Dioda

Диода

Принцип рада диоде

Диода је вакумска електронска цев која има две електроде: катоду и аноду.Израђује се како са директно тако и са индиректно грејаном катодом

Слика 3

Диода ради на следећи начин: на крајеве загревног влакна(катоде) доводи се напон грејања од извора,струја загрева катоду при пролазу кроз њу.Услед тога катода емитује електроне и око ње се ствара електронски облак.Извор за грејање,проводници за спајање и загревно влакно(катода) образују коло грејања електронске цеви(слика 4 а).Између аноде и катоде је доведен напон Ua,тј.анодни напон.Позитиван(+) пол тог напона је прикључен на аноду,а негативан (-) на катоду.Зато се између аноде и катоде ствара непроменљиво електрично поље,тзв. анодно поље.На слици је анодно поље приказано силницама

Слика 4

Електрони из електронског облака се налазе у простору у коме делују силе електричног поља аноде.Под дејством тих сила се део електрона из облака усмерава ка аноди и ствара електронски проток .Електронски проток цеви затвара коло анодног извора,због чега се у колу јавља електрична струја,тзв. анодна струја.Усвојено је да је смер анодне струје од аноде према катоди,иако се електрони крећу од катоде ка аноди.Коло у коме тече анодна струја назива се анодно коло. Анодно коло диоде обухвата анодни извор,део анода-катода и проводнике за спајање.Ако се анодни извор прикључи негативним(-) полом за аноду,а позитивним (+) полом за катоду,електрично поље је усмерено од катоде према аноди.(слика 4 а).У том случају сила која делује на електроне из електронског облака није усмерена ка аноди,већ ка катоди.При томе се не ствара електронски проток кроз електронску цев,па је анодна струја једнака нули.Анодно коло је прекинуто.То значи да је диода једнострано проводна,тј. Струја кроз цев може да пролази само у једном смеру-од аноде према катоди.Отпорност диоде према струји усмереној од катоде према аноди је бесконачна.Диода је тада слична отвореном прекидачу.

Просторни товар

Ради стварања електричног поља аноде,између аноде и катоде цеви се прикључује разлика потенцијала(позитиван анодни напон).Зато је величина потенцијала у разним тачкама простора анода-катода различита.Расподела потенцијала у простору анода-катода се може приказати дијаграмом као на слици 5.

Слика5

На овом дијаграму су дуж хоринзонталне осе нанета растојања,а дуж вертикалне осе-вредности потенцијала тачака електричног поља.При хладној катоди и одсуству електрона,између аноде и катоде постоји равномерна расподела потенцијала у електричном пољу аноде.Равномерна расподела потенцијала означава константност градијената потенцијала на целом растојању између аноде и катоде.Усвојено је да се потенцијали у цеви рачунају од катоде чији се потенцијал сматра једнаким нулом.То значи да се,приближавањем аноди,потенцијали тачака електричног поља повећава од нуле(на површини катоде) до величине +Ua(на површини каноде), и то управно пропорционално удаљености од катоде.Расподела потенцијала се у овом случају карактерише кривом(која је у овом случају права).При загрејаној катоди у простору катода-анода постоји одређен број електрона који се крећу.Ови електрони,а такође и електрони који се налазе у електронском облаку поред катоде,чине просторни товар.Просторни товар изобличава елекрично поље аноде и мења карактер расподеле потенцијала између катоде и аноде.Услед просторног товара,у свим тачкама између аноде и катоде(сем површине катоде чији се потенцијал сматра једнаким нули и површине аноде чији је потенцијал одређен напоном анодног извора и једнак је Ua) потенцијал је нижи него при хладној катоди(при хладној катоди просторни товар не постоји).Због тога крива 2 која показује расподелу потенцијала при загрејаној катоди треба да пролази испод праве 1.Величина просторног товара при осталим једнаким условима зависи од степена загрејаности катоде:што је виша температура катоде,то она емитује више електрона,тако да се већи број налази у простору катода-анода.Према томе уколико је виша температура катоде,утолико се више изобличава електрично поље аноде и крива расподеле потенцијала.Густина електрона на разним местима просторног товара није једнака.Највећа густина електрона је у електронском облаку,а најмања на аноди,где је брзина кретања електрона највећа.Типичан распоред електрона у просторном товару је приказан на делу слике 5 изнад графика.У тачкама где је густина просторног товара највећа постоји највеће снижење потенцијала.Због тога се у области електронског облака потенцијал снижава толико да постаје негативан,тј. Нижи од потенцијала катоде(крива 2).У близини аноде је густина просторног товара мала,тако да се утицај његовог дела може занемарити.Утицај просторног товара на рад цеви је приказан на слици 6. При постојању просторног товара, у цеви дејствују два електрична поља:анодно поље и поље просторног товара.Линије сила анодног поља почињу на површини аноде и завршавају се на површини катоде(слика 6 а).Линије сила просторног товара почињу на површини катоде,одакле излећу електрони,а завршавају се на просторном товару.Анодно поље је за проток електрона убрзавајуће,а поље просторног товара-кочеће.Близу катоде дејствују оба поља.Стога се може говорити о резултујућем пољу покрај катоде.

