Tubo vacío

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Tubos de vacío termoiónicos posteriores, en su mayoría de estilo miniatura, algunos con conexiones de tapa superior para voltajes más altos

Un tubo de vacío , tubo de electrones , [1] [2] [3] válvula (uso británico) o tubo (Norteamérica), [4] es un dispositivo que controla el flujo de corriente eléctrica en un alto vacío entre electrodos a los que se conecta una corriente eléctrica . se ha aplicado la diferencia de potencial .

El tipo conocido como tubo termoiónico o válvula termoiónica utiliza la emisión termoiónica de electrones desde un cátodo caliente para funciones electrónicas fundamentales como la amplificación de señales y la rectificación de corriente . Sin embargo, los tipos no termoiónicos, como un fototubo de vacío , logran la emisión de electrones a través del efecto fotoeléctrico y se utilizan para fines tales como la detección de intensidades de luz. En ambos tipos, los electrones son acelerados desde el cátodo al ánodo por el campo eléctrico en el tubo.

Amplificador de potencia de audio mediante válvulas, en funcionamiento. El brillo rojo anaranjado proviene de filamentos calentados.
Ilustración que representa un tubo de vacío de triodo primitivo y las polaridades de los potenciales operativos de CC típicos. No se muestran las impedancias (resistencias o inductores) que se incluirían en serie con las fuentes de voltaje C y B.

El tubo de vacío más simple, el diodo , inventado en 1904 por John Ambrose Fleming , contiene solo un cátodo emisor de electrones calentado y un ánodo. Los electrones solo pueden fluir en una dirección a través del dispositivo: del cátodo al ánodo. Agregar una o más rejillas de control dentro del tubo permite que la corriente entre el cátodo y el ánodo sea controlada por el voltaje en las rejillas. [5]

Estos dispositivos se convirtieron en un componente clave de los circuitos electrónicos durante la primera mitad del siglo XX. Fueron cruciales para el desarrollo de la radio , la televisión , el radar , la grabación y reproducción de sonido , las redes telefónicas de larga distancia y las primeras computadoras analógicas y digitales . Aunque algunas aplicaciones habían utilizado tecnologías anteriores, como el transmisor de chispa para radio o las computadoras mecánicas para computación, fue la invención del tubo de vacío termoiónico lo que hizo que estas tecnologías se generalizaran y fueran prácticas, y creó la disciplina de la electrónica . [6]

En la década de 1940, la invención de los dispositivos semiconductores hizo posible producir dispositivos de estado sólido , que son más pequeños, eficientes, confiables, duraderos, seguros y económicos que los tubos termoiónicos. A partir de mediados de la década de 1960, los tubos termoiónicos fueron reemplazados por el transistor . Sin embargo, el tubo de rayos catódicos (CRT) siguió siendo la base de los monitores de televisión y los osciloscopios hasta principios del siglo XXI. Los tubos termoiónicos todavía se usan en algunas aplicaciones, como el magnetrón que se usa en los hornos de microondas, ciertos amplificadores de alta frecuencia y amplificadores que los entusiastas del audio prefieren por su sonido de tubo "más cálido" .

No todas las válvulas de circuitos electrónicos/tubos de electrones son tubos de vacío. Los tubos llenos de gas son dispositivos similares, pero que contienen un gas, normalmente a baja presión, que aprovechan los fenómenos relacionados con la descarga eléctrica en los gases , normalmente sin calentador.

Clasificaciones

Receptor de radio mediante tubos de vacío

Una clasificación de los tubos de vacío termoiónicos es por el número de electrodos activos. Un dispositivo con dos elementos activos es un diodo , generalmente utilizado para la rectificación . Los dispositivos con tres elementos son triodos que se utilizan para amplificación y conmutación. Los electrodos adicionales crean tetrodos , pentodos , etc., que tienen múltiples funciones adicionales que son posibles gracias a los electrodos controlables adicionales.

