|
| |
|
A vákuum dióda.  Edison 1884-ben észreveszi, hogy szénszálas lámpájában lévő tér vezeti az elektromosságot, de csak akkor, ha a szál izzik. Később Elster és Geitel ugyanezt a jelenséget ritkított oxigéngázban figyelték meg, platinadrótokkal. Whenelt kalciumoxiddal vonta be az izzó szálat, Fleming pedig az egész elrendezést, mint egyenirányító szabadalmaztatta (24.850/1904.sz. angol, és 186.086/1905 német szab.). Ez meg is teremtette a ma ismert vákuum diódát. Mint ahogyan azt már az elektroncső működésénél láttuk a dióda, légüres burán belül kettő elektródával, rendelkezik; a két elektróda közül az egyik a katód, amelyet magas hőfokra hevítenek, ami által emittálóvá válik, és a feszültségforrás negatív sarkával kötnek össze, a másik az elektronokat felfogó anód, amely a pozitív sarokkal van összeköttetésben. A katód izzítása mindig elektromos áram segítségével történik; léteznek ún. közvetlen (direkt) fűtésű katódok, amelyeknél az izzószál és a katód azonosak, és vannak közvetett (indirekt) izzítású katódok, amelyeknél a fűtő áram által izzásba hozott külön fűtőtest hevíti kellő hőfokra a többnyire elektromosan elszigetelt katódot.  A legelső elektroncsövek mind közvetlen izzításúak voltak, és a katódanyaguk volfrám volt, mivel a volfrámot légüres térben a legmagasabb hőmérsékletűre hevíthetjük és ez által a lehető legnagyobb elektronemissziót érhetjük el. A későbbiekben a tóriummal ötvözött volfrám még jobb emissziós tulajdonságaival lehetővé tette, hogy csökkentsék az izzó felület hőfokát és az ezzel együtt járó izzító teljesítményt. Még jobb emissziós tulajdonságú, tehát még kevesebb fűtő teljesítményt igényel az ún. oxidkatód, amelynél a hordozót a nikkel katód fémet bárium, stroncium és kalcium oxidjának keverékével vonják be. Míg a tiszta volfrám szálas csövek katódja 2400 - 2700°C hőmérsékleten izzik, a tóriumos volfrámszál hőmérséklete 1800 – 2000°C, addig az oxidkatódok hőfoka 800 – 1100°C. Tulajdonképpen ez tette lehetővé a közvetett fűtésű csövek előállítását, mert a fűtőtestnek természetszerűleg jóval magasabb hőmérsékleten kell izzania, mint az általa izzásba hozott katódnak. Az indirekt fűtésű csövek katódja nikkelcső, amelybe hőálló, alumíniumoxid szigeteléssel van elhelyezve a volfrámból készült fűtőtest. A bevonó anyag bárium-, stroncium- és esetleg kalciumkarbonátok keveréke, amelyből a gyártási eljárás során, hevítés által okozott bomlás következtében az illető fémek oxidjai keletkeznek. Ezen oxidokból a formálási eljárás során a katódok felületén igen vékony fémréteg, többnyire fémbárium keletkezik, és e vékony réteg kelti a tényleges emissziót. Ha méréssel megállapítjuk az anódfeszültség – anódáram összefüggést, láthatjuk, hogy nulla sőt negatív feszültség hatására is folyik némi anód áram, amely a feszültség hatására meredeken növekszik, majd ott elér egy olyan határt, amely után a feszültséget hiába növeljük, az anódáram értéke állandó marad. Ez által három tartományt különíthetünk el egymástól a diagramban, melyek szinte észrevétlenül tűnnek át egymásba. Az első az induló áram tartománya. Itt az anódáram főleg a katód hőmérsékletétől, vagyis a kilépő elektronok kezdősebességétől függ. A második és legszélesebb tartomány az ún. tértöltési tartomány, amelyben a fajlagos anódáram főleg az anódfeszültségtől függ, a harmadik a telítési tartomány, amelyben az anódáram a katód hőfokától és anyagától függ. A hőfok függést világosan igazolja az ábra, amelynél láthatjuk, hogy nagyobb katódhőfoknál az áram megnövekszik.