Слика 6

Резултујуће поље је једнако разлици поља.Ако је јачина поља просторног товара већа од јачине анодног поља,онда је резултујуће поље око катоде кочеће(слика 6б).Међутим,ако је јачина анодног поља већа од јачине поља просторног товара,онда је резултујуће поље око катоде убрзавајуће(слика 6ц).Јачина поља аноде зависи од величинеод величине анодног напона.При малој величини анодног напона Ua,јачина анодног поља је мала и резултујуће поље око аноде је кочеће.Ово кочеће поље могу да савладају само они електрони који при излетању из катоде имају довољно велику брзину.Само такви електрони стварају проток и стижу до аноде.Већи број електрона које емитује катода не може да савлада ово поље и задржава се у електронском облаку.Зато је при малом анодном напону анодна струја мала,тј.много мања од емисионе струје катоде,док је густина електронског облака велика.При повећавању анодног напона се повећава јачина анодног поља,док се кочеће поље око катоде смањује и већи број електрона може да га савлада.При томе само најспорији електрони не могу да савладају кочеће поље и задржавају се у електронском облаку.Због тога се при повећању анодног напона број електрона у електронском протоку и анодна струја цеви повећавају,а густина електронског облака смањује.Према томе,повећање анодног напона не само да повећава потенцијал аноде,него и смањује густину електронског облака,а поред тога доводи и до равномерније расподеле потенцијала између катоде и аноде(смањује се угнуће криве расподеле потенцијала).При вредности анодног напона Us,поље око катоде престаје да буде кочеће,сви електрони које емитује катода стварају електронски проток и падају на аноду.Анодна струја цеви је при томе једнака емисионој струји катоде.Расподела густине електрона и расподела потенцијала између катоде и аноде је тада равномернија(крива 3 на слици 5).Даље повећање анодног напона повећава убрзавајуће поље око катоде,али не повећава број електрона електричног протока,и зато не долази до повећања анодне струје.При оваквом режиму рада цеви-режиму засићења не постоји просторни товар.У режиму засићења је повећање анодне струје могуће само на рачун емисионе струје.

Карактеристике диоде

Особине електронских цеви се оцењују на основу експериментално добијених карактеристика.Карактеристике цеви показују зависност струје која тече кроз електронску цев од напона на електродама те цеви.На слици 7 је дато коло на основу којег се може испитати зависност струје диоде од напона грејања и од напона на аноди.

