دیود وکیوم چیست؟ اصول کار و انواع دیود خلاء
محتویات
در 16 نوامبر 1904 اولین دیود خلاء توسط سر جان امبروز فلمینگ اختراع شد و به آن شیر فلمینگ، اولین شیر ترمیونیک نیز می‌گویند. در آن روزها پیوند p-n در زمینه الکترونیک وجود نداشت.
دیود خلاء چگونه کار می کند؟
در اینجا دیود وکیوم بیشتر مانند یک دیود مدرن کار می کند. ولی سایز آن بزرگتر است. اجزاء آن شامل یک ظرف خلاء به همراه کاتد و آند در داخل آن است. این کاتد و آند از طریق یک منبع ولتاژ متصل می شوند.
آند با ولتاژ مثبت نسبت به کاتد اعمال می شود. این نوع دیود بر اساس اصل انتشار ترمیونی کار می کند. یک رشته این کاتد را گرم می کند. از این رو الکترون ها از کاتد گسیل می شوند و به سمت آند جذب می شوند. اگر ولتاژ مثبت اعمال شده در آند به اندازه کافی نباشد، آند نمی تواند الکترون های ساطع شده از کاتد را به دلیل اینکه رشته داغ است، جذب کند.
در نتیجه یک ابر الکترون در فضای بین کاتد و آند جمع می شود. این بار فضایی نامیده می شود. با توجه به این بار فضایی، الکترون های ساطع شده بیشتر حذف شده و به کاتد باز می گردند. بنابراین انتشار الکترون عملا متوقف می شود. هیچ جریانی از مدار عبور نمی کند.
اگر ولتاژ اعمال شده بین آند و کاتد به تدریج افزایش یابد، الکترون های بار فضایی بیشتری به آند می آیند و فضای خالی برای الکترون های ساطع شده بیشتر ایجاد می کنند. بنابراین با افزایش ولتاژ آند و کاتد، می توان سرعت انتشار الکترون ها را افزایش داد.
در عین حال، بار فضایی به تدریج ناپدید می شود، به این معنی که در آند خنثی می شود. یک بار برای ولتاژ اعمال شده معین بین آند و کاتد، کل بار فضایی ناپدید می شود. دیگر مانعی برای انتشار الکترون از کاتد وجود ندارد. سپس پرتوی الکترون آزادانه از کاتد به آند در فضا جریان می یابد. در نتیجه جریان از آند به کاتد می گذرد.
از طرف دیگر اگر آند نسبت به کاتد منفی باشد، هیچ الکترونی از آن گسیل نمی شود زیرا سرد است و گرم نیس تا دمای کافی داشته باشد. اکنون الکترون های ساطع شده از کاتد گرم شده به آند باز نمی گردند. به دلیل دفع آند منفی، بار فضایی قوی بین آند و کاتد انباشته می شود. مجدداً به دلیل دفع این بار فضایی، تمام الکترون های ساطع شده اضافی به کاتد باز می گردند، بنابراین هیچ گسیل مجازی صورت نمی گیرد، بنابراین جریانی در مدار ایجاد نمی شود. در نتیجه دیود خلاء اجازه می دهد تا جریان فقط در یک جهت عبور کند.
تحت بایاس معکوس، این دیود خلاء کار نمی کند. این لوله خلاء جزء اصلی الکترونیک در نیمه اول قرن بیستم بود. در مدارهای رادیو، تلویزیون، رادار، تقویت صدا، سیستم ضبط صدا، تلفن، کامپیوترهای آنالوگ و دیجیتال و کنترل فرآیندهای صنعتی در دسترس و رایج بود.
مشخصه های V-I دیود خلاء
اندازه بار فضایی به گسیل الکترون ها از کاتد در طول تشکیل بار فضایی بستگی دارد. گسیل الکترون ها بیشتر به دمایی که کاتد در آن گرم می شود بستگی دارد. بنابراین اگر دما افزایش یابد مقدار بار فضایی نیز افزایش می یابد. در نهایت ولتاژ آند مورد نیاز برای خنثی کردن بار فضایی نیز بیشتر خواهد بود.