Otras clasificaciones son:

  • por rango de frecuencia ( audio , radio, VHF , UHF , microondas )
  • por clasificación de potencia (pequeña señal, potencia de audio, transmisión de radio de alta potencia)
  • por tipo de cátodo / filamento (calentado indirectamente, calentado directamente) y tiempo de calentamiento (incluido "emisor brillante" o "emisor opaco")
  • por diseño de curvas características (p. ej., corte agudo versus corte remoto en algunos pentodos)
  • por aplicación (tubos receptores, tubos transmisores, amplificación o conmutación, rectificación, mezcla)
  • parámetros especializados (larga vida, muy baja sensibilidad microfónica y amplificación de audio de bajo ruido, versiones resistentes o militares)
  • funciones especializadas (detectores de luz o radiación, tubos de imágenes de video)
  • tubos utilizados para mostrar información ( tubos de "ojo mágico" , pantallas fluorescentes de vacío , CRT )

Los tubos tienen diferentes funciones, como los tubos de rayos catódicos que crean un haz de electrones con fines de visualización (como el tubo de imagen de televisión), además de funciones más especializadas como la microscopía electrónica y la litografía por haz de electrones . Los tubos de rayos X también son tubos de vacío. Los fototubos y los fotomultiplicadores se basan en el flujo de electrones a través del vacío, aunque en esos casos la emisión de electrones del cátodo depende de la energía de los fotones en lugar de la emisión termoiónica . Dado que este tipo de "tubos de vacío" tienen funciones distintas a la amplificación y rectificación electrónica, se describen en otra parte.

Descripción

Diodo: los electrones del cátodo caliente fluyen hacia el ánodo positivo, pero no al revés
Triodo: tensión aplicada a la corriente de la placa de control de rejilla (ánodo).

Un tubo de vacío consta de dos o más electrodos en el vacío dentro de una envoltura hermética. La mayoría de los tubos tienen envolturas de vidrio con un sello de vidrio a metal basado en vidrios de borosilicato sellables de kovar , aunque se han utilizado envolturas de cerámica y metal (sobre bases aislantes). Los electrodos están conectados a cables que pasan a través del sobre a través de un sello hermético. La mayoría de los tubos de vacío tienen una vida útil limitada, debido a que el filamento o el calentador se queman u otros modos de falla, por lo que se fabrican como unidades reemplazables; los cables de los electrodos se conectan a los pines en la base del tubo que se conectan a un enchufe del tubo. Los tubos eran una causa frecuente de fallas en los equipos electrónicos y se esperaba que los consumidores pudieran reemplazar los tubos por sí mismos. Además de los terminales de la base, algunos tubos tenían un electrodo que terminaba en una tapa superior . La razón principal para hacer esto fue evitar fugas de resistencia a través de la base del tubo, particularmente para la entrada de rejilla de alta impedancia. [7] : 580  [8] Las bases se fabricaban comúnmente con aislamiento fenólico que funciona mal como aislante en condiciones húmedas. Otras razones para usar una tapa superior incluyen mejorar la estabilidad al reducir la capacitancia de la red al ánodo, [9]rendimiento mejorado de alta frecuencia, manteniendo un voltaje de placa muy alto lejos de voltajes más bajos y acomodando un electrodo más de lo permitido por la base. Incluso hubo un diseño ocasional que tenía dos conexiones de tapa superior.

Los primeros tubos de vacío evolucionaron a partir de bombillas de luz incandescente , que contenían un filamento sellado en una envoltura de vidrio al vacío. Cuando está caliente, el filamento libera electrones en el vacío, un proceso llamado emisión termoiónica , originalmente conocido como el efecto Edison . Un segundo electrodo, el ánodo o placa , atraerá esos electrones si tiene un voltaje más positivo. El resultado es un flujo neto de electrones del filamento a la placa. Sin embargo, los electrones no pueden fluir en la dirección inversa porque la placa no se calienta y no emite electrones. El filamento ( cátodo) tiene una doble función: emite electrones cuando se calienta; y, junto con la placa, crea un campo eléctrico debido a la diferencia de potencial entre ellos. Un tubo de este tipo con sólo dos electrodos se denomina diodo y se utiliza para la rectificación . Dado que la corriente solo puede pasar en una dirección, dicho diodo (o rectificador ) convertirá la corriente alterna (CA) en CC pulsante. Por lo tanto, los diodos se pueden usar en una fuente de alimentación de CC , como demodulador de señales de radio moduladas en amplitud (AM) y para funciones similares.

Los primeros tubos usaban el filamento como cátodo; esto se llama un tubo "calentado directamente". La mayoría de los tubos modernos son "calentados indirectamente" por un elemento "calentador" dentro de un tubo de metal que es el cátodo. El calentador está eléctricamente aislado del cátodo circundante y simplemente sirve para calentar el cátodo lo suficiente para la emisión termoiónica de electrones. El aislamiento eléctrico permite que todos los calentadores de los tubos se alimenten desde un circuito común (que puede ser CA sin inducir zumbidos) mientras permite que los cátodos en diferentes tubos operen a diferentes voltajes. HJ Round inventó el tubo calentado indirectamente alrededor de 1913. [10]

