真空管二极管详解：功能、历史与现代应用
金属外壳真空管二极管
近年来，我们在电气设备领域看到了许多技术进步。如今，我们可以找到大量晶体管构建逻辑门并实现计算。
但在晶体管和直流电发明之前，计算机就已存在。尽管这种最早形式的计算机非常庞大，占据整个房间，在 20 世纪重达数千磅。
真空管二极管是这些庞然大物计算机中晶体管的角色。尽管晶体管主导现代电子设备世界，真空二极管仍有其用途。
因此，在本文中，我们将展示关于真空管二极管的一切，包括其工作原理、类型、PCB 应用及特性。
让我们开始！
真空管
什么是真空管二极管？
在晶体管约翰·安布罗斯·弗莱明爵士时代之前，安布罗斯·弗莱明于 1904 年创造了我们所知的真空管。李·德·福雷斯特爵士（17 世纪）是另一个值得关注的名字，特别是关于无线电和与真空管二极管相关的灯丝。
真空管是一种器件，它阻挡电流中单个电子从一个方向（阳极到阴极）流动，同时允许电流在另一个方向（阴极到阳极）流动。
现在，真空二极管是产生和控制自由电子的最简单形式的真空管。此外，真空二极管有两个电极，我们称为阴极和阳极。阳极作为电子收集器，而阴极作为电子发射器。它也作为 1.4 伏灯丝工作，支持加热和细长灯丝的一向阀。
此外，阴极在静电场放电期间可以是正电极或负电极。换句话说，它具有良好的场发射特性。
阳极是由镍或铁制成的中空金属圆柱体。然而，在高功率情况下，您会发现由钼、石墨或钽制成的阳极，因为高功率事件可能损坏镍或铁阳极。此外，阳极比阴极大，可在不大幅升温的情况下散热。因此，您不能将阳极视为弱电流器件。
另一方面，阴极由简单的钨丝或氧化钍钨组成。此外，带有场线的阴极可以是氧化钡或氧化锶涂层镍管。而且，氧化物涂层阴极显示更好的发射效率。
真空管二极管如何工作
在研究真空二极管如何工作时，了解电子从表面逸出的有效性很重要。
加热材料每单位面积发射的电子流数量与常数 'b' 和绝对温度有关。常数 'b' 表示初级电子逃离表面所做的功。
因此，由此我们可以推导出离开外表面电流的方程为：
I = AT²ε (–b/T)
离开外表面电流的方程
其中：
I – 电流，单位安培
A – 发射材料种类的常数
T – 绝对温度（度）
b – 电子离开外表面所需的功
沃尔特·H·肖特基和托马斯·爱迪生的发明支持上述方程。
高真空管二极管
大部分情况下，真空热离子管二极管像现代管子一样工作。但尺寸更大。此外，它具有真空容器，阳极和阴极跨接电压源。
阳极和阴极电压
阳极（正极）处理正电压。因此，它基于热离子发射原理工作。此外，灯丝加热阴极（负极）并允许电子发射。这些发射的电子随后被阳极吸引。然而，如果阳极接收的正电压不足，它不会吸引来自阴极的电子。
电气灯丝
因此，一个不可见的电子云将在阳极和阴极之间的空间积累，形成空间电荷。空间电荷排斥离开阴极的其他电子。因此，阻止电子发射和电流通过电路。
但是，如果施加在阳极和阴极之间的电源电压足够高，空间电荷效应将逐渐中和。这样，电子流向阳极将变得自由。因此，电子可以穿过真空管玻璃外壳内的真空移动。因此，没有任何东西阻挡电子发射，允许电流从阳极自由流向阴极。
此外，随着施加在阳极上的电压增加，电流也会增加。最终，空间电荷完全消失，阳极达到来自阴极的最大发射。
注意：
增加阴极电子发射的唯一方法是提高阴极温度。这也会增加电子能量，允许更多电子离开阴极。
虽然真空二极管的所有区域都有空间电荷，但在阴极区域尤为重要。为什么？因为它决定了关键要素——包括最大发射。
相反，如果阳极处理负电压，将没有电子流动——因为它不会发热。此外，离开加热阴极射线管的电子不会移动到阳极。此过程在阳极和阴极射线管之间积累强空间电荷。由于空间电荷的强烈排斥，所有电子移回阴极。因此，电路中无电流流动。
真空二极管特性
以下是真空管二极管的一些特性。
二极管作为整流器
当向阳极施加交流电时，其极性在正半周保持正极。因此，电子可流向阳极。此外，在负半周期间，极板保持负极，终止阳极电流。
因此，这表明真空管二极管仅允许阳极电流单向流动并产生整流输出电流。这与带有加热电压或反向电压的热离子二极管或半导体二极管配合得更好。
二极管整流器
两种阴极类型
真空管二极管可使用两种阴极类型：
直接加热阴极
这里，阴极也用作灯丝。因此，您可以称之为灯丝型阴极。
间接加热阴极
这里，阴极有涂有氧化物的薄金属套。套筒用作阴极，并有一根与套筒电气隔离的钨丝。
空间电荷
空间电荷是真空管二极管的重要特性。当阴极发射电子时，阳极上会出现正电荷。它允许阳极吸引电子并在真空管外壳中产生空间电荷。
阴极材料
以下是两种常见的阴极材料：
钨
钨由纯金属组成，功函数为 4.54 eV。您可以在 2500®K 下安全操作此材料，并用于大功率管、热离子真空管或行波管。
钨棒
氧化钍钨
此材料用于直接加热阴极。它支持约 700®C 至 750®C 的低温电子。您可以高效率、小加热功率操作此材料。
真空管二极管类型
真空二极管管类型有六种分类，包括：
- 频率范围真空二极管（无线电发射机、微波、音频）
微波
- 功率额定真空二极管（音频功率、小信号），具有均匀场
- 阴极/灯丝型真空二极管
- 特殊功能真空二极管（光探测器）
- 应用真空二极管（发射管或接收管）
- 特殊参数真空二极管（低噪声音频放大）
应用
真空管二极管的应用包括：
- 原子钟
- X 射线管
- 收音机
- 栅极偏置电池
- 音频系统
- 稳压管
- 控制电极
- 三极管放大器
- 电子放大器
- 消费电子应用
- 高速电路切换
- 速调管
- 离子推进系统
- 电子设备
- 电池供电设备
- 专业音频设备
- 无线电通信
- 太阳能集热器
- 微波系统
- 军事系统（高压供电）
- 手机、蓝牙和 Wi-Fi 微波元件
- 蜂窝电话卫星
- 粒子加速器
- 光电倍增管
- 频闪灯
- 半导体真空电子系统
- 真空电子器件
- 真空面板显示器
结束语
尽管世界现在由晶体管驱动，真空二极管仍有其用途。或许真空二极管最突出的现代用途是在音乐领域。大多数音响发烧友更喜欢真空管电子放大器的音质，而非半导体放大器。
单外壳真空管
另一个显著应用是大功率射频发射机。真空管二极管产生的功率比半导体对应器件更大。因此，您会在 MRI 扫描仪、粒子加速器甚至微波炉中找到真空管。本文到此结束。如果您有任何问题，请随时联系我们。我们将乐意提供帮助。
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