بنابراین همان دیود خلاء نمودارهای مشخصه V-I متفاوتی در دماهای مختلف کاتد خواهد داشت. یک نمودار برای ToC، یکی برای دمای بیشتر از ToC و یکی برای دمای کمتر از ToC می تواند به خوبی قضایا را نشان دهد. هنگامی که ولتاژ آند به تدریج از صفر افزایش می یابد، جریان از آند به کاتد به نسبت افزایش می یابد. از آنجایی که بار فضایی انتشار از کاتد را محدود می کند، جریان به طور متناسب با کاهش قدرت بار فضایی افزایش می یابد.
این ناحیه از منحنی مشخصه، ناحیه محدود کننده بار فضایی نامیده می شود. پس از ناپدید شدن بار فضایی، انتشار الکترون ثابت می شود و صرفاً به دمای کاتد بستگی دارد. در اینجا جریان در دیود خلاء اشباع می شود. هنگامی که هیچ ولتاژی به آند اعمال نمی شود نباید هیچ جریانی در مدار وجود داشته باشد اما در واقعیت اینطور نیست. به دلیل نوسانات آماری در سرعت، برخی از الکترون ها 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.
استفاده از دیود های لوله خلاء
به تدریج نیمه هادی اتصال p-n وارد بازار شد و جایگزین لوله های خلاء شدند. اساسی ترین ساختار لوله خلاء یک دیود وکیوم است. لوله های خلاء هنوز به طور گسترده در سراسر جهان مورد استفاده قرار می گیرند. کاربردهای لوله های خلاء عبارتند از:
- ساعت های اتمی
- سیستم های صوتی
- داشبورد خودرو
- ماهواره های تلفن همراه
- مانیتورهای کامپیوتر
- پخش کننده ها و ضبط کننده های DVD
- تست الکترومغناطیسی
- میکروسکوپ های الکترونی
- سیستم های تخلیه گاز
- لیزرهای گازی
- تقویت کننده های گیتار
- رادیو Ham
- سوئیچینگ مدار با سرعت بالا
- لوله های Klystron
- گرمایش صنعتی
- میکروسکوپ های یونی
- سیستم های محرکه یونی
- لیزر
- نمایشگرهای LCD کامپیوتر
- نورپردازی
- سیستم های مایکروویو
- اجاق های مایکروویو
- سیستم های نظامی
- اجزای مایکروویو تلفن همراه، بلوتوث و Wi-Fi
- تقویت کننده های آلات موسیقی
- شتاب دهنده های ذرات
- لوله های چند برابر کننده عکس
- پنل نمایشگر پلاسما
- سیستم های محرکه پلاسما
- تجهیزات صوتی حرفه ای
- سیستم های رادار
- ارتباطات رادیویی
- ایستگاه رادیویی
- استودیوهای ضبط
- کلکتورهای خورشیدی
- سیستم های سونار
- چراغ های بارق
- ایستگاه های زمینی ماهواره ای
- سیستم های الکترونیکی خلاء نیمه هادی
- ایستگاه های تلویزیونی
- دستگاه های الکترونی خلاء
- پنل نمایشگر خلاء
انواع دیود وکیوم
لوله های دیود وکیوم به عنوان طبقه بندی می شوند
- محدوده فرکانس مناسب (صوتی، رادیویی، مایکروویو)
- نرخ توان مناسب (سیگنال کوچک، قدرت صوتی)
- از نظر نوع کاتد/رشته (به طور غیر مستقیم گرم می شود، مستقیماً گرم می شود)
- کاربرد مناسب (لوله های گیرنده، لوله های انتقال، تقویت یا سوئیچینگ)
- پارامترهای تخصصی مناسب (عمر طولانی، حساسیت میکروفونیک بسیار کم و تقویت صدای کم نویز)
- عملکردهای تخصصی مناسب (آشکارسازهای نور یا تشعشع، لوله های تصویربرداری ویدئویی)
