真空二极管的工作原理、电路图及作用

第一个被称为真空二极管的真空管是由英国科学家“约翰·安布罗斯·弗莱明爵士”于1904年发明的，也被称为热电子管或弗莱明阀。真空二极管由真空管制成，具有两个电极，例如阳极和阴极，它们被封装在真空管中。

真空二极管就是允许电流从阴极流向阳极并阻止电流从阳极流向阴极的二极管，该二极管的阴极通常发射自由电子，因此称为发射极，而阳极收集自由电子，即所谓的集电极，其符号如下所示：

真空二极管结构

最简单的真空管形式是真空二极管，它包括两个电极，一个阳极和一个阴极，其中阴极在真空中产生自由电子，而阳极从阴极收集自由电子。所以自由电子会离开阴极进入阳极。这两个电极被封装在一个空的玻璃外壳中。

阳极端子是一个空心圆柱体，制造这个端子的材料是镍或钼。阴极端子是一个覆盖有氧化钡和锶的镍圆柱体，阳极端子被阴极包围，电流流过的两个电极之间存在一个空白空间。

在真空管中，阳极端子比阴极端子大，以散热而不会使温度极度升高。通常，散热片与阳极一起布置以将在阳极处产生的热量带走。

真空二极管工作原理

真空二极管根据热电子发射原理进行工作。一旦灯丝加热，阴极端子就会发射电子，这些电子将被阳极吸引。如果在阳极端子上施加的正电压不够，则由于灯丝发热，它无法吸引从阴极产生的电子。

另外，阴极端子产生的电子数量主要取决于施加热量和功函数这两个重要因素。一旦施加更多热量，从阴极发射的自由电子的数量就会更多。同样，如果施加的热量较少，则阴极发射的电子数量较少。

功函数可以定义为从金属中去除电子所需的最小能量。通常情况下，具有较少功函数的金属将需要较少的热能来产生自由电子。相反，包括高功函数的金属将需要大量能量来产生自由电子。

因此，选择好的材料会提高电子发射效率。最常用的热离子发射器包括钨、钍钨和氧化物涂层阴极。

真空二极管电路图

真空二极管的电路图如下所示，该电路在三种情况下工作，例如具有正向电压、反向电压和无电压的二极管，下面将解释每个电路。

示例1：正向电压

带正向电压电路的真空二极管如下图所示。一旦向加热器提供热量，它就会获得一些热能。所以这个能量可以传输到阴极端子。一旦阴极端子内的电子流获得充足的能量，它们就会从阴极分离键合并移动到真空中。电子在真空中流动需要足够的动能才能到达阳极。

一旦以这样的方式向真空二极管提供电压源，即二极管的阳极端子被提供给正极端子，而阴极端子被提供给负极端子，则真空中的自由电子获得足够的动能以到达阳极。这些电子将携带电流，同时从阴极端子传输到阳极。

如果施加到阳极的正电压增加，那么被吸引到阳极端子的自由电子也会增加。因此，二极管内的电流随着阳极内的增加而增强。

示例2：反向电压

带反向电压电路的真空二极管如下图所示。一旦将电压供应给真空二极管，则二极管的阳极端子连接到负端子，而阴极连接到正端子。因此电子在真空中流动并获得足够的动能到达阳极。但是，阳极会抵抗试图向其移动的自由电子。

众所周知，如果两个带电粒子彼此靠近，它们就会被排斥。因此，在这种情况下，阳极端子带负电，阴极产生的自由电子也带负电，阳极排斥来自阴极的发射电子，所以真空二极管内有电流流动。

示例3：无电压

没有电压的真空二极管的电路图如下所示。一旦真空二极管没有电压，那么阳极就会像中性一样工作。所以它既不排斥也不吸引阴极产生的自由电子。因此，从阴极端子产生的自由电子不会吸引或移动到阳极。

真空二极管内没有电流流动，但是从阴极端子产生的大量自由电子可以在靠近阴极的一个位置聚集并形成自由电子云。这种靠近阴极的自由电子云被称为空间电荷。

真空管与晶体管的区别

真空管和晶体管之间的区别主要包括以下几点内容：

真空二极管特性

空间电荷大小主要取决于整个空间电荷形成过程中从阴极发射的电子。此外，电子发射主要取决于阴极被加热的温度。因此，如果温度升高，那么空间电荷量也可以增加，这样化解空间电荷所需的阳极电压也将更高。

真空二极管的特性在不同的温度下会有所不同，在上图中，可以观察到不同阴极温度下的特性。另外，在上述特征中，仅展示了三张图，其中一张图用于T o C、>T o C & < T o C。

一旦阳极处的电压逐渐增加，则从阳极端子到阴极的电流按比例增加。由于空间电荷限制了阴极端子的发射，因此通过降低空间电荷的强度，电流按比例增加。

在上图中所示的空间电荷限制区称为特征区。一旦这个区域消失，电子发射就会变得稳定，它完全取决于阴极的温度。

与此同时，这里的真空二极管内的电流变得饱和。一旦在阳极端子上没有给出电压，那么电路内就没有电流流动，但实际情况与此不同。

由于速度内的统计波动，即使阳极没有电压供应，一些电子流也会到达阳极。所以通过这个事件引起的少量电流称为飞溅电流。

真空二极管的优点和缺点

真空二极管的优点主要包括以下几项内容：

• 音质更好。
• 这些二极管的特性与温度极为无关。
• 与晶体管电路相比，该二极管动态范围更宽，因为它具有高工作电压和过载容限。
• 电路设计简单。
• 这些器件里面的电容会因信号电压而略有变化。

• 体积庞大，因此不适合便携式设备。
• 需要更高的工作电压。
• 使用更多的功率。
• 与金属晶体管相比，玻璃管是精致的。
• 成本很高。

真空二极管应用

真空二极管的应用包括以下几个方面：

• 用于收音机、微波炉、电视、早期计算机、蓝牙、移动电话、Wi-Fi传输，甚至用于卫星和雷达通信设备。
• 其他真空管设备包括阴极射线管、X射线管、光电倍增管和磁控管。

总结

以上就是关于真空二极管原理、电路图及作用等相关基础知识介绍，可以看出，真空二极管仅允许电流从阴极端子流向阳极，但不允许电流从阳极流向阴极。因此，这种单向电流将使二极管能够充当开关。

当然，如果阳极端子相对于阴极为正 (+ve)，则二极管充当闭合开关。或者，如果阳极端子相对于阴极为 (-Ve)，则它的性能类似于开路开关。