معرفی دیود خلاء و ساختار آن - بخش اول

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: در سال ۱۹۰۴، سر جان امبروز فلمینگ اولین لوله خلاء به نام دیود خلاء را اختراع کرد. به آن شیر فلمینگ یا لوله ترمیونی نیز می‌گویند. دیود خلاء یک دستگاه الکترونیکی است که جریان الکتریکی را در یک جهت (کاتد به آند) می‌دهد و جریان الکتریکی را در جهت دیگر (آند به کاتد) مسدود می‌کند.

دو الکترود یک دیود خلاء

دیود خلاء ساده‌ترین شکل لوله خلاء است. از دو الکترود، یک کاتد و یک آند یا صفحه تشکیل شده است. کاتد الکترون‌های آزاد را ساطع می‌کند. از این رو به آن امیتر می‌گویند. آند الکترون‌های آزاد را جمع آوری می‌کند. از این رو به آن کلکسیونر می‌گویند.

کاتد و آند در یک پاکت شیشه‌ای خالی محصور شده اند. آند یک استوانه توخالی است که از مولیبدن یا نیکل ساخته شده است و کاتد یک استوانه نیکل است که با استرانسیوم و اکسید باریم پوشانده شده است. آند کاتد را احاطه کرده است. بین کاتد و آند فضایی وجود دارد که الکترون‌های آزاد یا جریان الکتریکی از آن عبور می‌کنند.

الکترود چیست؟

الکترود رسانایی است که از طریق آن الکترون‌های آزاد یا جریان الکتریکی خارج شده یا وارد می‌شود. در دیود خلاء، کاتد یک الکترود یا رسانایی است که از آن الکترون‌های آزاد به داخل خلاء گسیل می‌شوند. از سوی دیگر، آند الکترودی است که الکترون‌های آزاد ساطع شده از کاتد را جمع آوری می‌کند. به عبارت دیگر، الکترون‌های آزاد از کاتد خارج شده و وارد آند می‌شوند.

انتشار الکترون به مقدار گرمای اعمال شده و عملکرد کار بستگی دارد

تعداد الکترون‌های آزاد ساطع شده از کاتد به دو عامل بستگی دارد: مقدار گرمای اعمال شده و عملکرد کار.

اگر مقدار بیشتری گرما اعمال شود، الکترون‌های آزاد بیشتری ساطع می‌شود. به همین ترتیب، اگر مقدار کمتری گرما اعمال شود، تعداد الکترون‌های آزاد کمتری ساطع می‌شود.

حداقل مقدار انرژی مورد نیاز برای حذف الکترون‌های آزاد از فلز را تابع کار می‌نامند. فلزات با عملکرد کم به انرژی گرمایی کمتری برای انتشار الکترون‌های آزاد نیاز دارند. از سوی دیگر، فلزات با عملکرد کار بالا به مقدار زیادی انرژی برای انتشار الکترون‌های آزاد نیاز دارند.

از این رو، انتخاب یک ماده خوب باعث افزایش راندمان انتشار الکترون می‌شود. متداول‌ترین تابش‌های ترمیونیک شامل کاتد پوشش‌داده‌شده با اکسید، تنگستن و تنگستن توریدار است.

کاتد به طور مستقیم و غیر مستقیم گرم می‌شود

هنگامی که کاتد به طور غیر مستقیم یا مستقیم گرم می‌شود، الکترون‌های آزاد از آن ساطع می‌شود.

در کاتد که مستقیماً گرم می‌شود، انرژی گرمایی مستقیماً به کاتد می‌رسد. بنابراین، مقدار کمی انرژی گرمایی برای انتشار الکترون‌های آزاد از کاتد کافی است. هنگامی که انرژی گرمایی مستقیماً به کاتد می‌رسد، تعداد زیادی الکترون آزاد انرژی کافی به دست می‌آورند و پیوند با کاتد را می‌شکنند. الکترون‌های آزاد که پیوند با کاتد را می‌شکنند به خلاء گسیل می‌شوند. این الکترون‌های آزاد ساطع شده به سمت آند جذب می‌شوند.

در کاتد که به طور غیر مستقیم گرم می‌شود، هیچ اتصال الکتریکی بین کاتد و بخاری وجود ندارد. بنابراین، کاتد مستقیماً گرم نمی‌شود. انرژی گرمایی به بخاری می‌رسد و هیتر انرژی گرمایی خود را به کاتد منتقل می‌کند. هنگامی که انرژی گرمایی اعمال شده به کاتد به سطح مورد نظر افزایش یابد، الکترون‌های آزاد در کاتد انرژی کافی به دست می‌آورند و پیوند با کاتد را می‌شکنند. الکترون‌های آزاد که پیوند با کاتد را می‌شکنند به خلاء گسیل می‌شوند. این الکترون‌های آزاد ساطع شده به سمت آند جذب می‌شوند.

 ویژگی‌های V-I دیود خلاء

مشخصات V-I یک دیود خلاء در زیر نشان داده شده است.

اندازه بار فضا به گسیل الکترون‌ها از کاتد در طول تشکیل بار فضا بستگی دارد. گسیل الکترون‌ها بیشتر به دمایی که کاتد در آن گرم می‌شود بستگی دارد. از این رو اگر دما افزایش یابد مقدار بار فضایی نیز افزایش می‌یابد؛ بنابراین ولتاژ آند مورد نیاز برای خنثی کردن بار فضایی نیز بیشتر خواهد بود؛ بنابراین همان دیود خلاء نمودار‌های مشخصه V-I متفاوتی در دما‌های کاتد متفاوت خواهد داشت. در شکل بالا تنها سه مورد از آن‌ها را نشان داده ایم. یک نمودار برای T^oC، یکی برای دمای بیشتر از T^oC و یکی برای دمای کمتر از T^oC. هنگامی که ولتاژ آند به تدریج از صفر افزایش می‌یابد، جریان از آند به کاتد به نسبت افزایش می‌یابد. از آنجایی که بار فضایی انتشار از کاتد را محدود می‌کند، جریان به طور متناسب با کاهش قدرت بار فضایی افزایش می‌یابد.

همانطور که در شکل نشان داده شده است، این ناحیه از مشخصه‌ها منطقه محدود کننده بار فضایی نامیده می‌شود. پس از ناپدید شدن بار فضایی، انتشار الکترون ثابت می‌شود و صرفاً به دمای کاتد بستگی دارد. در اینجا جریان در دیود خلاء اشباع می‌شود. وقتی هیچ ولتاژی به یک آند اعمال نمی‌شود، نباید جریانی در مدار وجود داشته باشد، اما حالت واقعی اینطور نیست. به دلیل نوسانات آماری در سرعت، برخی از الکترون‌ها به اندازه کافی پرانرژی هستند تا به آند برسند، حتی اگر ولتاژی در آند وجود نداشته باشد. جریان کوچک ناشی از این پدیده به جریان پاشش معروف است.