В выпускаемых в настоящее время лампах (рис. 63) катод чаще всего располагают на вертикальной оси колбы, а анод, имеющий форму цилиндра, окружает катод со всех сторон.
Рис. 63. Устройство диода.
1 — нить накала; 2 — катод; 3 — анод.
Н. — А для чего может служить диод?
Л. — Представь себе, что ты ошибся: перепутал полюсы при включении батареи для создания напряжения между катодом и анодом. Анод стал отрицательным по отношению к катоду. Что тогда произойдет?
Н. — Став отрицательным, анод вместо того, чтобы притягивать испускаемые катодом электроны, станет их отталкивать. Следовательно, через диод ток протекать не будет.
Л. — Верно, а теперь предположим, что вместо батареи ты включил между электродами диода источник переменного напряжения.
Н. — Хорошо. Я вижу, к чему ты хочешь меня подвести. В этом случае при полупериодах, делающих анод положительным, от катода к аноду будет протекать ток. А при полупериодах, делающих анод отрицательным, тока не будет.
Л. — Как ты видишь, наш диод пропускает ток лишь в одном направлении и позволяет выпрямлять переменный ток. Эта способность выпрямлять ток — очень ценное для радиотелефонии качество. Ты помнишь, какую форму имеет несущий высокочастотный ток, модулированный токами низкой частоты, полученными в результате преобразования звуков в электрические сигналы. Такой модулированный ток наводит во входном настроенном контуре приемника напряжение такой же формы.
Приложим это напряжение между анодом и катодом диода. Оно будет выпрямлено; через диод пройдут только те полупериоды, при которых анод становится положительным.
Пропустим полученный таким образом ток через телефон, включенный параллельно конденсатору (рис. 64). Емкость этого конденсатора примет на себя полупериоды высокой частоты и таким образом восстановит ток низкой частоты, содержащий передаваемые по радио звуки. Ты услышишь их в телефоне. Такой приемник называют детекторным. В этом случае диод детектирует ток высокой частоты. Благодаря такому детектированию из тока высокой частоты выделяется использовавшийся для его модуляции ток низкой частоты.
Рис. 64. Схема детекторного приемника (а) и формы токов (б).
1 — модулированный высокочастотный ток, наведенный в антенне; 2 — продетектированный диодом ток; 3 — ток низкой частоты, выделенный конденсатором С.
Н. — Одним словом, если я правильно понял, основная роль диода заключается в выпрямлении тока, что позволяет детектировать токи, наведенные радиоволнами.
Л. — Да, и попутно отметь, что детектировать можно не только электровакуумным диодом, но и любым другим устройством, способным выпрямлять ток.
Комментарий профессора Радиоля
ОТ ЭЛЕКТРОВАКУУМНОГО ДИОДА К ТРИОДУ
Профессор Радиоль прежде всего дополняет объяснения своего племянника и дает некоторые уточнения относительно работы электровакуумного диода. Затем он описывает устройство триода, его основные параметры, характеристики и рассматривает возможность его использования для усиления токов высокой частоты.
Я с удовольствием отмечаю, Незнайкин, что ты очень хорошо понял принцип работы электронного диода. К рассказу моего племянника я добавлю несколько уточнений. И прежде всего приведу цифры.
Температура и вакуум
Сначала я скажу тебе, до какой температуры нужно нагревать катоды. В лампах с непосредственным накалом катод часто изготовляют из вольфрама — он раскаляется до температуры 2000 °C. В лампах с косвенным накалом окислы хорошо испускают электроны при менее высоких температурах, обычно между 800 и 900 °C.
Любознайкин сказал тебе, что в лампе создастся вакуум. Действительно, количество воздуха уменьшают в десяток миллиардов раз. Однако даже при таком низком давлении в лампе содержатся десятки триллионов молекул воздуха. В каждом кубическом миллиметре их насчитывается около 80000.
