دیود کاتد داغ (Thermionic Diode / Vacuum Tube Diode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود کاتد داغ (Thermionic Diode / Vacuum Tube Diode) :
دیود کاتد داغ (Thermionic Diode) که با نام دیود لامپ خلأ (Vacuum Tube Diode) نیز شناخته می شود، یک قطعه الکترونیکی است که بر اساس پدیده گسیل گرمایونی (Thermionic Emission) کار می کند. این دیودها پیش از اختراع دیودهای نیمه هادی، عنصر اصلی یکسوسازی در مدارات الکترونیکی بودند و نقش مهمی در توسعه رادیو، تلویزیون و کامپیوترهای اولیه ایفا کردند.
ساختار یک دیود کاتد داغ شامل یک محفظه شیشه ای یا فلزی خلأ (Vacuum Enclosure) است که در آن دو الکترود اصلی قرار دارند: کاتد (Cathode) و آند (Anode یا Plate). کاتد معمولا از جنس تنگستن یا فلز پوشش داده شده با اکسیدهای فلزی ساخته می شود و توسط یک رشته (Filament) گرم می شود. آند یک صفحه فلزی است که دور کاتد قرار دارد و ولتاژ مثبت به آن اعمال می شود.
مکانیزم کار بر اساس گسیل گرمایونی است: وقتی کاتد گرم می شود (تا حدود ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد)، الکترون ها انرژی کافی برای غلبه بر نیروی چسبندگی به سطح فلز را کسب کرده و از کاتد به درون خلأ گسیل می شوند. اگر آند نسبت به کاتد دارای ولتاژ مثبت باشد، این الکترون ها جذب آند شده و جریان الکتریکی برقرار می شود. اگر آند منفی باشد، الکترون ها دفع شده و جریانی برقرار نمی شود. به این ترتیب، لامپ خلأ مانند یک یکسوساز عمل می کند.
دیودهای کاتد داغ دو نوع اصلی دارند: نوع مستقیم گرم (Directly Heated) که در آن رشته خود کاتد است و جریان از همان رشته عبور می کند، و نوع غیرمستقیم گرم (Indirectly Heated) که در آن یک رشته جداگانه (هیتر) کاتد را گرم می کند و کاتد از نظر الکتریکی از هیتر ایزوله است. نوع غیرمستقیم گرم رایج تر است زیرا امکان تغذیه AC هیتر را بدون ایجاد نویز در مدار فراهم می کند.
پارامترهای مهم یک دیود کاتد داغ عبارتند از: حداکثر ولتاژ معکوس (PIV - Peak Inverse Voltage)، حداکثر جریان آند (Peak Anode Current)، ولتاژ رشته (Heater Voltage) و جریان رشته (Heater Current)، و ولتاژ آند (Plate Voltage). دیودهای قدرتمند می توانند ولتاژهای معکوس تا چند ده کیلوولت و جریان های چند آمپر را تحمل کنند.
کاربرد اصلی دیود کاتد داغ در یکسوسازی جریان متناوب (AC to DC Conversion) در منابع تغذیه قدیمی (مانند رادیوها و تلویزیون های لامپی) بود. از آنها همچنین در آشکارسازهای رادیویی، مدارات کلمپ (Clamping Circuits) و به عنوان عناصر حفاظتی استفاده می شد. در برخی تجهیزات صوتی باکیفیت (Hi-End Audio) هنوز هم از لامپ های خلأ به دلیل اعوجاج هارمونیک دلپذیر آنها استفاده می شود.
مزایای دیودهای کاتد داغ نسبت به دیودهای نیمه هادی شامل مقاومت بسیار بالا در برابر نوسانات ولتاژ (Transients) و عدم حساسیت به تخلیه الکترواستاتیک (ESD) است. آنها همچنین می توانند ولتاژهای معکوس بسیار بالا (تا ۵۰ کیلوولت) را به راحتی تحمل کنند. در شرایط اضافه بار، معمولا نمی سوزند بلکه فقط ولتاژشان افت می کند.
معایب اصلی دیودهای کاتد داغ عبارتند از: ابعاد بزرگ، وزن زیاد، مصرف انرژی بالا (برای گرم کردن کاتد)، تولید گرمای زیاد، طول عمر محدود (معمولا چند هزار ساعت)، و نیاز به زمان گرم شدن (Warm-up Time) قبل از شروع به کار. این معایب باعث شد با اختراع دیودهای نیمه هادی در دهه ۱۹۵۰، دیودهای کاتد داغ به تدریج از اکثر کاربردها کنار گذاشته شوند.
دیودهای کاتد داغ معروف شامل سری 5U4، 5Y3، 6AL5، و 6H6 هستند. دیود 5U4 یکسوساز پرکاربردی در منابع تغذیه لامپی با جریان بالا بود. دیود 6AL5 یک دیود سیگنال کوچک با دو دیود در یک محفظه (Dual Diode) بود که در آشکارسازها و مدارات رادیویی استفاده می شد.
در برخی کاربردهای خاص مانند تقویت کننده های گیتار (Guitar Amplifiers) و تجهیزات صوتی Hi-End، دیودهای کاتد داغ هنوز هم استفاده می شوند. بسیاری از نوازندگان گیتار صدای لامپی را به صدای ترانزیستوری ترجیح می دهند. در این کاربردها، دیودهای کاتد داغ در یکسوسازی منبع تغذیه و ایجاد ولتاژهای بالا مورد نیاز برای لامپ های تقویت کننده نقش دارند.
در نهایت، دیود کاتد داغ یک قطعه کلیدی در تاریخ الکترونیک است که راه را برای توسعه رادیو، تلویزیون و کامپیوترهای اولیه هموار کرد. اگرچه امروزه کاربرد اصلی خود را به نیمه هادی ها واگذار کرده است، اما همچنان در حوزه های خاص و برای علاقه مندان به الکترونیک قدیمی، جایگاه ویژه ای دارد. مطالعه این دیودها به درک بهتر پیشرفت فناوری و اصول فیزیک الکترونیک کمک می کند.
