ΑΣΚΗΣΗ 7 Θερµοϊονικό φαινόµενο - ίοδος λυχνία ΣΥΣΚΕΥΕΣ : Πηγή συνεχούς 0-50 Volts, πηγή 6V/2A, βολτόµετρο συνεχούς, αµπερόµετρο συνεχούς, βολτόµετρο, ροοστάτης. ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Όταν η θερµοκρασία ενός µετάλλου γίνει αρκετά υψηλή µερικά από τα ηλεκτρόνια, παίρνουν αρκετή ενέργεια, ξεπερνούν το φράγµα δυναµικού και εξέρχονται από το µέταλλο. Το φαινόµενο αυτό είναι ένα είδος "εξάτµισης" των ελευθέρων ηλεκτρονίων και ονοµάζεται θερµική εκποµπή ηλεκτρονίων ή Θερµοϊονικό Φαινόµενο. Παρατηρείται εύκολα εάν τοποθετήσουµε µέσα σ' ένα αερόκενο γυάλινο σωλήνα ένα µέταλλο που καταλήγει σε δύο ακροδέκτες. Όταν θερµανθεί το νήµα Κ π.χ. µε ηλεκτρικό ρεύµα αρκετής έντασης, εκπέµπει ηλεκτρόνια. Με την έξοδο όµως των ηλεκτρονίων από το µέταλλο αυτό γίνεται θετικό και έλκει πίσω τα ηλεκτρόνια. Σε λίγο αποκαθίσταται δυναµική ισορροπία κατά την οποία όσα ηλεκτρόνια βγαίνουν από το µέταλλο στην µονάδα του χρόνου τόσα και επιστρέφουν. Έτσι δηµιουργείται γύρω από το µέταλλο ένα "νέφος" ηλεκτρονίων που ονοµάζεται φορτίο χώρου. Εάν τώρα µέσα στον σωλήνα τοποθετήσουµε και ένα δεύτερο ηλεκτρόδιο Α µε θετικό δυναµικό ως προς το νήµα τα ηλεκτρόνια µε την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου οδεύουν προς το ηλεκτρόδιο Α. ηµιουργείται λοιπόν µια συνεχής ροή ηλεκτρονίων από το νήµα K προς το ηλεκτρόδιο Α. Για να διατηρείται το ηλεκτρόδιο Α διαρκώς θετικό ως προς το K το συνδέουµε µε τον θετικό πόλο µιας πηγής και το Κ µε τον αρνητικό της πόλο. Η διάταξη αυτή ονοµάζεται δίοδος ηλεκτρονική λυχνία. Το Κ που εκπέµπει τα ηλεκτρόνια ονοµάζεται κάθοδος. Το ηλεκτρόδιο Α που έλκει τα ηλεκτρόνια ονοµάζεται άνοδος. Η τάση µεταξύ ανόδου και καθόδου ανοδική τάση (V α ). Το ρεύµα Ι α που διαρρέει το ανοδικό κύκλωµα ανοδικό ρεύµα. Η τάση V θ που επικρατεί στα άκρα του νήµατος τάση θέρµανσης. Εάν τώρα στη δίοδο λυχνία εφαρµόσουµε αρνητική ανοδική τάση το ανοδικό ρεύµα µηδενίζεται. Απ' αυτήν την χαρακτηριστική ιδιότητα της διόδου προκύπτει και η χρησιµοποίηση σαν ανορθώτρια του εναλλασσοµένου ρεύµατος. 38
Οι Richardson και Dushman, µελέτησαν το θερµοϊονικό φαινόµενο και διετύπωσαν την σχέση που συνδέει την ανά µονάδα επιφάνειας εκπεµπόµενη ένταση του ηλεκτρονικού ρεύµατος µε την θερµοκρασία του νήµατος και την φύση του µετάλλου. Ι εκ = Α Τ 2 e -b/kt όπου Α = σταθερά ίση µε 120,4 Αµπέρ ανά τετραγωνικό µέτρο επιφάνειας και ανά grad 2. Κ = σταθερά Boltzmann. Τ = απόλυτη θερµοκρασία ( o Κ = 273 + o C). e = 2,718 η βάση των φυσικών λογαρίθµων. b = το έργο εξαγωγής του µετάλλου Ο τύπος των Richardson Dushman