Слика7

У колу грејања постоји реостат R и волтметар Vf помоћу којих се одрђује напон грејања.Анодни извор је затворен високоомским потенциометром P, којим се мења величина анодног напона Ua између аноде и катоде цеви.Анодни напон се мери волтметром Va.У анодном колу је редно укључен милиамперметар(mА),којим се мери анодна струја Ia.Карактеристике диоде се уцртавају у правоугли координатни систем.Крива зависности струје Ia од анодног напона Ua при сталном напону грејања зове се анодна карактеристика диоде.Да би се снимила анодна карактеристика,потребно је поставити одређен напон грејања и повећавајући анодни напон потенциометром P од 0 до Ea,пратити промену анодне струје.Вредности анодног напона се наносе на хоризонталну осу, а вредности анодне струје на вертикалну осу.При малим вредностима анодног напона,анодна струја је мала и скоро не зависи од величине напона на аноди.То се објашњава тиме што је мали број електрона који имају велике брзине неопходне за савладавање кочећег дејства просторног товара.Повећавањем анодног напона,јачина електричног поља аноде расте и дејство просторног товара се све више компензира.То значи да све већи број електрона учествује у стварању електронског протока.Зато се за време повећавања напона на аноди повећава анодна струја,док се број електронакоји чине електронски облак поред катоде смањује.Анодна струја расте све док поред катоде постоји електронски облак.Код анодног напона Ua=Us анодна струја престаје да расте и настаје режим засићења.Струја Is која протиче кроз електронску цев назива се струјом засићења.

Слика 8

Струја засићења Is и напон засићења Us зависе од напона грејања.Што је напон грејања мањи,то је нижа температура катоде и слабија је њена емисија,па је мања и струја засићења.Услед мање величине просторног товара,за његову компензацију је потрбан мањи напон на аноди.Зато је напон засићења мањи при мањем напону грејања.На слици 8 изнад су приказане две анодне карактеристике снимљене за различите вредности напона грејања.

Слика 9

Код неких диода,које имају мало растојање између аноде и катоде,анодна карактеристика има облик какав је приказан на слици 9Поседујући знатну почетну брзину,електрони,чак и при малом негативном потенцијалу аноде,савлађују кочеће поље,доспевају на аноду и у анодном колу стварају малу почетну струју,тј. струју успостављања.Да би се та струја отклонила,потребно је да се између аноде и катоде прикључи мали негативан напон,чија величина не прелазиод 1 до 2 V.Код цеви са оксидном катодом није изразит режим засићења,тј.повећање анодног напона је праћено повећањем анодне струје(Шоткијев ефекат) и када не постоји електронски облак.До тога долази из следећих разлога:1. при одсуству електронског облака,убрзавајуће поље поље потпомаже узлетање електрона из катоде,а повећање анодног напона –повећава број електрона који излећу из катоде(хладна емисија)2. слој оксида има знатну отпорност.Текући по оксидном слоју,анодна струја врши његово допунско загревање.Због повећања температуре се повећава емисивност са површине катоде.

Отпорност електронских цеви за једносмерну и наизменичну струју

У анодном колу електронске цеви обично делују два напона-једносмерни и наизменични.(слика 10).Амплитуда наизменичног напона Uma је обично мања од амплитуде једносмерног напона Uao.

Слика 10Напон на аноди електронске цеви је у сваком тренутку једнак алгебарском збиру једносмерног напона и тренутне вредности наизменичног напона.У једној полупериоди се тренутна вредност наизменичног напона аритметички сабира са једносмерним напоном Uao, а у другој се одузима.Због тога је напон на аноди електронске цеви пулсирајући. Када је нпр. Једносмерни напон Uao=50V,амплитуда наизменичног напона Uma=25V,а наизменични напон делује од тренутка t1 (слика 11б),тада до тренутка t1 напон на аноди износи 50V аноди електронске цеви постаје мањи од величине Uao.Најмањи напон на аноди износи 25V.Таквом анодном напону одговара тачка 1 на анодној какрактеристици диоде и анодна струја величне 15mA.Промена анодног напона је праћена променом анодне струје.Зато се анодна струја вредности Iao=40mA од тренутка t1 мења за 25mA у сваку страну,тј. постаје пулзирајућа(слика 11ц).

