Vakuumröhrendioden erklärt: Funktion, Geschichte und moderne Anwendungen

Metallhüllen-Vakuumröhrendioden

In jüngster Zeit haben wir viele technologische Fortschritte im Bereich elektrischer Geräte gesehen. Heute finden wir unzählige Transistoren, die Logikgatter bilden und Berechnungen ermöglichen.

Doch Computer existierten bereits vor der Erfindung von Transistoren und Gleichstrom. Diese früheste Computerform war so massiv, dass sie ganze Räume füllte und im 20. Jahrhundert Tausende Pfund wog.

Die Vakuumröhrendiode übernahm die Rolle der Transistoren in diesen Riesencomputern. Obwohl Transistoren die moderne Elektronik beherrschen, hat die Vakuumdiode noch immer ihre Anwendungen.

In diesem Artikel zeigen wir alles über Vakuumröhrendioden: Funktionsweise, Typen und Anwendungen für Ihre PCB sowie ihre Charakteristiken.

Los geht's!

Vakuumröhre

Was ist eine Vakuumröhrendiode?

Vor der Transistor-Ära von Sir John Ambrose Fleming schuf er 1904 die Vakuumröhre. Sir Lee De Forest (17. Jahrhundert) ist ein weiterer Name, besonders bezüglich Radios und Glühfäden im Zusammenhang mit Vakuumröhrendioden.

Die Vakuumröhre ist ein Bauelement, das den Fluss einzelner Elektronen eines elektrischen Stroms in eine Richtung (Anode zu Kathode) blockiert, während sie den Stromfluss in die andere Richtung (Kathode zu Anode) erlaubt.

Die Vakuumdiode ist die einfachste Form der Vakuumröhre, die freie Elektronen erzeugt und steuert. Sie besitzt zwei Elektroden: Kathode und Anode. Die Anode dient als Elektronensammler, die Kathode als Elektronenemitter. Sie arbeitet auch als 1,4-Volt-Glühfaden mit Einwegventil für beheizte und schlanke Fäden.

Die Kathode kann während ihrer elektrostatischen Feldaustrittsphase positive oder negative Elektrode sein – sie besitzt also gute FeldeMISSIONSEigenschaften.

Anoden sind hohle Metallzylinder aus Nickel oder Eisen. Bei Hochleistungsanwendungen finden sich Anoden aus Molybdän, Graphit oder Tantal, da hohe Leistungen Nickel- oder Eisenanoden beschädigen können. Anoden sind größer als Kathoden, um Wärme ohne großen Temperaturanstieg abzuführen. Man kann eine Anode also nicht als schwachstromführend betrachten.

Kathoden bestehen aus einfachem Wolframfaden oder thoriertem Wolfram. Kathoden mit Feldlinien können nickellegierte Röhren mit Bariumoxid- oder Strontiumoxidbeschichtung sein. Oxidbeschichtete Kathoden zeigen bessere Emissionseffizienz.

Funktionsweise von Vakuumröhrendioden

Beim Verständnis der Funktionsweise ist die Effektivität wichtig, mit der Elektronen von einer Oberfläche entweichen.

Die Anzahl der Elektronenströme, die ein erhitztes Material pro Flächeneinheit emittieren kann, hängt von einer Konstanten 'b' und der absoluten Temperatur ab. Die Konstante 'b' gibt an, was ein primäres Elektron tun muss, um die Oberfläche zu verlassen.

Daraus leitet sich die Gleichung für den die äußere Oberfläche verlassenden Strom ab:

I = A T² ε (–b/T)

Gleichung für den die äußere Oberfläche verlassenden Strom

Wobei:

I – Strom in Ampere

A – Konstant für das Emissionsmaterial

T – Temperatur in Grad absolut

b – Arbeit, die das Elektron zum Verlassen der äußeren Oberfläche benötigt

Die Erfindungen von Walter H. Schottky und Thomas Edison unterstützen diese Gleichung ebenfalls.

Hochvakuum-Röhrendioden

Im Großen und Ganzen funktionieren Vakuum-Thermionen-Röhrendioden wie moderne Röhren, aber mit größerer Baugröße. Sie verfügen über einen Vakuumbehälter mit Anode und Kathode, die an eine Spannungsquelle angeschlossen sind.

Anoden- und Kathodenspannung

Die Anode (positiver Pol) erhält positive Spannung und arbeitet nach dem Thermionenemissionsprinzip. Der Glühfaden erhitzt die Kathode (negativer Pol) und ermöglicht die Elektronenemission. Diese emittierten Elektronen werden zur Anode gezogen. Reicht die positive Spannung an der Anode nicht aus, werden die Elektronen von der Kathode nicht angezogen.

Elektrischer Glühfaden

Daher bildet sich eine unsichtbare Elektronenwolke im Raum zwischen Anode und Kathode – der Raumladung. Diese stößt weitere Elektronen von der Kathode ab, stoppt die Elektronenemission und den Stromfluss im Kreis.

Ist die angelegte Spannung zwischen Anode und Kathode jedoch hoch genug, wird der Raumladungseffekt langsam neutralisiert. Der Elektronenfluss zur Anode wird frei. Elektronen können durch das Vakuum im Glaskolben der Vakuumhülle wandern. Nichts blockiert mehr die Elektronenemission, sodass Strom frei von Anode zu Kathode fließt.

Zudem steigt der Strom mit zunehmender Anodenspannung. Schließlich verschwindet die Raumladung vollständig, und die Anode erreicht die maximale Emission der Kathode.