δίδει το µέγιστο δυνατό ρεύµα που µπορεί να δώσει µια µεταλλική επιφάνεια σε ορισµένη θερµοκρασία (ρεύµα κόρου). Απ' αυτόν τον τύπο βλέπουµε ότι η ένταση του θερµοϊονικού ρεύµατος εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από τη θερµοκρασία της καθόδου. Χαρακτηριστική της διόδου Η καµπύλη Ι α = f(v α ) λέγεται χαρακτηριστική µιας διόδου στο συνεχές ή D.C. χαρακτηριστική. Η χρησιµοποιούµενη διάταξη φαίνεται στο σχ. 2. Εάν γίνουν σειρές µετρήσεων για διάφορες τάσεις V θ µπορούµε να χαράξουµε 39
ένα σµήνος χαρακτηριστικών καµπυλών Ι α = f(v α ) µε παράµετρο την τάση θέρµανσης V θ σχ. 2 Πειραµατική διάταξη, µετρήσεις και χάραξη χαρακτηριστικής Ια = f(vα). Από την µορφή της χαρακτηριστικής φαίνεται ότι η δίοδος λυχνία δεν είναι γραµµικός αγωγός. Η χαρακτηριστική καµπύλη της διόδου χωρίζεται σε τρεις περιοχές (σχ.3) που ακολουθούν διαφορετικούς νόµους. ΑΒ: Περιοχή ρεύµατος ορµής. Στην περιοχή αυτή, αντίθετα απ' ότι θα περίµενε κανείς έχουµε ένα ασθενές ανοδικό ρεύµα, αν και η ανοδική τάση είναι αρνητική. Αυτό οφείλεται στην αρχική ταχύτητα των ηλεκτρονίων η οποία επιτρέπει στα ταχύτερα απ' αυτά να φτάσουν στην άνοδο χωρίς την παρουσία του επιταχύνοντος ανοδικού δυναµικού. Ονοµάζεται ρεύµα ορµής και λαµβάνεται υπόψη στον σχεδιασµό ενισχυτικών διατάξεων, γιατί πολλές 40
φορές οι τιµές του είναι δυνατόν να βλάψουν την κανονική λειτουργία της λυχνίας (τρίοδοι, τέτροδοι κ.λ.π.). ΒΓ: Περιοχή Χώρου. Το ανοδικό ρεύµα οφείλεται στα φορτία χώρου. Αυτό το φορτίο προκαλεί µεταβολή του αρχικού πεδίου που καθορίζεται από το σχήµα και την θέση των ηλεκτροδίων. Η πυκνότητα του φορτίου χώρου είναι µεγάλη γύρω από την κάθοδο, διότι εκεί τα ηλεκτρόνια έχουν ακόµη µικρή ταχύτητα. Στην περιοχή αυτή της καµπύλης το ανοδικό ρεύµα είναι µικρότερο του ρεύµατος εκποµπής και δεν εξαρτάται από την θερµοκρασία αλλά µόνο από την αρχική τάση. Αυτό φαίνεται και στο διάγραµµα του σχ.3 όπου στην περιοχή του φορτίου χώρου, συµπίπτουν οι δύο χαρακτηριστικές καµπύλες. ΑΒ: Περιοχή ρεύµατος ορµής ΒΓ: περιοχή φορτίων χώρου Γ : περιοχή κόρου σχ.3 θέρµανσης. Χαρακτηριστικές της διόδου για δύο διαφορετικές τάσεις Γ : Περιοχή Κόρου. Η άνοδος έχει αρκετά υψηλό δυναµικό και απορροφά όλα τα εκπεµπόµενα ηλεκτρόνια από την κάθοδο. (ανοδικό ρεύµα = ρεύµα εκποµπής ). Αύξηση της τιµής του ρεύµατος µπορεί να γίνει µόνο µε αύξηση της θερµοκρασίας της καθόδου. Αυτή η ανεξαρτησία του ρεύµατος από την ανοδική τάση δεν είναι απόλυτη επειδή η καµπύλη παρουσιάζει µια ελαφρά κλίση προς τα επάνω. 41
