В первой статье цикла "Электронные лампы, §1. Ренессанс? Размышления и введение" разговор в основном шел о физике процессов в лампе. В общем и целом.
Сегодня тоже не получится обойтись совсем без физики, но большей частью разговор будет идти о практических аспектах работы и применения диодов. Так что начнем с технологии и физики, а закончим практикой применения.
Как и следует из названия, у диода всего два электрода- катод и анод. И если с анодом все более-менее понятно, то катоду стоит уделить дополнительное внимание.
Катоды
Катод является поставщиком электронов необходимых для работы лампы. В предыдущей статье мы уже выяснили, что катод, в большинстве случаев, имеет специальное покрытие. Основным типом катодов к лампах является оксидный. То есть, катод покрыт слоем оксидов щелочно-земельных металлов: бария, кальция, стронция.
Такие катоды работают при температурах порядка 800 градусов, а их срок службы может достигать десятков тысяч часов. При этом для таких катодов критичным является высокий вакуум в лампе. И такие катоды боятся как перегрева, так и недогрева. А анодное напряжение не может быть слишком высоким, так происходит разрушение оксидного слоя под действием ионов, которые неизбежно присутствуют в лампах.
Оксидные катоды имеют большое сопротивление. Поэтому дополнительно нагреваются под действием катодного тока. Поэтому в мощных лампах используют губчатые оксидные катоды. В таких катодах слой оксида наносится на металлическую губку, что снижает сопротивление катода и его перегрев от тока катода.
Катоды могут быть прямого накала, когда сама нить накала покрывается слоем оксида и является катодом. Такой катод показан на иллюстрации слева. И косвенного накала, когда нить накала помещается внутрь катода и изолируется от него. Такой катод показан на двух оставшихся лампах на иллюстрации.
Катод прямого накала
Прямой накал проще в изготовлении и дешевле. Но его механическая прочность ниже. И долговечность ниже. Кроме того, тепловая инерция такого катода ниже, а значит его температура и, как следствие, эмиссионная способность, пульсируют при питании переменным током. А это приводит и к пульсациям анодного тока.
Кроме того, поверхность катода прямого накала не является эквипотенциальной, так как ток накала (довольно значительный) создает на нем градиент потенциала. Это не очень критично для диодов, но для ламп с сетками может оказывать заметное влияние. Кроме того, это приводит и к неравномерному износу катода.
Пониженная механическая прочность катода прямого накала дает и еще один интересный эффект - микрофонный. Так или иначе этот эффект свойственен почти всем лампам, но для ламп с катодом прямого накала этот выражен гораздо сильнее.
Микрофонный эффект это изменение анодного тока при механических воздействиях (вибрации) на лампу. Достаточно слегка постучать пальцем по колбе лампы, как станут заметны колебания тока анода. Такой эффект может даже привести к возникновению самовозбуждения усилителя через акустические колебания, если лампа расположена вблизи мощного динамика. Точно так же, как вызывает самовозбуждение при поднесении микрофона к динамику.
Поэтому катод прямого накала обычно используется только в миниатюрных лампах предназначенных для применения в аппаратуре с батарейным питанием. Такой катод можно сделать компактным, а малые размеры снижают влияние механических вибраций. При этом питание накала осуществляется постоянным током. Кроме того, такие катоды позволяют несколько повысить экономичность лампы.
Катод косвенного накала
В качестве изолятора обычно выступает керамическая трубка. Поскольку нить накала здесь расположена компактно внутри изолятора, механическая прочность такого катода существенно выше. А микрофонный эффект выражен гораздо слабее.
Возросшая тепловая инерция почти полностью исключает пульсации температуры катода при питании накала переменным током. А поскольку по катоду теперь не протекает ток накала, только ток катода, его поверхность имеет гораздо меньший градиент потенциалов.
При этом катод косвенного накала дороже. Он менее экономичен и более трудоемок в изготовлении. А напряжение накала обычно заметно выше, чем для для катодов прямого накала.
Устройство лампового диода
Тут все просто
Для показанного на первой иллюстрации двуханодного диода обычно в одной колбе размещают два отдельных диода, катоды которых соединены вместе (но могут иметь и отдельные выводы), аноды имеют отдельные выводы, нити накала соединены последовательно.
