Vacuümbuisdiodes uitgelegd: Functie, geschiedenis en moderne toepassingen

Vacuümbuisdiodes met metalen envelop

In de laatste tijd hebben we veel technologische vooruitgang gezien op het gebied van elektrische apparaten. Tegenwoordig vinden we transistors die logische poorten vormen en berekeningen mogelijk maken.

Maar computers bestonden al vóór de uitvinding van transistors en gelijkstroom. Deze vroegste computers waren zo massief dat ze hele kamers innamen en duizenden pond wogen in de 20e eeuw.

De vacuümbuisdiode speelde de rol van transistors in deze reuzekomputers. Hoewel transistors de moderne elektronica sturen, heeft de vacuümdiode nog steeds toepassingen.

In dit artikel behandelen we alles over vacuümbuisdiodes: werking, typen, toepassingen voor je printplaat en kenmerken.

Laten we beginnen!

Vacuümbuis

Wat is een vacuümbuisdiode?

Vóór de transistors tijdperk van Sir John, creëerde Ambrose Fleming in 1904 wat we nu de vacuümbuis noemen. Sir Lee De Forest (uit de 17e eeuw) is een andere bekende naam, vooral met betrekking tot radio's en filamenten gerelateerd aan vacuümbuisdiodes.

De vacuümbuis is een apparaat dat de stroom van enkele elektronen uit een elektrische stroom in één richting (anode naar kathode) blokkeert, terwijl het de stroom in de andere richting (kathode naar anode) toestaat.

De vacuümdiode is de eenste vorm van de vacuümbuis die vrije elektronen produceert en regelt. Daarnaast heeft de vacuümdiode twee electrodes: kathode en anode. De anode fungeert als elektronenverzamelaar, de kathode als elektronenemitter. Het werkt ook als een 1,4-volt filament met een eenrichtingsklep die zowel verwarmde als dunne filamenten ondersteunt.

De kathode kan tijdens haar elektrostatische veldontlading een positieve of negatieve electrode zijn. Kortom, het heeft uitstekende veldemissie-eigenschappen.

Anodes zijn holle metalen cylinders van nikkel of ijzer. Bij hoge vermogen vind je anodes van molybdeen, grafiet of tantalum, want hoge vermogens kunnen nikkel of ijzer anodes beschadigen. Anodes zijn groter dan kathodes om warmte af te voeren zonder grote temperatuurstijging. Je kunt een anode dus niet zwakke stroom noemen.

Kathodes bestaan uit een simpel wolframfilament of thoriumgelegeerd wolfram. Kathodes met veldlijnen kunnen gebaren van bariumoxide of strontiumoxide gecoate nikkel buizen zijn. Oxide-gecoate kathodes tonen betere emissie-efficiëntie.

Hoe vacuümbuisdiodes werken

Bij het bestuderen van de werking van een vacuümdiode is het effectiviteit van elektronenontsnapping van een oppervlak belangrijk.

Het aantal elektronenstromen dat een verwarmd materiaal per eenheidsoppervlakte kan emitteren, hangt samen met een constante 'b' en een absolute temperatuur. De constante 'b' geeft aan wat een primair elektronen doet om het oppervlak te verlaten.

Hieruit kunnen we een vergelijking afleiden voor de stroom die het buitenoppervlak verlaat:

I = AT²ε (–b/T)

Vergelijking voor de stroom die het buitenoppervlak verlaat

Waarbij:

• I – stroom gemeten in ampère
• A – constante voor het type emitterend materiaal
• T – temperatuur in graden absoluut
• b – werk nodig voor het elektronen om het buitenoppervlak te verlaten

De uitvindingen van Walter H. Schottky en Thomas Edison ondersteunen bovenstaande vergelijking.

High-vacuum buisdiodes

Vacuüm thermionische buisdiodes werken grotendeels als moderne buizen, maar met grotere afmetingen. Ook een vacuümcontainer met anode en kathode aangesloten over een spanningsbron.

Anode en Kathode Spanning

De anode (positieve terminal) ontvangt positieve spanning en werkt op het thermionische emissieprincipe. Het filament verhit de kathode (negatieve terminal) en zorgt voor elektronenemissie. Deze geëmitteerde elektronen worden naar de anode getrokken. Als de positieve spanning op de anode onvoldoende is, trekt hij de elektronen niet van de kathode.

Elektrisch filament

Een onzichtbare wolk van elektronen accumuleert dan in de ruimte tussen anode en kathode, wat een ruimtelading creëert. De ruimtelading weert andere elektronen die de kathode verlaten af, wat elektronenemissie en stroomdoorstroming stopt.

Maar als de voedingsspanning tussen anode en kathode hoog genoeg is, wordt het ruimteladeffect langzaam geneutraliseerd. De elektronenstroom naar de anode wordt vrij. Elektronen kunnen door het vacuüm in de glazen envelop van de vacuümbuis bewegen. Niets blokkeert de elektronenemissie, wat vrije stroomdoorlaat van anode naar kathode toestaat.

Naarmate de aangepaste spanning op de anode toeneemt, neemt de stroom ook toe. Uiteindelijk verdwijnt de ruimtelading volledig en bereikt de anode de maximale emissie van de kathode.