Όταν αυξηθεί πάρα πολύ η ανοδική τάση είναι δυνατόν να αποσπαστούν ηλεκτρόνια βοηθούµενα από το ισχυρό ανοδικό πεδίο. Έτσι µετά, από κάποια τιµή της V α το ρεύµα αυξάνεται απότοµα και η λυχνία µπορεί να καταστραφεί. Εσωτερική αντίσταση της διόδου Η χαρακτηριστική Ι α =f(v α ) δίνει πληροφορίες για την εσωτερική αντίσταση της λυχνίας. Ονοµάζεται στατική εσωτερική αντίσταση της διόδου R, ή αντίσταση στο συνεχές, ο λόγος της εκάστοτε ανοδικής τάσης V α προς το αντίστοιχο ανοδικό ρεύµα Ι α. Ι Σ Σ V Σ Για να βρω τη στατική εσωτερική αντίσταση R σε ένα σηµείο Σ της χαρακτηριστικής Ι α =f(v α ) βρίσκω την τάση V Σ που αντιστοιχεί στο Σ και το αντίστοιχο ρεύµα Ι Σ και τα διαιρώ. VΣ R = I Ονοµάζεται δυναµική εσωτερική αντίσταση της διόδου ρ, ή αντίσταση στο dv α εναλλασσόµενο, ο λόγος δηλαδή η παράγωγος της ανοδικής τάσης Vα di α ως προς το ανοδικό ρεύµα Ι α. Για να βρω τη δυναµική εσωτερική αντίσταση ρ σε ένα σηµείο Σ της χαρακτηριστικής Ι α =f(v α ) φέρνω εφαπτοµένη στο σηµείο, παίρνω δύο σηµεία Σ 42
Α,Γ πάνω στην εφαπτοµένη αποµακρυσµένα και φτιάχνω το ορθογώνιο τρίγωνο ΑΓΒ. Τότε : ΑΒ ρ= ΒΓ Η R είναι χρήσιµη όταν µελετάµε την λειτουργία της λυχνίας υπό συνεχή τάση, ενώ η ρ σε περιπτώσεις που προστίθεται στην συνεχή τάση µια εναλλασσόµενη συνιστώσα µικρότερης τιµής όπως συµβαίνει στις κλασσικές εφαρµογές της διόδου σε κυκλώµατα φώρασης και ανόρθωσης. Εφαρµογές της διόδου Η δίοδος χρησιµοποιείτο για την αποδιαµόρφωση (φώραση) των σηµάτων υψηλής συχνότητας στους δέκτες για ανόρθωση εναλλασσόµενων ρευµάτων σε συνεχή. Επίσης έβρισκε εφαρµογές σε πολλές σύγχρονες διατάξεις διακοπής, µεταγωγής και ρύθµισης, όπως στις ηλεκτρονικές υπολογιστικές µηχανές, σε συστήµατα αυτοµατισµού κ.α. Σήµερα έχει αντικατασταθεί από την κρυσταλλοδίοδο και χρησιµοποιείται πλέον µόνο σε ειδικές περιπτώσεις. Όµως το θερµοϊονικό φαινόµενο έχει ευρεία εφαρµογή π.χ. στις οθόνες της τηλεόρασης. ΠΟΡΕΙΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 1) Πραγµατοποιούµε το παρακάτω κύκλωµα. 2) Με σταθερή την τάση θέρµανσης V θ =... µεταβάλλουµε 43
την ανοδική τάση V α και µετρούµε την αντίστοιχη ένταση Ι α. Καταχωρούµε τις µετρήσεις στον παρακάτω πίνακα αρχίζοντας από την τιµή V α =0. Επαναλαµβάνουµε την ίδια εργασία για τάση θέρµανσης V θ =... 3) Χαράζουµε στο ίδιο χιλιοστοµετρικό χαρτί και στους ίδιους άξονες τις αντίστοιχες χαρακτηριστικές. 4) Υπολογίζουµε την στατική εσωτερική αντίσταση R και την δυναµική εσωτερική αντίσταση ρ της διόδου για ένα σηµείο στο µέσο περίπου της περιοχής χώρου. 5) Η δίοδος ηλεκτρονική λυχνία είναι γραµµικός αγωγός; V θ = V θ = V α (V) I α (ma) I α (ma) 0 1 2 3 4 6 8 10 15 20 25 30 40 44