B. Характеристика и параметры диода

ТЕМА 5. Электронные устройства и приборы

Двухэлектродная лампа

A. Устройство

Двухэлектродная лампа (диод) состоит из двух электродов — катода прямого или косвенного накала и анода. Анод двухэлектродной лампы имеет чаще всего цилиндрическую форму и изготавлива­ется из специально обработанных никеля, стали или вольфрама. Катод или анод помещаются в стальной или стеклянный баллон, из которого выкачивается воздух. Так как при откачке воздуха из баллона трудно получить достаточный вакуум, то внутрь лампы по­мещается специальное вещество, которое при нагреве распыляется, поглощает остатки воздуха в баллоне и оседает на стенках баллона в виде темного или серебристого налета.

Для подключения лампы служат контактные штырьки, которые соединены с электродами.

При протекании тока накала по нити или подогревателю катода температура его увеличивается до определенного значения и вокруг катода создается электронное облако. Если анодная батарея вклю­чена так, как показано на рисунке, то под действием сил электри­ческого поля электроны устремятся к аноду и в анодной цепи потечет ток от анода к катоду, так как направление тока принимается обратным направлению перемещения электронов.

Если же анодную батарею подключить плюсом на катод, а ми­нусом к аноду, то в анодной цепи тока не будет, так как электри­ческое поле будет действовать на электроны с силой, направленной от анода к катоду. Таким образом, двухэлектродная лампа обладает односторонней проводимостью, т. е. проводит ток только в одном направлении — от анода к катоду. Поэтому диод часто называют вентилем, а его способное проводить ток только в одном направле­нии получила название вентильного свойства.

Как мы далее увидим, ламповые диоды широко применяются для выпрямления переменного тока. Диод, предназначенный для этой цели, называется кенотроном.

Наша промышленность выпускает кенотроны различных конс­трукций и размеров для выпрямления переменного тока напряже­нием как до 1000 В, так и свыше 1000 В.

Полезно помнить, что каждый тип электронной лампы имеет маркировку, позволяющую судить о конструкции и назначении лампы. Марка электровакуумных ламп состоит из трех или четырех эле­ментов.

Рис. 1. Условное обозначение и включение диодов:

а — прямого накала; б — косвенного накала; в — внешний вид диода;

1 — анод; 2 — катод;   3 — подогреватель.

 

Первый элемент лампы — цифровой — указывает (округленно) величину напряжения накала. Например, цифра 6 означает, что номинальное напряжение нити накала катода составляет 6,3 В. Второй элемент обозначения — буквенный. Он указывает тип и назначение лампы. Так, буква Д означает диод, Ц — кенотрон, а буква X — двойной диод (лампа, в баллоне которой смонтированы два диода). Третий элемент — это число, показывающее номер типа прибора, или, как часто говорят, номер заводской разработки. Чет­вертый, буквенный элемент, характеризует тип и конструкцию бал­лона лампы. Буква С обозначает стеклянный баллон, П — лампы пальчиковой серии (миниатюрные лампы со стеклянным баллоном диаметром от 19 до 22,5 мм). Если четвертый элемент в марке лам­пы отсутствует, то она имеет металлический баллон.

Например, марка 5Ц4С расшифровывается следующим образом: кенотрон в стеклянном баллоне с напряжением накала 5 В, тип 4; 6Ц10П: пальчиковый кенотрон с напряжением накала 6,3 В, тип 10.

b. Характеристика и параметры диода

Вольт-амперная характеристика диода представляет собой за­висимость анодного тока 1 _а от величины анодного напряжения U _а. Для снятия характеристики двухэлектродной лампы собирается схема, приведенная на рис. 2, а. Напряжение накала диода регули­руется переменным резистором r1, а анодное напряжение — потен­циометром r2. Для измерения анодного напряжения и тока служат вольтметр и миллиамперметр.

Рис. 2. Снятие вольт-амперной характеристики диода:

а — схема; б — характеристика.

Переменным резистором устанавливается напряжение накала определенной величины, например 2В, а подвижной контакт по­тенциометра r2   ставится в нижнее по схеме положение. В этом случае возле катода образуется электронное облако, но ток в анодной цепи практически равен нулю, так как между анодом и катодом нет разности потенциалов. На характеристике (рис. 2, б) это состоя­ние схемы характеризуется точкой О в начале координат. При пере­мещении движка потенциометра r 2 будет увеличиваться разность потенциалов между анодом и катодом, и под действием электричес­кого поля электроны, вылетевшие с катода, будут притягиваться анодом. Миллиамперметр покажет наличие тока в анодной цепи. При малых анодных напряжениях не все вылетевшие с катода элек­троны достигают анода, так как возле катода существует отрицатель­ный пространственный заряд, который ослабляет притягивающее действие анода. Поэтому характеристика при малых анодных напря­жениях имеет пологий участок ОА. С дальнейшим увеличением анод­ного напряжения действие пространственного заряда преодолевает­ся электрическим полем между анодом и катодом и количество элек­тронов, достигающих анода, увеличивается. При некотором значении анодного напряжения все электроны, вылетевшие с катода, попадут на анод. На характеристике этот процесс соответствует участку АБ. Вдальнейшем рост анодного напряжения не приводит к значи­тельному увеличению анодного тока, так как катод при данной температуре испускает только определенное количество электронов. Поэтому участок характеристики БВ почти горизонтален и ха­рактеризует ток насыщения диода.

Кроме анодного напряжения, на силу анодного тока влияет также величина напряжения накала: при большем напряжении по катоду течет больший ток, вследствие чего усиливается эмиссия ка­тода и анодный ток возрастает. На рис. 2, б изображены характе­ристики диода при напряжении накала 2, 4 и 6 В.

Параметры — это численные величины, которые характеризуют свойства электронной лампы. Основными параметрами диода явля­ются крутизна характеристики, внутреннее сопротивление, мощ­ность, выделяемая на аноде, и наибольшее обратное напряжение.

1. Крутизна характеристики показывает, на сколько милли­ампер изменится анодный ток при изменении анодного напряжения на 1 В. Крутизна характеристики S лампы определяется как отноше­ние изменения анодного тока к изменению анодного напряже­ния U_а:

.

2. Внутреннее сопротивление r_i определяется по закону Ома и является величиной, обратной крутизне:

 или .

Внутреннее сопротивление измеряется в омах.

3. Мощность, выделяемая на аноде. При работе лампы анод на­гревается и теплота рассеивается в окружающем пространстве. Если лампа перегружена, то анод получает большее количество теплоты, чем отдает в окружающее пространство, что может при­вести к выходу лампы из строя. Поэтому на аноде не должно выде­ляться тепловой энергии больше, чем допускает данная конструкция. Мощность Р_а, выделяемая на аноде, подсчитывается по формуле

Р_а = U _a I _a Вт,

где U_a — величина анодного напряжения, В; I _a — сила анодного тока, А.

4. Наибольшее обратное напряжение. Этот параметр имеет осо­бенно большое значение для кенотронов. При работе кенотрона анод может нагреваться до высокой температуры и служить источ­ником вторичной эмиссии. А при работе выпрямителя полярность тока на аноде непрерывно изменяется и в момент, когда на аноде окажется минус, а на катоде плюс, может произойти пробой лампы, т. е. от катода к аноду потечет ток, что приведет к разрушению оксидного слоя катода. Поэтому для предотвращения пробоя анод­ное напряжение не должно превышать определенного значения, которое называется обратным напряжением и обозначается U_обр.

Характеристики и параметры электронных ламп берутся из соот­ветствующих справочников, но могут быть установлены и экспе­риментальным путем.