Слика 11

Пулзирајући анодни напон се састоји из две компоненте: једносмерне Uao=50V и наизменичне са амплитудом Uma=50V.Пулзирајућаанодна струја се такође може представити као збир двеју компонената: једносмерне Iao=40mA и наизменичне са амплитудом Ima=25mA(слике 11 д и е ).Другим речима,у интервалу t1-t2,наизменична струја се по смеру поклапа са једносмерном компонентом анодне струје.Зато је анодна струја електронске цеви једнака њиховом збиру.У интервалу t2-t3 наизменична струја има смер супротан једносмерној компоненти,тако да је анодна струја цеви једнака њиховој разлици.Због једностране проводљивости електронске цеви,наизменична струја може да пролази кроз њу само заједно са једносмерном струјом,тј. наизменична струја у анодном колу може да постоји само као компонента пулзирајуће струје.Наизменичну компоненту анодне струје ствара наизменична компонента анодног напона.У датом примеру,наизменични напон са амплитудом Uma=25V ствара у анодном колу наизменичну струју Ima=25mA.Према томе,отпорност електронске цеви за наизменичну струју износи:

Ri=Uma/Ima=25V/25mA=1kΏ

Отпорност електронске цеви за наизменичну струју представља однос наизменичне компоненте анодног напона према наизменичној компоненти анодне струје.У општем случају,отпорност електронске цеви за једносмерну струју Rio и отпорност електронске цеви за наизменични струју Ri-нису међусобно једнакеОтпорност електронске цеви за једносмерну струју(статичка отпорност цеви)Отпорност цеви за једносмерну струју се може изједначити са обичном отпорношћу.Али , за разлику од обичне отпорности,цев,па према томе и диода,поседује неке специфичности.По Омовом закону је отпорност једнака:

R=U/I

Ако се напон прикључен отпорнику R неколико пута повећа,за толико пута се повећа и струја која протиче кроз отпорник,тако да количник остаје непромењен.Према томе,величина напона и величина струје су управно пропорционалне.То значи да отпорност не зависи од прикљученог напона.Отпорности или кола код којих су величине прикљученог напона и величине струје управно пропорционалне називају се линеарним.Код електронских цеви није управно пропорционална величина напона доведеног између аноде и катоде и величина анодне струје.То значи да величина отпорности цеви за једносмерну струју:

Rio=Ua/Ia

Није једнака при различитим вредностима анодног напона у разним тачкама карактеристике.Ако се на диоду,чија је анодна карактеристика дата на слици 11а,прикључи анодни напон Uao=25V,анодна струја електронске цеви износи Ia1=15mA.То значи да отпорност електронске цеви за једносмерну струју у тачки 1 анодне карактеристике износи:Rio=Ua1/Ia1=25V/15mA=1,66kΏНа исти начин се може одредити отпорност електронске цеви за једносмерну струју у тачкама 2 и 3 карактеристике:

Rio2=Ua2/Ia2=50V/40mA=1,25kΏ

Rio3=Ua3/Ia3=75V/65mA=1,15 kΏ

Ако се,нпр. Анодни напон повећа два пута,повећа се и анодна струја за неки други број пута.То значи да се при промени напона на аноди мења отпорност електронских цеви за једносмерну струју.Према томе,величине анодног напона и анодне струје нису управно пропорционалне.Значи да електронска цев,а тиме и диода,представља нелинеарну отпорност.Променљивост Rio може да се објасни дејством просторног товара.При промени величине анодног напона,мења се положај просторног товара,расподела потенцијала и број електрона који улазе у електронски проток,тј. Број електрона који стварају струју у цеви.Нпр.,ако се при повећању анодног напона цев не налази у режиму засићења,број електрона који улазе у електронски проток се повећава.Повећање броја слободних товара који учествују у стварању струје,еквивалентно је смањењу отпорности.У режиму засићења,повећање анодног напона није праћено повећањем броја товара који се крећу и величине анодне струје.То значи да се у режиму засићења повећава отпорност за једносмерну струју при повећању анодног напона.Нелинеарност анодне карактеристике приказана је на слици 12.

