11.2. Закон степені трьох других

Для діода, що працює в режимі об'ємного заряду, анодний струм і анодна напруга зв'язані нелінійною залежністю, що приблизно виражається законом ступеня трьох других:

(11.3)

де g коефіцієнт, який залежить від геометричних розмірів і форми електродів.

Анодний струм пропорційний анодній напрузі в степені трьох других (3/2), а не в першому степені, як у законі Ома. Якщо збільшити, наприклад, анодну напругу вдвічі, то анодний струм зросте в 2,8 рази (тому що 2^3/2≈2,8), тобто стане на 40% більшим, чим повинний бути за законом Ома. Графічно цей закон описується напівкубічною параболою (рис.9.4). Закон ступеня трьох других не застосуємо для режиму насичення, коли І_a=I_s=const. Криву ОАБ деколи називають теоретичною характеристикою діода.

Для діода з плоскими електродами

(11.4)

де Q_а - діюча площа анода; d _(а-к) - віддаль анод-катод.

Рис.11.4. Теоретична анодна характеристика діода або графік закону степені трьох других

Дійсна залежність між анодним струмом і анодною напругою помітно відрізняється від закону степені трьох других. Але, незважаючи на неточність, закон степені трьох других у простій формі враховує нелінійні властивості лампи.

11.3. Анодна характеристика

Анодна характеристика діода виражає залежність анодного струму від анодної напруги при сталій напрузі розжарення. Дійсна характеристика (рис.11.5) відрізняється від характеристики за законом степені трьох других, яка зображена штриховою лінією на малюнку. Це розходження пояснюється тим, що закон степені трьох других є наближеним, тому що при його виведенні початковим струмом I₀ часто нехтують і зображують характеристику такою, що виходить з нульової точки.

Зі збільшенням напруги розжарення точка А зсувається вліво тому, що початкова швидкість електронів збільшується. Середню ділянку (БВ) характеристики приблизно вважають лінійною. Ділянка ВГ відповідає плавному переходу від режиму об'ємного заряду до режиму насичення. В області насичення (ділянка ГД) при підвищенні анодної напруги анодний струм зростає. Це пояснюється ефектом Шоткі і додатковим нагріванням катода від анодного струму. В оксидних катодів ефект Шоткі виражений сильно і додатковий нагрів від анодного струму значний, тому що опір оксидного шару великий і анодний струм є одного порядку із струмом розжарення.

Рис.11.5. Дійсна анодна характеристика діода

Зростання анодного струму в режимі насичення в оксидного катода настільки велике, що перехід від режиму об'ємного заряду до режиму насичення за характеристикою звичайно установити не можна.

11.4. Параметри вакуумного діода

Параметри діодів характеризують їхні властивості і можливості застосування. Деякі з цих параметрів нам уже відомі. Це напруга розжарення U_р, струм розжарення І_р і струм емісії катода І_е. Розглянемо інші параметри.

Крутизна (S) показує, як змінюється анодний струм при зміні анодної напруги на 1 В. Якщо зміна анодної напруги ΔU_а викликає зміна анодного струму ΔI_а, то крутизна

(11.5)

Крутизну виражають у міліамперах на вольт чи амперах на вольт. Якщо крутизна дорівнює, наприклад 4 мА/В, це означає, що зміна анодної напруги на 1 В викликає зміну анодного струму на 4 мА. Власне кажучи, крутизна є провідністю простору між анодом і катодом для змінної складової анодного струму.

Для визначення крутизни характеристики діода (рис.11.6) беруть приріст анодної напруги ΔU_а на заданій ділянці АБ і відповідне йому збільшення анодного струму ΔI_а. Крутизна пропорційна тангенсу кута нахилу α до дотичної в точці Т щодо осі U_а

(11.6)

де k - коефіцієнт, який виражений в одиницях провідності і враховує масштаб струму і напруги.

Рис.11.6. Визначення крутизни діода методом двох точок

Якщо ділянка АБ нелінійна, то визначена методом двох точок крутизна S_AБ є середньою для даної ділянки. Вона приблизно дорівнює крутизні для точки Т посередині ділянки АБ, тобто S_AБ≈S_T.

При переході на нижню ділянку характеристики крутизна зменшується і наближається до нуля. Прийнято вказувати, для якої точки чи для якої ділянки характеристики приводиться крутизна. Наприклад: S = 1,5 мА/В при U_а = 2 В.

Сучасні діоди мають крутизну у межах (1 – 50) мA/В. У малопотужних діодах вона не перевищує одиниць міліамперів на вольт. В імпульсному режимі крутизна досягає сотень міліамперів на вольт. Крутизна залежить від конструкції електродів лампи.

Внутрішній диференціальний опір (R_i) діода являє собою опір простору між анодом і катодом для змінного струму. Він є величиною, зворотною крутизні

(11.7)

і звичайно складає сотні, а іноді десятки Oм.

Менше значення R_і у більш потужних ламп. При переході на нижню ділянку характеристики значення R_і зростає, прямуючи до нескінченності в початковій точці характеристики.

Визначення R_і з характеристики аналогічно визначенню крутизни. Найбільш зручний метод двох точок.

Не слід змішувати опір R_і із внутрішнім опором діода для постійного струму R₀

(11.8)

Звичайний опір R₀ трохи більший за R_і. Із закону степені трьох других випливає, що R₀= 3/2 R_і, але практичне співвідношення може бути іншим. Значення R_і тим менше, чим менша відстань анод - катод і чим більша діюча площа анода.