Elméleti megfontolások alapján is meghatározható az egyes tartományokra vonatkozó törvényszerűségek. A telítési tartományban az áram értékét megadja a Richardson-törvény: IAt = AT2·e(-b/T), Ahol IAt a telítési áram 1cm2 katódfelületről, A a katódfémre jellemző tényező, T a katód hőfoka K fokokban és b a katódfém felületére jellemző érték, az ún. kilépési munka hőekvivalense. Látható, hogy az áram tényleg független az anódfeszültségtől. Telítésnél az anód minden katódból kilépett elektront magához vonzott. A tértöltési tartomány anódfeszültségfüggő viselkedése viszont azt mutatja, hogy a telítési érték alatt kell lennie egy fizikai oknak, amely megakadályozza valamennyi kilépett elektron anódhoz áramlását. Ez az ok az ún. tértöltés, amelyet a katódból kilépett elektronok alkotnak, amelyek a katódot felhőszerűen sűrűn körülveszik. Mivel ezen katódot körülvevő elektronfelhő negatív töltésű részecskékből áll, a katód körül kialakul egy negatív potenciálminimum, amelyen az egyes elektronoknak át kell hatolniuk, mielőtt az anódot elérik. Ha az elektron sebessége ehhez nem elegendő, akkor az elektron lelassul, megáll, majd visszatér a katódhoz. Növekvő pozitív anódfeszültség hatására a tértöltés által okozott potenciálminimum közelebb húzódik a katódhoz, több elektron jut át rajta, és az anódáram megnövekszik. A tértöltés tartományában az anódáram értékét a Child-Langmuir-törvény adja meg. Ennek alakja – azon egyszerűsítő feltételezéssel, hogy a katódot valamennyi elektron nulla kezdő sebességgel hagyja el: IA=(2,33·A)/d2·10-6·UA3/2 = K·UA3/2 [Amper] Ahol d az anód-katód közötti távolság cm-ben, A katód felülete cm2, UA az anódfeszültség voltban. A kifejezésben elhanyagoltuk az elektronok kezdő sebességét, amellyel a katódot elhagyják. Ennek tekintetbe vételével kitűnik, hogy a 3/2 hatványú törvény változatlanul érvényben marad, csak az anódáram nő meg, és ennek következtében negatív anódfeszültségeknél is lesz anód áram. Egy további tényező is befolyásolja az anódáramot, mégpedig az anódot és a katódot alkotó fémek közötti kontakt potenciál, amely általában a pozitív feszültségek felé tolja el a karakterisztikát. A diódák különböző alkalmazása esetén ezen mellékeffektusoknak jelentős szerepük lehet.  Diódákat vagy hálózati váltófeszültség egyenirányítására, vagy demoduláláshoz használnak. Az első esetben jelentős nagyságú áramok folynak a csövön keresztül, és a jó hatásfok megkívánja, hogy az anód – katód közötti feszültségesés a lehető legkisebb legyen. Ennek érdekében szükséges, hogy az egyenirányításhoz használt dióda telítési árama nagy legyen. Oxidkatód használata esetén a katód hőmérsékletének szűk határok között kell maradnia, ha a csőtől hosszú élettartamot kívánunk. Túlságosan magas hőmérsékleten a vékony fémes báriumbevonat elpárolog, és az emisszió lecsökken. Túlságosan alacsony hőmérsékleten egyrészt szigetelő réteg keletkezik a katódbevonat és a nikkelcső között, amely megnöveli a feszültségesését a csövön, másrészt az alacsony hőmérsékleten lévő emissziós réteget „megmérgezi” a csőben lévő és a réteg által elnyelt gázmaradék.A kifejezés szerint tehát az egyenirányításhoz használatos diódának nagy felületű katóddal kell rendelkeznie, és az anód – katód közötti távolság a lehető legkisebb legyen. Mivel az egyenirányítandó feszültségamplitudó rendszerint igen nagy, a diódakarakterisztika alsó könyökének alakulása általában nem lényeges. A demoduláláshoz felhasznált diódáknál azonban az Ia – Ua karakterisztika linearitása igen fontos, és mivel a demodulálandó feszültségek amplitudója rendszerint kicsi, az anódáram indulási pontja is igen fontos. Másrészt viszont a demodulátordióda árama igen kis értékű, és ezért nagy telítési áram nem szükséges. A diódát egyenáramú ellenállásával, diferenciális vagy más néven belső ellenállásával és jellegörbéjének meredekségével szokták jellemezni. Az egyenáramú és a belső ellenállást mindig valamely munkapontra vonatkoztatva adják meg. Munkapontnak az összetartozó anódfeszültség – anódáram értékpárok által a jelleggörbén meghatározott pontot nevezik. RE = UA / IA, Belső ellenállása: Rb = ∆UA / ∆IA A belső ellenállás tehát azt jellemzi, hogy adott anódfeszültség-változás mekkora anódáram-változást eredményez.
S = 1/Rb = ∆IA / ∆UA. A dióda, mint hálózati egyenirányító, ennek a cikknek lesz a témája: A tápegység. |
| [1] Az amatőr 1934. január IX évf. 1. szám | |
| [2] Az amatőr 1934. február IX évf. 2. szám | |
| [3] Szűcs Péter: | Elektronika Mindenkinek - Műszaki könyvkiadó, Budapest 1984 |
| [4] Berta István: | Rádiókészülékek és Erősítők - Tankönyvkiadó 1956 (Egyetemi tankönyv) |