Успокойся: плотность молекул в этих условиях ничтожна. Ведь размеры молекул настолько микроскопические, что среднее расстояние между двумя соседними молекулами в 20 000 раз больше их диаметра. Это означает, что электроны свободно преодолевают расстояние между катодом и анодом, не сталкиваясь с молекулами воздуха. И это очень важно. Так как если электрон проникает в одну из молекул, то своим присутствием и своим зарядом делает, ее отрицательной. Тогда говорят, что молекула ионизирована отрицательно. Превратившаяся таким образом в ион молекула притягивается анодом, который заряжает ее положительно. А слой молекул воздуха, который может образоваться в результате таких процессов вокруг анода, совершенно нежелателен.
Насыщение тока
Какова скорость, с которой электроны пролетают пустое пространство между катодом и анодом? Они не встречают никакого препятствия и поэтому преодолевают это пространство с приличной скоростью. Если анод имеет потенциал Ua = 200 В относительно катода, скорость движения электронов составляет 9000 км/с. Как ты помнишь, в проводниках индивидуальная скорость электронов (не путай со скоростью всей массы электронов, образующей электрический ток) несколько ниже.
А теперь перейдем к определению величины анодного тока. Она, разумеется, зависит от напряжения Ua между анодом и катодом. Чем выше положительный потенциал анода относительно катода, тем сильнее притягивает он испускаемые катодом электроны, тем больше величина протекающего тока. Здесь мы еще раз видим цепь, подчиняющуюся закону Ома (рис. 65).
Рис. 65. Изменение анодного тока в зависимости от изменения напряжения между анодом и катодом. Достигнув насыщения в точке S, ток больше не увеличивается.
Однако при повышении напряжения Ua за пределы некоторой величины этот закон перестает действовать. При этом анодный ток Iа достигает насыщения: все испускаемые катодом электроны притягиваются анодом. Можно сколько угодно повышать потенциал анода, но ток при этом не возрастет.
Двухтактное детектирование
Любознайкин, ты объяснил, что благодаря своей способности выпрямлять ток диод может служить детектором. И ты показал, как из модулированного по амплитуде напряжения ВЧ диод выделяет ток НЧ, использовавшийся для модуляции. Это детектирование можно осуществить еще более эффективно, если использовать два диода, включенных так, как показано на нарисованной мною схеме (рис. 66). В этой схеме каждый из диодов выпрямляет один из двух полупериодов. Если один полупериод делает положительным анод верхнего (по схеме) диода, то следующий полупериод делает положительным анод нижнего (по схеме) диода. Токи, выпрямленные каждым из диодов, протекают но катушкам телефона в одном и том же направлении.
Рис. 66. Схема, позволяющая выпрямлять оба полупериода высокой частоты (а), и форма токов (б).
1 — модулированный высокочастотный ток, наведенный в антенне; 2 — продетектированный диодом ток; 3 — ток низкой частоты, выделенный конденсатором С.
Действие сетки
Перейдем теперь от диода к триоду. Для этой цели поставим между катодом и анодом третий электрод — сетку. Таким электродом может служить цилиндрическая спираль, установленная вокруг катода, или решетка с узкими ячейками. Если мы станем изменять потенциал такой сетки относительно потенциала катода, то этот электрод окажет сильное влияние на величину анодного тока. Чем больше будет отрицательное напряжение на сетке, тем сильнее станет она отталкивать испускаемые катодом электроны и больше будет им мешать достичь анода. И наоборот, если зарядить сетку положительно относительно катода, то, притягивая вылетающие с катода электроны, она ускорит их движение и анодный ток возрастет.
Однако, будучи положительной, сетка не только помогает аноду, но одновременно выступает его конкурентом, сама поглощая некоторое количество электронов. Возникающий таким образом сеточный ток совершенно нежелателен. Поэтому для предотвращения его возникновения на сетку подают смещение — небольшой постоянный и отрицательный относительно катода потенциал. Потенциал сетки изменяют относительно потенциала смещения, но при этом не допускают, чтобы сетка стала положительной.