Аноды мощных диодов могут иметь дополнительные ребра, которые выполняют роль теплоотводов. Но поскольку отвод тепла от анода возможен только через излучение, наружные поверхности анода имеют темный цвет (это не краска) и матовые.
Физика диода
Физике мы уделили достаточно внимания в предыдущей статье. Поэтому сегодня лишь кратко коснемся тонкостей физических процессов в диоде.
Будем считать потенциал катода равным нулю. Анодное напряжение создает между катодом и анодом электрическое поле, которое при отсутствии эмиссии электронов будет однородным.
Однако, при работе катод испускает электроны, которые создают в пространстве между катодом и анодом отрицательный объемный заряд. Плотность этого заряда будет не равномерной и максимальной вблизи катода. А поле становится неоднородным.
Плотность анодного тока в любом сечении электронного потока постоянна. А вот скорость электронов различна. У катода скорость минимальна, ведь электрон еще не успел разогнаться полем анода. А у анода скорость максимальна. По этой причине и плотность объемного заряда выше к катода, где скорость электронов меньше.
При недостаточном анодном напряжении возникающая неоднородность поля может привести к тому, что некоторые вылетевшие из катода электроны вернутся обратно на катод. То есть, ток анода будет меньше тока эмиссии катода.
Обратите внимание, что ток эмиссии это не ток катода! Ток эмиссии это произведение числа вылетевших из катода электронов и заряда электрона
Ie=N*e
Здесь Ie это ток эмиссии, N число вылетевших из катода электронов, е - заряд электрона.
А ток катода это произведение числа безвозвратно покинувших катод электронов и заряда электрона.
Ik=n*e
Здесь Ik это ток катода, n - число безвозвратно покинувших катод электронов.
В общем случае, число безвозвратно покинувших катод электронов меньше числа вылетевших из катода электронов, так как часть электронов опять возвращаются на катод. А значит
Ik < Ie
И это важный момент. При этом в диоде токи катода и анода равны
Ik = Ia
А вот это уже момент принципиальный.
С ростом анодного напряжения все большее число электронов достигает анода. А значит, и анодный ток растет. Однако, как я говорил в предыдущей статье, эмиссионная способность катода не безгранична. И рано или поздно наступает момент, когда практически все электроны достигают анода. При этом ток анода практически прекращает расти с ростом анодного напряжения.
Такое состояние называется режимом насыщения. Анодное напряжение, при котором рост анодного тока существенно замедляется, называется напряжением насыщения - Us. А соответствующий этому напряжению ток анода называется током насыщения - Is.
Ток анода зависит от напряжения на аноде нелинейно. Эту зависимость иногда называют законом трех вторых.
Разумеется, такой характер зависимости совершенно не применим к режиму насыщения. Коэффициент g зависит от размеров и формы электродов, технологии изготовления лампы.
В реальности, зависимость тока анода от анодного напряжения заметно отличается от полукубической параболы. Но для инженерного анализа работы лампы такая теоретическая зависимость довольно удобна.
Параметры лампового диода
Параметры режима эксплуатации диода вполне очевидны. В первую очередь, это напряжение накала и ток накала. Для анодного напряжения и анодного тока обычно указываются их максимально допустимые значения. Кроме того, дополнительным ограничением может выступать рассеиваемая на аноде мощность. Поэтому одновременное достижение максимального анодного напряжения и тока может быть невозможным.
Кроме того, часто указывается емкость диода (емкость между анодом и катодом), для высокочастотных диодов.
Крутизна
Крутизна лампового диода равняется отношению приращения анодного тока в вызвавшему его приращению анодного напряжения. Вполне очевидно, что крутизна будет разной для разных точек анодной характеристики. Поэтому необходимо указывать условия, для которых крутизна измеряется. Фактически, крутизна определяется углом наклона касательной проведенной в заданной точке Р.
При этом очевидно, что при малых токах анода и малых анодных напряжениях крутизна будет меньше.
Внутреннее дифференциальное сопротивление
Дифференциальное сопротивление диода обратно крутизне. То есть, это отношение приращения анодного напряжения и вызванного этим приращения анодного тока.