Los filamentos requieren una potencia constante y, a menudo, considerable, incluso cuando amplifican señales al nivel de microvatios. La energía también se disipa cuando los electrones del cátodo chocan contra el ánodo (placa) y lo calientan; esto puede ocurrir incluso en un amplificador inactivo debido a las corrientes de reposo necesarias para garantizar la linealidad y la baja distorsión. En un amplificador de potencia, este calentamiento puede ser considerable y puede destruir el tubo si se conduce más allá de sus límites de seguridad. Dado que el tubo contiene vacío, los ánodos en la mayoría de los tubos de pequeña y mediana potencia se enfrían por radiación a través de la envoltura de vidrio. En algunas aplicaciones especiales de alta potencia, el ánodo forma parte de la envoltura de vacío para conducir el calor a un disipador de calor externo, generalmente enfriado por un ventilador o camisa de agua.

Los klystrons y los magnetrones a menudo operan sus ánodos (llamados colectores en klystrons) al potencial de tierra para facilitar el enfriamiento, particularmente con agua, sin aislamiento de alto voltaje. En cambio, estos tubos funcionan con altos voltajes negativos en el filamento y el cátodo.

A excepción de los diodos, se colocan electrodos adicionales entre el cátodo y la placa (ánodo). Estos electrodos se denominan rejillas, ya que no son electrodos sólidos sino elementos dispersos a través de los cuales los electrones pueden pasar en su camino hacia la placa. El tubo de vacío se conoce entonces como triodo , tetrodo , pentodo , etc., dependiendo del número de rejillas. Un triodo tiene tres electrodos: el ánodo, el cátodo y una rejilla, y así sucesivamente. La primera rejilla, conocida como rejilla de control (ya veces otras rejillas) transforma el diodo en un dispositivo controlado por voltaje.: el voltaje aplicado a la rejilla de control afecta la corriente entre el cátodo y la placa. Cuando se mantiene negativo con respecto al cátodo, la rejilla de control crea un campo eléctrico que repele los electrones emitidos por el cátodo, reduciendo o incluso deteniendo la corriente entre el cátodo y el ánodo. Siempre que la rejilla de control sea negativa en relación con el cátodo, esencialmente no fluye corriente hacia ella, sin embargo, un cambio de varios voltios en la rejilla de control es suficiente para hacer una gran diferencia en la corriente de la placa, posiblemente cambiando la salida en cientos de voltios. (dependiendo del circuito). El dispositivo de estado sólido que funciona más como el tubo de pentodo es el transistor de efecto de campo de unión.(JFET), aunque los tubos de vacío normalmente funcionan a más de cien voltios, a diferencia de la mayoría de los semiconductores en la mayoría de las aplicaciones.

Historia y desarrollo

Una de las bombillas experimentales de Edison.

El siglo XIX vio un aumento de la investigación con tubos de vacío, como los tubos de Geissler y Crookes . Los muchos científicos e inventores que experimentaron con tales tubos incluyen a Thomas Edison , Eugen Goldstein , Nikola Tesla y Johann Wilhelm Hittorf . Con la excepción de las primeras bombillas , estos tubos solo se usaban en investigaciones científicas o como novedades. Sin embargo, el trabajo preliminar establecido por estos científicos e inventores fue fundamental para el desarrollo de la tecnología de tubos de vacío posterior.

Aunque la emisión termoiónica fue reportada originalmente en 1873 por Frederick Guthrie , [11] fue el descubrimiento aparentemente independiente de Thomas Edison del fenómeno en 1883 lo que se hizo conocido. Aunque Edison era consciente de la propiedad unidireccional del flujo de corriente entre el filamento y el ánodo, su interés (y patente [12] ) se concentró en la sensibilidad de la corriente del ánodo a la corriente a través del filamento (y, por lo tanto, la temperatura del filamento). Fue años más tarde cuando John Ambrose Fleming aplicó la propiedad rectificadora del efecto Edison a la detección de señales de radio, como una mejora sobre el detector magnético. [13]

La amplificación por tubo de vacío se volvió práctica solo con la invención de Lee de Forest en 1907 del tubo de " audión " de tres terminales , una forma tosca de lo que se convertiría en el triodo . [14] Siendo esencialmente el primer amplificador electrónico, [15] estos tubos fueron fundamentales en la telefonía de larga distancia (como la primera línea telefónica de costa a costa en los EE. UU.) y los sistemas de megafonía , e introdujeron un muy superior y versátil tecnología para su uso en transmisores y receptores de radio. Podría decirse que la revolución electrónica del siglo XX comenzó con la invención del tubo de vacío triodo.