Слика 12

Ако се тачка 1 споји са координатним почетком,добије правоугли троугао,из кога се однос анодног напона U’a према анодној струји I’a која протиче кроз електронску цев одређује као котангенс угла β’:

U’a/ I’a=R’io=ctg β’

У другој тачки карактеристике,угао β и његов котангенс имају другу вредност.На пример,у тачки 2 има:

U’’a/I’’a=R’’ao=ctg β’’

Према томе треба пазити у којој се размери на осама наносе вредности анодног напона и анодне струје.Ако,нпр, сваки милиметара дуж апцисне осе одговара 1V,а дуж ординатне осе 1mA,тада је :

ctgβ=Ua/Ia*10^3

Из тога произилази да је отпорност електронске цеви за једносмерну струју бројчано једнака котангенсу угла створеног правом која тачку на карактеристици са координатним почетком и осом анодних напона.Нелинеарне отпорности се карактеришу променом облика струја у односу на облик прикљученог наизменичног напона.Ако је између аноде и катоде прикљичен наизменични синусни напон,величина струје кроз диоду се мења по другом закону.(слика 13).Та особина нелинеарних отпорности се веома користи у радио техници.

слика 13

Отпорност електронске цеви за наизменичну струју(динамичка отпорност цеви)

Отпорност цеви за наизменичну струју Ri на праволинијском делу карактеристике је стална и представља параметар цеви.Ако се предпостави да се амплитуда наизменичне компоненте анодног напона (испрекидане криве на слици 11) смањи два пута,амплитуда наизменичне компоненте анодне струје се такође смањи два пута.Другим речима,амплитуде наизменичне компоненте анодног напона и амплитуде наизменичне компоненте анодне струје су управно пропорционалне.То значи да је отпорност диоде за наизменичну струју на праволинијском делу карактеристике константна.Отпорност диоде за наизменичну струју се не мења ни у случају ако се промени величина једносмерне компоненте анодног напона Uao,тј. Ако се промени почетни положај радне тачке (на слици 11 почетном положају радне тачке одговара тачка 2).Предпоставља се да радна тачка при премештању под утицајем наизменичног напона не излази из граница праволинијског дела карактеристике.Како наизменична струја кроз електронску цев пролази истовремено са једносмерном струјом,то отпорност цеви за наизменичну струју представља њено супростављање промени струје.Зато је при одређивању Ri са карактеристике уобичајено да се уместо амплитуде наизменичног напона и наизменичне струје узму у обзир и промене анодног напона и анодне струје(слика 14).

слика14

Унутрашња отпорност цеви за наизменичну струју представља однос промене анодног напона према променама анодне струје.

Ri=(U’’a-U’a)/(I’’a-I’a)=ΔUa/ΔIa [Ω]

Унутрашња отпорност показује за колико волти треба повећати анодни напон да анодна струја порасте за 1А.Међутим,анодна струја стварно не може да постане једнака тој вредности,јер је ограничена величином струје засићења која, у већини случајева,износи десетину или стотину милиампера.Унутрашња отпорност за наизменичну струју се мери у омима или у килоомима,а зависи од конструкције електронске цеви.Што је мање растојање итмеђу аноде и катоде и што је већа површина аноде,то је мања унутрашња отпорност.Унутрашња отпорност различитих врста диода је различита и може да има вредност од неколико стотина ома до десетак килоома.