Hinweis:

Die einzige Möglichkeit, die Elektronenemission der Kathode zu erhöhen, ist die Erhöhung der Kathodentemperatur. Dies erhöht auch die Energie der Elektronen, sodass mehr Elektronen die Kathode verlassen können.

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

Im Gegensatz dazu, wenn die Anode negative Spannung erhält, fließt kein Elektronenstrom – weil sie nicht heiß ist. Die das heiße Kathodenstrahlrohr verlassenden Elektronen bewegen sich nicht zur Anode. Dies erzeugt eine starke Raumladung zwischen Anode und Kathodenstrahlrohr. Durch die starke Abstoßung der Raumladung kehren alle Elektronen zur Kathode zurück. Daher fließt kein Strom durch den Kreis.

Charakteristiken von Vakuumdioden

Hier sind einige Charakteristiken von Vakuumröhrendioden.

Diode als Gleichrichter

Wird Wechselstrom an die Anode angelegt, bleibt deren Polarität während eines positiven Halbzyklus positiv. Elektronen können zur Anode fließen. Während eines negativen Halbzyklus bleibt die Platte negativ, was den Anodenstrom beendet.

Vakuumröhrendioden lassen also Anodenstrom nur in eine Richtung fließen und erzeugen einen gleichgerichteten Ausgangsstrom. Dies funktioniert besser mit einer Thermionendiode oder Halbleiterdiode mit Heizspannung oder Sperrspannung.

Diodengleichrichter

Zwei Kathodentypen

Die Vakuumröhrendiode kann zwei Kathodentypen nutzen:

Direkt beheizte Kathode

Hier dient die Kathode auch als Glühfaden. Man nennt sie fadentypige Kathode.

Indirekt beheizte Kathode

Hier hat die Kathode eine dünne Metallhülse mit Oxidbeschichtung. Die Hülse dient als Kathode, und ein elektrisch isolierter Wolframdraht ist von der Hülse getrennt.

Raumladung

Die Raumladung ist eine wichtige Charakteristik der Vakuumröhrendiode. Eine positive Ladung erscheint auf der Kathode, wenn sie Elektronen emittiert. Sie erlaubt der Kathode, Elektronen anzuziehen und eine Raumladung im Vakuumkolben zu erzeugen.

Kathodenmaterialien

Zwei gängige Kathodenmaterialien:

Wolfram

Wolfram ist ein reines Metall mit einer Austrittsarbeit von 4,54 eV. Es kann sicher bei 2500 K betrieben werden und wird in Hochleistungsröhren, Thermionen-Vakuumröhren oder Wanderfeldröhren eingesetzt.

Wolframstab

Thoriertes Wolfram

Dieses Material wird in direkt beheizten Kathoden verwendet. Es unterstützt Elektronen bei niedrigen Temperaturen (ca. 700 °C bis 750 °C). Es kann mit hoher Effizienz und geringer Heizleistung betrieben werden.

Typen von Vakuumröhrendioden

Der Vakuumdioden-Röhrentyp hat sechs Klassifizierungen:

• Vakuumdioden für Frequenzbereiche (Funksender, Mikrowelle, Audio)

Mikrowelle

• Vakuumdioden für Leistungsbewertungen (Audioleistung, Kleinsignal) mit gleichmäßigem Feld
• Kathoden/Glühfaden-Typ Vakuumdioden
• Spezialfunktions-Vakuumdioden (Lichtdetektoren)
• Anwendungs-Vakuumdioden (Sender- oder Empfängerröhren)
• Vakuumdioden für spezielle Parameter (rauscharme Audioverstärkung)

Anwendungen

Anwendungen für Vakuumröhrendioden umfassen:

• Atomuhren
• Röntgenröhren
• Radiogeräte
• Gittervorspannungsbatterie
• Audiosysteme
• Spannungsreglerröhren
• Steuerelektrode
• Triodenverstärker
• Elektronischer Verstärker
• Verbraucheranwendungen
• Hochgeschwindigkeitsschaltungen
• Klystronröhren
• Ionenantriebssysteme
• Elektronische Geräte
• Batteriebetriebene Geräte
• Professionelle Audioausrüstung
• Funkkommunikation
• Solarkollektoren
• Mikrowellensysteme
• Militärsysteme mit Hochspannungsversorgung
• Mobiltelefon-, Bluetooth- und Wi-Fi-Mikrowellenkomponenten
• Mobiltelefonsatelliten
• Teilchenbeschleuniger
• Photomultiplierröhren
• Stroboskope
• Halbleiter-Vakuum-Elektroniksysteme
• Vakuum-Elektronenbauelemente
• Vakuum-Panel-Displays

Schlusswort

Obwohl die Welt heute von Transistoren angetrieben wird, hat die Vakuumdiode noch immer ihre Verwendung. Vielleicht ist die bemerkenswerteste moderne Anwendung in der Musikcommunity. Die meisten Audiophilen bevorzugen die Klangqualität von Vakuumröhren-Elektronikverstärkern gegenüber Halbleiterverstärkern.

Einzelhüllen-Vakuumröhren

Eine weitere bemerkenswerte Anwendung sind Hochleistungs-RF-Sender. Vakuumröhrendioden erzeugen mehr Leistung als Halbleiterpendants. Man findet Vakuumröhren in MRT-Scannern, Teilchenbeschleunigern und sogar Mikrowellenöfen. Das schließt diesen Artikel ab. Bei Fragen kontaktieren Sie uns gerne – wir helfen Ihnen weiter.