Vakuumröhrendiode:Was es ist und wie es funktioniert

Metallhüllen-Vakuumröhrendioden

In letzter Zeit haben wir viele technologische Fortschritte im Bereich der elektrischen Geräte gesehen. Heutzutage können wir eine Reihe von Transistoren finden, die Logikgatter erzeugen und Berechnungen ermöglichen.

Aber Computer gab es schon vor der Erfindung von Transistoren und Gleichstrom. Obwohl diese früheste Form eines Computers so massiv war, nahm er ganze Räume ein und wog im 20. Jahrhundert Tausende von Pfund.

Die Vakuumröhrendiode spielte in diesen gigantischen Computern die Rolle der Transistoren. Obwohl Transistoren die Welt moderner elektronischer Geräte beherrschen, hat die Vakuumdiode immer noch ihre Verwendung.

In diesem Artikel zeigen wir also alles über eine Vakuumröhrendiode, wie sie funktioniert, ihre Arten und Anwendungen für Ihre Leiterplatte und ihre Eigenschaften.

Fangen wir an!

Vakuumröhre

Was ist eine Vakuumröhrendiode?

Vor der Ära der Transistoren Sir John schuf Ambrose Fleming 1904 das, was wir als Vakuumröhre kennen. Sir Lee De Forest (aus dem 17. Jahrhundert) ist ein weiterer Name, mit dem man rechnen muss, insbesondere in Bezug auf Radios und Filamente im Zusammenhang mit Vakuumröhrendioden.

Die Vakuumröhre ist eine Vorrichtung, die den Fluss einzelner Elektronen von einem elektrischen Strom in einer Richtung (Anode zu Kathode) blockiert, während sie den Fluss von elektrischem Strom in einer anderen Richtung (Kathode zu Anode) zulässt.

Nun ist die Vakuumdiode die einfachste Form der Vakuumröhre, die freie Elektronen erzeugt und steuert. Zusätzlich hat die Vakuumdiode zwei Elektroden, die wir als Kathode und Anode kennen. Die Anode arbeitet als Elektronensammler, während die Kathode als Elektronenemitter dient. Es funktioniert auch als 1,4-Volt-Filament mit einem Einwegventil, das sowohl beheizte als auch schlanke Filamente unterstützt.

Außerdem kann die Kathode während ihrer elektrostatischen Feldentladung eine positive Elektrode oder eine negative Elektrode sein. Mit anderen Worten, es hat hervorragende Feldemissionseigenschaften.

Anoden sind metallische Hohlzylinder aus Nickel oder Eisen. In Hochleistungssituationen finden Sie jedoch Anoden mit Molybdän, Graphit oder Tantal, da Hochleistungsereignisse Nickel- oder Eisenanoden beschädigen können. Außerdem sind Anoden größer als Kathoden, um Wärme ohne einen starken Temperaturanstieg abzuleiten. Sie können also eine Anode nicht als eine mit schwachem Strom betrachten.

Andererseits bestehen Kathoden aus einem einfachen Wolframfilament oder thoriertem Wolfram. Kathoden mit Feldlinien können auch mit Bariumoxid oder Strontiumoxid beschichtete Nickelrohre sein. Außerdem weisen oxidbeschichtete Kathoden eine bessere Emissionseffizienz auf.

Wie Vakuumröhrendioden funktionieren

Wenn man sich ansieht, wie eine Vakuumdiode funktioniert, ist es wichtig zu wissen, wie effektiv Elektronen von einer Oberfläche entkommen.

Die Anzahl der Elektronenströme, die ein erhitztes Material pro Flächeneinheit emittieren kann, bezieht sich auf ein konstantes „b“ und eine absolute Temperatur. Die Konstante „b“ gibt an, was ein Primärelektron tut, um die Oberfläche zu verlassen.

Daher können wir daraus eine Gleichung für den Strom ableiten, der die äußere Oberfläche verlässt, wie folgt:

I =AT²ε (–b/T)

Die Gleichung für den Strom, der die äußere Oberfläche verlässt

Wo: 

I – Strom gemessen in Ampere

A – Konstante für die Art des emittierenden Materials

T – die Temperatur in Grad absolut

b – Arbeit, die das Elektron benötigt, um die äußere Oberfläche zu verlassen

Auch die Erfindungen von Walter H. Schottky und Thomas Edison stützen die obige Gleichung.

