ватт.

Максимальный анодный ток ограничен током эмиссии катода, а также перегревом катода и анода. Значения обычно лежат в пределах от 0, 01 до 1 ампера.

Максимальное обратное напряжение – это такое максимальное анодное напряжение обратной полярности, при котором еще не наступает пробой промежутка между анодом и катодом. Оно зависит от электрической прочности диода и лежит в пределах от десятков вольт до десятков киловольт.