Dioda
Nejjednodušší elektronkou je dioda; má pouze dvě elektrody, katodu a anodu. Na charakteristice diody (závislost anodového proudu na napětí mezi anodou a katodou) můžeme rozlišit následující oblasti:
Obr. 1. Charakteristika vakuové diody
Pokud je mezi anodou a katodou menší napětí než cca -1,5V (anoda je záporná vůči katodě), neprochází mezi elektrodami prakticky žádný proud.
Pokud je napětí vyšší než uvedených -1,5V, začne elektronkou protékat velmi malý, takzvaný náběhový proud. Je způsoben tím, že elektrony, emitované katodou, nemají stejnou rychlost a nejrychlejší z nich jsou schopné dosáhnout anody i při malém záporném napětí mezi ní a katodou. Vliv teploty katody a anodového napětí na anodový proud je v této oblasti značný.
Když napětí mezi anodou a katodou dále zvyšujeme, takže je vyšší než 0V, dostaneme se do oblasti prostorového náboje. Při práci v této oblasti emituje katoda značně více elektronů, než jich je třeba pro vytvoření anodového proudu. Kolem katody tedy vzniká jakýsi mrak elektronů. Tento záporně nabitý prostor způsobí, že další emitované elektrony jsou odpuzovány zpět do katody. Vzroste-li napětí mezi anodou a katodou, odčerpá se více elektronů, přebytek emitovaných elektronů klesne, negativně nabitý oblak se zmenší a umožní rychlejší doplnění novými elektrony. Závislost anodového proudu na napětí je v této oblasti značná, ale teplota katody ovlivňuje anodový proud jen málo. Práce v oblasti prostorového náboje se nejvíce využívá.
Zvyšujeme-li napětí mezi anodou a katodou ještě více, dojde k tomu, že anoda odčerpá všechny emitované elektrony. Dosáhne se takzvané oblasti nasycení, kdy napětí mezi anodou a katodou ovlivňuje anodový proud jen slabě. Hodnota nasyceného proudu velmi závisí na teplotě katody, při vzrůstu teploty o 1% vzroste nasycený proud u oxydové katody o 10%, u katody z čistého wolframu o 25%. Trvale je práce v této oblasti možná jen u elektronek s katodou z čistého wolframu, kysličníkové katody mají tak vysoké nasycené proudy, že by se jimi přehřála a poškodila emisní vrstva.
Použití diod
Nečastěji se diod používá k usměrnění střídavého napětí. Mohou to být napětí síťové i velmi vysoké frekvence (až do několika GHz).
Diody, používané v běžných síťových usměrňovačích obsahují většinou v jedné baňce dva systémy se společnou katodou. Jsou buď přímo (GZ34, 5AR4, 5Y3, 5U4) nebo nepřímo (EZ81, 6X4) žhavené. Přímo žhavené elektronky vyžadují zvláštní žhavicí vinutí, nepřímo žhavené elektronky lze zpravidla žhavit ze stejného vinutí jako ostatní elektronky. Používají se i jednoduché usměrňovací diody, určené zejména pro tzv. univerzální rozhlasové přijímače (UY1N) nebo pro televizory (PY82).
Dalším příkladem použití diod jsou AM a FM demodulátory v rozhlasových přijímačích. Diody mohou být buď samostatné (AB2, EAA91, EAB1, 6B31), nebo jsou součástí sdružené elektronky (EBF89, 6AV6, EABC80).
Také v sondách elektronkových voltmetrů se používají vakuové diody; do kmitočtů desítek MHz diody běžné konstrukce (EAA91), pro kmitočty řádu stovek MHz pak diody s rovinnými elektrodami a diskovými vývody (EA52, 2-01C, 6Д13Д).
Výroba televizních přijímačů si vyžádala dva speciální druhy diod. V řádkovém koncovém stupni používané účinnostní diody (PY83, PY88, PY500) mají vysoký dovolený anodový proud (stovky mA) a vysoké inverzní napětí a dovolené napětí mezi žhavicím vláknem a katodou, obojí v řádu několika kV. Druhým typem diody, používaným v televizních přijímačích je vysokonapěťová usměrňovací dioda (DY51, DY86, DY87, 3Ц22С). Usměrňuje napěťový impuls, vznikající ve vinutí řádkového transformátoru při zpětném běhu. Získané vysoké stejnosměrné napětí (10÷25kV) pak napájí anodu obrazovky. Tyto diody jsou žhaveny z řádkového transformátoru.