Hochvakuumröhrendioden

Zum größten Teil funktionieren Vakuum-Thermionröhrendioden wie moderne Röhren. Aber mit einer größeren Größe. Außerdem verfügt es über einen Vakuumbehälter mit einer Anode und einer Kathode, die über eine Spannungsquelle verbunden sind.

Anoden- und Kathodenspannung

Die Anode (Pluspol) befasst sich mit positiver Spannung. Es funktioniert also nach dem Prinzip der thermionischen Emission. Zusätzlich erwärmt das Filament die Kathode (Minuspol) und ermöglicht die Emission von Elektronen. Diese emittierten Elektronen werden dann von der Anode angezogen. Wenn jedoch die positive Spannung, die die Anode erhält, nicht ausreicht, zieht sie die Elektronen nicht von der Kathode an.

Elektrisches Filament

Aus diesem Grund sammelt sich im Raum zwischen Anode und Kathode eine unsichtbare Elektronenwolke, die eine Raumladung erzeugt. Die Raumladung stößt andere Elektronen ab, die die Kathode verlassen. Daher wird die Elektronenemission und der Stromfluss durch die Schaltung gestoppt.

Wenn jedoch die zwischen Anode und Kathode angelegte Versorgungsspannung hoch genug ist, wird der Raumladungseffekt langsam neutralisiert. Auf diese Weise ist der Elektronenfluss zur Anode frei. Daher können sich Elektronen innerhalb der Glashülle der Vakuumhülle durch das Vakuum bewegen. Aus diesem Grund blockiert nichts die Emission von Elektronen und ermöglicht so den freien Stromfluss von der Anode zur Kathode.

Außerdem steigt mit zunehmender angelegter Spannung an der Anode auch der Strom. Schließlich verschwindet die Raumladung vollständig und die Anode erreicht die maximale Emission von der Kathode.

Hinweis:

Die einzige Möglichkeit, die Elektronenemission der Kathode zu erhöhen, besteht darin, die Temperatur der Kathode zu erhöhen. Es erhöht auch die Energie der Elektronen, wodurch mehr Elektronen die Kathode verlassen können.

Obwohl alle Bereiche der Vakuumdiode eine Raumladung aufweisen, ist sie im Kathodenbereich ziemlich wichtig. Wieso den? Weil es kritische Elemente bestimmt – einschließlich der maximalen Emission.

Wenn die Anode dagegen mit negativer Spannung zu tun hat, gibt es keinen Elektronenfluss – weil sie nicht heiß ist. Außerdem bewegen sich die Elektronen, die die erhitzte Kathodenstrahlröhre verlassen, nicht zur Anode. Dieser Vorgang akkumuliert eine starke Raumladung zwischen Anode und Kathodenstrahlröhre. Durch die starke Abstoßung der Raumladung wandern alle Elektronen zurück zur Kathode. Daher fließt kein Strom durch die Schaltung.

Eigenschaften von Vakuumdioden

Hier sind einige der Eigenschaften von Vakuumröhrendioden.

Diode als Gleichrichter

Wenn Sie einen Wechselstrom an Ihre Anode anlegen, bleibt ihre Polarität während einer positiven Halbwelle positiv. Somit können Elektronen zur Anode fließen. Darüber hinaus bleibt die Platte während einer negativen Halbwelle negativ, wodurch der Anodenstrom beendet wird.

Es zeigt also, dass Vakuumröhrendioden den Anodenstrom nur in eine Richtung fließen lassen und einen gleichgerichteten Ausgangsstrom erzeugen. Und das funktioniert besser mit einer thermionischen Diode oder Halbleiterdiode mit Heizspannung oder Sperrspannungen.

Diodengleichrichter

Zwei Arten von Kathoden

Die Vakuumröhrendiode kann zwei Arten von Kathoden verwenden:

Direkt beheizte Kathode

Die Kathode dient hier auch als Wendel. Man kann es also als Filamentkathode bezeichnen.

