Рабочий режим. Применение диода для выпрямления переменного тока

Режим работы диода с нагрузкой графоаналитически рассчитывается так же, как и для полупроводникового диода. Однако обычно нельзя пренебрегать падением напряжения на вакуумном диоде, так как оно в зависимости от типа диода составляет единицы, десятки и даже сотни вольт.

Все сказанное о работе выпрямительных схем с полупроводниковыми диодами можно повторить для схем выпрямления с помощью вакуумных диодов. Особенность вакуумных диодов — отсутствие обратного тока. Вакуумные диоды для выпрямления переменного тока электросети (кенотроны) могут работать при высоких обратных напряжениях — сотни и тысячи вольт. Поэтому нет необходимости в последовательном соединении кенотронов.

Для кенотронов, работающих в выпрямителях, опасно короткое замыкание нагрузки. В этом случае все напряжение источника будет приложено к кенотрону и анодный ток станет недопустимо большим. Происходит перегрев катода и его разрушение. Анод также перегревается. Ухудшается вакуум за счет выделения газов из перегретых электродов. Газ ионизируется. Положительные ионы бомбардируют катод, способствуя его перегреву и разрушению.

При выпрямлении токов очень высокой частоты вредно влияет емкость анод — катод диода С_а-к. Она состоит из емкости между электродами и емкости между выводными проводниками. Значение С_а-к достигает единиц пикофарад у маломощных диодов. На низких частотах эта емкость шунтирующего влияния не оказывает, так как ее сопротивление составляет миллионы Ом. А на частотах в десятки мегагерц и выше сопротивление емкости становится соизмеримым с внутренним сопротивлением диода и даже меньше его. Тогда переменный ток проходит через эту емкость и выпрямляющее действие диода ухудшается.

Например, если диод имеет R _i = = 500 Ом и С_а-к = 4 пФ, то при частоте 200 Гц сопротивление емкости

х_с = 1/(ω С_а-к) = 10¹²/(2π·200·4) ≈ ≈200·10⁶ Ом = 200 МОм.

Практически через такое сопротивление ток не проходит. Зато при f = 200 МГц сопротивление х_с станет равным 200 Ом и будет сильно шунтировать диод.

Для диодов надо учитывать максимальные допустимые значения их параметров.

Если в секунду на анод попадает N электронов и каждый из них обладает энергией mv²/2, то мощность, отдаваемая электронным потоком на нагрев анода,

Р _а = Nmv²/2. (16.9)

Энергию электроны получают от ускоряющего поля. Пренебрегая их начальной энергией, можно считать, что mv²/2 ≈ qu_a. Тогда

Р _а = Nqu_a. (16.10)

Произведение Nq есть количество электричества, попадающее за 1 с на анод, т. е. анодный ток i _а. Поэтому окончательно

Р _а = i _a u _a. (16.11)

Мощность Р _а — это потерянная мощность, так как нагрев анода бесполезен и даже вреден. Принято называть Р _а мощностью, выделяемой на аноде, или мощностью потерь на аноде. Не следует эту мощность считать максимальным допустимым параметром лампы, так как она может иметь самые различные значения в зависимости от анодного напряжения. Анод нагревается также за счет теплового излучения катода, но Р _а есть только мощность электронной бомбардировки. Чем больше Р _а, тем сильнее нагрев анода. Он может накалиться докрасна и даже расплавиться.

Максимальная допустимая мощность P_amax зависит от размеров, конструкции, материала анода и способа его охлаждения и составляет от долей ватта до многих киловатт. Чтобы анод не перегревался, должно соблюдаться условие

P_a ≤ P_amax (16.12)

При импульсном режиме мгновенная мощность, выделяемая на аноде, может быть очень большой, но средняя мощность не должна превышать P_amax.

Анодный ток диодов обычно состоит из отдельных импульсов. Максимальное допустимое значение тока для диодов с оксидным катодом обусловлено разрушением оксидного слоя. Для каждого типа диодов характерен максимальный допустимый импульс анодного тока I_amax В диодах для импульсной работы значение I_amax весьма велико, тем больше, чем меньше длительность импульсов и чем больше паузы между ними.

Пульсирующий анодный ток диодов имеет постоянную составляющую I_{a ср}, которую называют постоянным выпрямленным током. Важным параметром диода является максимальный допустимый постоянный выпрямленный ток I_{a срmax.}

При работе диода в выпрямителе в течение некоторого времени (часть периода) к диоду приложено отрицательное анодное напряжение, называемое обратным. Важным параметром является максимальное допустимое обратное напряжение U _обрmax. Обратное напряжение не должно превышать максимального допустимого:

U _обр ≤ U _обрmax (16.13)

Если U _обр больше U _обрmax, то возможен пробой изоляции, электростатическая эмиссия из анода и выход диода из строя. Кенотроны для высоковольтных выпрямителей имеют U _обрmax до десятков киловольт, маломощные диоды — не более 500 В.

Лекция №4. Трехэлектродные лампы

Дата добавления: 2014-01-05