Следует понимать, что дифференциальное сопротивление это не сопротивление постоянному току. Более подробно о дифференциальном сопротивлении я рассказывал в статье "Дифференциальное сопротивление. Почти без формул, но с картинками".
Особенности применения диода
Рабочая точка (анодное напряжение и соответствующий ему ток анода) графоаналитически определяется так же, как и для полупроводникового диода. И тут вряд ли нужны какие то дополнительные пояснения. Но вот падение напряжения на ламповом диоде игнорировать уже нельзя. Так как оно составляет на доли вольт-вольты, а десятки и сотни вольт.
На высокой частоте емкость диода ограничивает возможности ламповых диодов весьма значительно. Не смотря на то, что эта емкость мала. Зато внутреннее сопротивление лампы велико. И с ростом частоты емкость анод-катод начинает оказывать существенное шунтирующее влияние на работу лампового диода.
Причем это влияние начнет сказывать уже на частотах гораздо меньших тех, когда требуется учитывать инерционность электрона. Для повышения высокочастотных свойств ламповых диодов нужно уменьшить емкость, но не допустить большого увеличения внутреннего сопротивления. Поэтому размеры электродов уменьшают. Одновременно уменьшая и расстояние между ними.
А это автоматически приводит к снижению допустимого анодного напряжения и допустимого анодного тока. Поэтому высокочастотные диоды являются маломощными.
Диоды предназначенные не для детектирования и работы на высоких частотах, а для выпрямления переменного напряжения, часто называют кенотронами. Для кенотронов емкость не имеет решающего значения, так как они работают на довольно низких частотах, зато выделяющаяся на аноде мощность требует увеличения площади излучающей тепло поверхности. Поэтому размеры анода кенотронов довольно большие. И аноды снабжаются дополнительными ребрами для улучшения теплоотдачи через излучение.
Мощность потерь на аноде лампового диода равна произведению анодного напряжения на ток анода. И для кенотронов эта мощность значительна. А короткое замыкание в нагрузке может оказаться разрушительным. Особенно для мощных кенотронов.
Поэтому ламповые диоды, впрочем, как и полупроводниковые, надо выбирать с учетом их области применения. Так диод 6Х2П (весьма распространенный ранее) хорошо подойдет для детекторов и высокочастотных схем, но вот в выпрямителя его использовать не стоит. Максимальная рассеиваемая на аноде мощность для него всего 0.5 Вт. Да и внутреннее сопротивление у него не самое маленькое.
А вот демпферный диод 6Ц10П (использовался в блоках строчной развертки) вряд ли подойдет на высокочастотных схем, зато он может рассеивать гораздо большую мощность а аноде и способен работать при больших импульсах анодного тока.
Кенотрон 6Ц4П предназначен для работы в выпрямителях переменного напряжений. И он равно плохо подойдет и для работы на высокой частоте, и для работы в качестве демпферного диода.
Примеры практического применения ламповых диодов
Поскольку диод это очень простая лампа, каких либо хитростей в его применении нет.
Амплитудный детектор
Двухтактный выпрямитель
Демпфер блокинг-генератора выходного каскада строчной развертки
Обратите внимание, здесь же видно и высоковольтный кенотрон 1Ц11П. Причем это ламповый диод с катодом прямого накала. Ток через высоковольтный кенотрон протекает малый, а частота напряжения накала высокая (частота строчной развертки). Кроме того, высокое анодное напряжение (порядка 10 кВ, если правильно помню) позволяет не учитывать влияние градиента потенциала катода.
Заключение
Вот и все, на сегодня. Диод действительно простая лампа. И схемы с его использованием практически такие же, как с полупроводниковыми диодами. При этом игнорировать падение напряжения на лампе уже нельзя. А еще, у лампового диода отсутствует обратный ток. И в этом его преимущество перед полупроводниками.
В остальном же ламповый диод вчистую проигрывает полупроводникам. Не удивительно, что именно ламповые диоды первыми пали в борьбе с диодами полупроводниковыми. Хотя довольно долго держались в демпферах строчных разверток телевизоров и высоковольтных выпрямителях.
В следующий раз познакомимся с триодами. Это уже более интересная лампа. Да и аудиофилам она нравится.