Indirekte Heizkathode

Hier hat die Kathode eine dünne Metallhülse, die mit Oxiden beschichtet ist. Die Hülsen dienen als Kathode, und es gibt einen elektrisch isolierten Wolframdraht, der von der Hülse getrennt ist.

Raumladung

Die Raumladung ist eine wichtige Eigenschaft der Vakuumröhrendiode. An der Kathode erscheint eine positive Ladung, wenn sie Elektronen emittiert. Es ermöglicht der Kathode, die Elektronen anzuziehen und eine Raumladung in der Hülle der Vakuumröhre zu erzeugen.

Kathodenmaterialien

Hier sind zwei gängige Kathodenmaterialien:

Wolfram

Wolfram umfasst ein reines Metall und hat eine Austrittsarbeit von 4,54 eV. Sie können dieses Material sicher bei 2500®K betreiben und es in einer Hochleistungsröhre, Thermionischen Vakuumröhren oder Wanderfeldröhren verwenden.

Wolframstab

Thoriiertes Wolfram

Dieses Material funktioniert in direkt beheizten Kathoden. Es unterstützt Elektronen bei niedrigen Temperaturen (ca. 700 ® C bis 750 ® C). Sie können dieses Material mit hoher Effizienz und geringer Heizleistung betreiben.

Arten von Vakuumröhrendioden

Der Vakuumdiodenröhrentyp hat sechs Klassifikationen, darunter:

• Vakuumdioden für den Frequenzbereich (Funksender, Mikrowelle, Audio)

Mikrowelle

• Vakuumdioden für Nennleistung (Tonleistung, Kleinsignal) mit Gleichfeld
• Kathoden-/Fadentyp-Vakuumdioden
• Spezialfunktionen Vakuumdioden (Lichtdetektoren)
• Anwendung Vakuumdioden (Senderöhren oder Empfangsröhren)
• Vakuumdioden für spezielle Parameter (rauscharme Audioverstärkung)

Anwendungen

Zu den Anwendungen für Vakuumröhrendioden gehören:

• Atomuhren
• Röntgenröhren
• Funkgeräte
• Grid-Bias-Batterie
• Audiosysteme
• Spannungsreglerröhren
• Kontrollelektrode
• Triodenverstärker
• Elektronischer Verstärker
• Verbraucheranwendungen
• Hochgeschwindigkeitsschaltung
• Klystronröhren
• Ionenantriebssysteme
• Elektronische Ausrüstung
• Batteriebetriebene Geräte
• Professionelle Audiogeräte
• Funkkommunikation
• Sonnenkollektoren
• Mikrowellensysteme
• Militärsysteme mit (Hochspannungs-)Versorgung
• Mobiltelefon-, Bluetooth- und Wi-Fi-Mikrowellenkomponenten
• Mobilfunksatelliten
• Teilchenbeschleuniger
• Photomultiplier-Röhren
• Stroboskoplichter
• Halbleiter-Vakuumelektronische Systeme
• Vakuumelektronengeräte
• Vakuum-Panel-Displays

Schlussworte

Obwohl die Welt jetzt von Transistoren angetrieben wird, hat die Vakuumdiode immer noch ihre Verwendung. Die vielleicht herausragendste moderne Verwendung der Vakuumdiode findet sich in der Musikgemeinschaft. Die meisten Audiophilen bevorzugen die Klangqualität von elektronischen Röhrenverstärkern gegenüber Halbleiterverstärkern.

Einzelhüllen-Vakuumröhren

Eine weitere bemerkenswerte Anwendung sind Hochleistungs-HF-Sender. Vakuumröhrendioden erzeugen mehr Leistung als Halbleiter-Pendants. So finden Sie Vakuumröhren in MRT-Scannern, Teilchenbeschleunigern und sogar Mikrowellenöfen. Damit ist dieser Artikel abgeschlossen. Wenn Sie Fragen haben, können Sie sich gerne an uns wenden. Wir helfen Ihnen gerne weiter.