Let op:

De enige manier om de elektronenemissie van de kathode te verhogen is door de temperatuur van de kathode te verhogen. Dit verhoogt ook de energie van de elektronen, zodat meer elektronen de kathode kunnen verlaten.

Hoewel alle gebieden van de vacuümdiode een ruimtelading hebben, is deze in de kathoderegio het belangrijkst. Waarom? Omdat het kritieke elementen bepaalt, inclusief maximale emissie.

Als de anode met negatieve spanning te maken heeft, is er geen elektronenstroom – omdat hij niet warm is. De elektronen die de verwarmde kathodestraalbuis verlaten, bewegen niet naar de anode. Dit ophopt een sterke ruimtelading tussen anode en kathodestraalbuis. Door de sterke afstoting van de ruimtelading bewegen alle elektronen terug naar de kathode. Er vloeit dus geen stroom door het circuit.

Kenmerken van vacuümdiodes

Diode als gelijkrichter

Bij aanleg van wisselstroom aan de anode, blijft de polariteit positief tijdens een positieve halfgolf. Elektronen kunnen naar de anode vloeien. Tijdens een negatieve halfgolf blijft de plaat negatief, wat de anode-stroom beëindigt.

Vacuümbuisdiodes laten dus anode-stroom in één richting vloeien en produceren een gegelijkrichterde uitgangsstroom. Dit werkt beter met een thermionische diode of halfgeleiderdiode met verwarmingsspanning of omgekeerde spanningen.

Diode Gelijkrichter

Twee typen kathodes

De vacuümbuisdiode kan twee typen kathodes gebruiken:

Direct verwarmde kathode

Hier fungeert de kathode ook als filament. Je kunt het het filamenttype kathode noemen.

Indirect verwarmde kathode

Hier heeft de kathode een dunne metalen huls gecoat met oxiden. De hulzen dienen als kathode, met een elektrisch geïsoleerde wolframdraad gescheiden van de huls.

Ruimtelading

De ruimtelading is een belangrijk kenmerk van de vacuümbuisdiode. Een positieve lading verschijnt op de kathode bij elektronenemissie. Hierdoor trekt de kathode elektronen aan en creëert een ruimtelading in de vacuümbuisenvelop.

Kathodematerialen

Twee veelvoorkomende kathodematerialen:

Wolfram

Wolfram is een zuiver metaal met een werkafstand van 4,54 eV. Je kunt dit materiaal veilig bij 2500 K bedienen en in hoge-vermogen buizen, thermionische vacuümbuizen of golvenbuizen gebruiken.

Wolfram staaf

Thorium-gelegeerd wolfram

Dit materiaal werkt in direct verwarmde kathodes. Het ondersteunt elektronen bij lage temperaturen (ongeveer 700 °C tot 750 °C). Je kunt dit materiaal met hoge efficiëntie en geringe verwarmingsenergie bedienen.

Typen vacuümbuisdiodes

De vacuümdiode buistype heeft zes classificaties:

• Vacuümdiodes voor frequentiebereik (radiozenders, microgolf, audio)

Microgolf

• Vacuümdiodes voor vermogenswaarde (audiovermogen, kleinsignaal) met uniform veld
• Kathode/filament type vacuümdiodes
• Gespecialiseerde functies vacuümdiodes (lichtdetectors)
• Toepassings vacuümdiodes (zendbuizen of ontvangbuizen)
• Vacuümdiodes voor gespecialiseerde parameters (laag-ruis audioversterking)

Toepassingen

Toepassingen voor vacuümbuisdiodes omvatten:

• Atoomklokken
• Röntgenbuizen
• Radio sets
• Grid Bias Batterij
• Audio systemen
• Spanningsregelaar buizen
• Controle electrode
• Triode versterker
• Elektronische versterker
• Consumententoepassingen
• High-speed circuit schakeling
• Klystron buizen
• Ion-aandrijvingssystemen
• Elektronische apparatuur
• Batterijgevoede apparatuur
• Professionele audio apparatuur
• Radio communicatie
• Zonnecollectoren
• Microgolf systemen
• Militaire systemen met (hoge spanning) voeding
• Mobiele telefoon, Bluetooth en Wi-Fi microgolf componenten
• Cellulaire telefoon satellieten
• Deeltjesversnellers
• Fotomultiplier buizen
• Stroboscoop lichten
• Halfgeleider vacuüm elektronische systemen
• Vacuüm elektronen apparaten
• Vacuüm paneel displays

Slotwoorden

Ondanks dat de wereld nu aangedreven wordt door transistors, heeft de vacuümdiode nog steeds toepassingen. Misschien is de meest opvallende moderne toepassing in de muziekgemeenschap. Veel audiofielen prefereren de klankkwaliteit van vacuümbuis elektronische versterkers boven halfgeleiderversterkers.

Enkele envelop vacuümbuizen

Een andere bekende toepassing is hoge-vermogen RF-zenders. Vacuümbuisdiodes genereren meer vermogen dan halfgeleider equivalenten. Je vindt vacuümbuizen in MRI-scanners, deeltjesversnellers en zelfs magnetrons. Dit sluit het artikel af. Heb je vragen? Neem gerust contact op, we helpen je graag.