Анодна дисипација (расипање) и конструкција аноде

Када кроз електронску цев протиче анодна струја,у њој се ослобађа снага Pa.Ако је између аноде и катоде прикљичен једносмерни напон Uao и кроз њу пролази једносмерна струја Iao,онда је снага ослобођена у електронској цеви једнака:

Pa=Uao*Iao

Та снага се узима од анодног извора и троши на преношење електрона од катоде према аноди.На рачун напона Uao се између аноде и катоде диоде ствара електрично поље(поље аноде).Електрони који се налазе под утицајем тог поља непрекидно повећавају своју брзину.То значи да залиха кинетичке енергије електрона расте са њиховим приближавањем аноди.Према томе,елктрони добијају енергију од електричног поља аноде.У тренутку кад електрон удари у аноду,његова кинетичка енергија се претвара у топлотну и анода електронске цеви се загрева.Услед тога се сва снага коју је електронска цев одузела од извора напајања ослобађа на њеној аноди у виду топлоте(то важи за случај да нема других отпорности у анодном колу цеви).Снага Pa=Uao*Iao се назива снагом расипања на аноди или анодном дисипацијомУ зависности од величине аноде,њене конструкције и начина хлађења,температура аноде при одређеној вредности снаге Pa може бити различита.На пример,што је већа маса аноде,то се она мање загрева услед кинетичке енергије електрона.Ако је снага велика,температура аноде може да достигне стотину степени,а у неким случајевима се анода може растопити.Прекомерно загревање аноде није дозвољено још и због тога што при високој температури аноде може да дође до термоелектронске емисије са њене површине.Услед тога,електронска цев може пре времена да постане неупотребљива.За сваку електронску цев постоји дозвољена гранична вредност снаге расипања на аноди Pa max.Вредности тих снага су дати у приручницима о електронским цевима.При конструкцији електронских цеви се предузима низ мера за повећање максималне анодне дисипације.Аноде пријемно-појачавачких електронских цеви се обично израђују од никла.Веома често се примењују аноде обојене у црно,јер се тиме повећава њихово топлотно зрачење.Најчешће су обојене аноде код диода са оксидном катодом.Код ових цеви се дозвољена температура загревања аноде не одређује особинама материјала аноде,већ условима нормалног рада катоде.При великој анодној дисипацији се врши допунско загревање катоде.Услед тога оксидна катода може да се прегреје и изгуби емисију.Максимална дозвољена температура аноде таквихцеви износи око 300ºС.Други начин повећања максималне анодне дисипације је повећање радне површине хлађења аноде.Због тога се често анода допуњују уздужним крилцима(слика 15)

Слика 15

У неким случајевима се анода не израђује од метала него од графита.Тако се при малим димензијама анода,може добити велика вредност максималне анодне дисипације без опасности од појаве емисије са њене површине.Често се за електронске цеви великих снага примењује вештачко хлађење анода,па и читавих цеви.

Конструкција и врсте диода

Диоде се примењују за -усмеравање наизменичне струје,-детекцију пријемног сигнала и промену фреквенције,-утврђивање и ограничење напона,-у разним шемамам електронских регулатора.Диоде намењене за усмеравање наизменичног напона имају велику максималну анодну дисипацију и велику емисиону струју катоде.Такве диоде се зову вакумске усмерачице или кенотрони.Вакумске усмерачице се израђују за различите снаге.Усмерачице које су намењене за напајање пријемно-појачавачких кола имају оксидне катоде са директним или индиректним грејањем.Аноде се израђују од црно обојеног метала.Да пад напона на усмерачици не би био велики,њена унутрашња отпорност треба да буде мала.То се постиже великим површинама аноде и катоде и њиховим малим растојањем.Усмерачице могу да буду једноструке и двоструке.Двоструке усмерачице (слика 16) намењене су за рад у двостраним усмерачима.За детекцију сигнала у пријемницима,утврђивање и ограничење напона,а исто тако и у колима аутоматске регулације,примењују се диоде мале снаге.Ове диоде имају мању емисиону струју катоде и мању максималну анодну дисипацију.

слика 16