Vakuové diody je také možné použít v omezovačích, modulátorech a směšovačích.
Všechny zatím popsané diody mají oxidovou katodu a pracují v oblasti prostorového náboje. V oblasti nasyceného proudu pracují diody s wolframovou katodou, které se používají zvláště pro dva účely.
Prvním z nich je stabilizace střídavého napětí. Hodnota nasyceného proudu wolframové katody velmi závisí -jak jsme si uvedli výše- na teplotě katody. Teplota katody přímo závisí na žhavicím příkonu, čili na efektivních hodnotách proudu nebo napětí. Proto se taková dioda hodí za čidlo pro stabilizátory síťového napětí. Příkladem může být dioda TESLA RA0007A, použitá v řadě výrobků firmy Křižík, nebo ruský typ 4Д17П.
Druhým případem použití diody s wolframovým vláknem je šumový generátor. V oblasti nasyceného proudu dává taková dioda šumový výkon téměř o dva řády vyšší než šumový výkon odporu, kterým je zatížena. Generátoru je možné použít od kmitočtu cca 10MHz až do stovek MHz (1NA31, K81A, 2Д2С), v extrémních případech až do několika GHz (2Д7С). Výkon šumu se vypočítá z anodového (nasyceného) proudu, který se nastavuje změnou žhavicího napětí.
Plynem plněné výbojky
Zatím jsme předpokládali, že uvnitř diody je vakuum. Je-li dioda naplněna vhodným plynem (argon, xenon, neon, helium), rtuťovými parami nebo jejich směsí, získáme zcela jinou charakteristiku v propustném směru, jak ukazuje Obr. 2.
Obr. 2. Charakteristiky křemíkové (BYX10), rtuťové (AX50) a vakuové (AZ50) diody
Má-li anoda proti katodě napětí několik voltů, protéká obvodem jen velmi malý proud, protože emitovaným elektronům zabraňují v cestě k anodě atomy plynu. Dosáhne-li však anodové napětí jisté hodnoty, nastane v elektronce výboj a prochází jí velký proud, který může být řádově větší, než proud vakuovou diodou stejné velikosti. Tento proces je způsoben tím, že elektrony dosáhnou takové rychlosti, že při srážce atom plynu ionizují. Odštěpený elektron putuje také k anodě a cestou ionizuje další atomy plynu; počet elektronů tedy lavinovitě vzrůstá, až vytvoří mohutný proud.
Napětí výboje závisí na náplni výbojky; u plynem plněných elektronek je v rozsahu cca 8÷32V, u rtuťových bývá kolem 15V. Vnitřní odpor výbojky je ve srovnání s vakuovou diodou velmi malý. Proto je u některých typů výbojek přípustný pouze provoz s induktivním vstupem filtru.
Výbojky plněné parami rtuti mohou pracovat jen v reativně úzkém rozsahu teplot, cca od +15°C do +40°C, u plynem plněných výbojek je rozsah pracovních teplot podstatně širší. Oba druhy výbojek vyžadují jistou dobu nažhavení, než je dovoleno připojit anodové napětí. Doba je závislá na typu elektronky a může být v rozsahu od desítek vteřin do desítek minut.
Příkladem výbojek vyráběných firmou TESLA jsou vysokonapěťové typy DCG4/1000 a UA025A, oba s inverzním napětím 10kV, či dvoucestné nízkonapěťové usměrňovací výbojky 367, 1710 a 1738, určené pro napájení elektromagnetů, motorů, galvanických lázní či k nabíjení akumulátorů.
Obr.3 Schematické značky různých diod
Zleva doprava to jsou:
-jednoduchá nepřímožhavená dioda (PY82, UY1N, EA52)
-dvojitá přímožhavená dioda (AZ1)
-dvojitá přímožhavená rtuťová výbojka (AX1, AX50)
-dvojitá nepřímožhavená dioda (EZ81, 6X4, 6C4P)
-dvojitá nepřímožhavená dioda s oddělenými katodami a stíněním mezi systémy (EAA91)