Diodos

Los primeros diodos de Fleming

A fines del siglo XIX, la tecnología de radio o inalámbrica se encontraba en una etapa temprana de desarrollo y Marconi Company se dedicaba al desarrollo y construcción de sistemas de comunicación por radio. Marconi nombró al físico inglés John Ambrose Fleming como asesor científico en 1899. Fleming había sido asesor científico de Edison Phone (1879), asesor científico de Edison Electric Light (1882), y también fue asesor técnico de Edison-Swan . [16] Una de las necesidades de Marconi era mejorar el detector . Marconi había desarrollado un detector magnético , que respondía menos a las fuentes naturales de interferencia de radiofrecuencia que el detector coheredor., pero el detector magnético solo proporcionaba una señal de frecuencia de audio a un receptor de teléfono. Se necesitaba un detector fiable que pudiera impulsar un instrumento de impresión. Como resultado de los experimentos realizados con bombillas de efecto Edison, [13] Fleming desarrolló un tubo de vacío que denominó válvula de oscilación porque pasaba corriente en una sola dirección. [17] El cátodo era un filamento de lámpara de carbón, calentado al pasar corriente a través de él, que producía emisión termoiónica de electrones. Los electrones que habían sido emitidos por el cátodo fueron atraídos a la placa ( ánodo) cuando la placa estaba a un voltaje positivo con respecto al cátodo. Los electrones no podían pasar en la dirección inversa porque la placa no estaba calentada y no era capaz de emitir electrones termoiónicos. Fleming presentó una patente para estos tubos, cedida a la empresa Marconi, en el Reino Unido en noviembre de 1904 y esta patente se emitió en septiembre de 1905. [18] Más tarde conocida como la válvula Fleming, la válvula de oscilación se desarrolló con el fin de rectificar la radio corriente de frecuencia como componente detector de circuitos receptores de radio. [13] [19]

Si bien no ofrece ninguna ventaja sobre la sensibilidad eléctrica de los detectores de cristal , [20] la válvula Fleming ofrece ventajas, particularmente en el uso a bordo, sobre la dificultad de ajuste del detector de cristal y la susceptibilidad del detector de cristal a ser desalojado del ajuste por vibración o chocando [21]

Los primeros diodos de tubo de vacío diseñados para aplicaciones de rectificadores en circuitos de suministro de energía fueron introducidos en abril de 1915 por Saul Dushman de General Electric. [22] [23]

Triodos

El primer triodo, el de Forest Audion , inventado en 1906
Triodos a medida que evolucionaron a lo largo de 40 años de fabricación de tubos, desde el RE16 en 1918 hasta un tubo en miniatura de la década de 1960
Símbolo de triodo. De arriba a abajo: placa (ánodo), rejilla de control, cátodo, calentador (filamento)

Originalmente, el único uso de los tubos en los circuitos de radio era la rectificación , no la amplificación. En 1906, Robert von Lieben solicitó una patente [24] para un tubo de rayos catódicos que incluía desviación magnética. Esto podría usarse para amplificar señales de audio y estaba destinado a su uso en equipos de telefonía. Más tarde ayudaría a refinar el tubo de vacío triodo .

Sin embargo, a Lee de Forest se le atribuye la invención del tubo triodo en 1907 mientras experimentaba para mejorar su Audion original (diodo) . [25] Al colocar un electrodo adicional entre el filamento ( cátodo ) y la placa (ánodo), descubrió la capacidad del dispositivo resultante para amplificar señales. Como el voltaje aplicado a la red de control(o simplemente "rejilla") se redujo del voltaje del cátodo a voltajes algo más negativos, la cantidad de corriente del filamento a la placa se reduciría. El campo electrostático negativo creado por la rejilla en la vecindad del cátodo inhibiría el paso de los electrones emitidos y reduciría la corriente a la placa. Con el voltaje de la rejilla menor que el del cátodo, ninguna corriente directa podría pasar del cátodo a la rejilla.

Por lo tanto, un cambio de voltaje aplicado a la red, que requiere muy poca entrada de energía a la red, podría generar un cambio en la corriente de la placa y podría conducir a un cambio de voltaje mucho mayor en la placa; el resultado fue la amplificación de voltaje y potencia . En 1908, a de Forest se le otorgó una patente ( Patente de EE. UU. 879,532 ) para una versión de tres electrodos de su Audion original para uso como amplificador electrónico en comunicaciones por radio. Esto finalmente se conoció como el triodo.

General Electric Company Pliotron, Instituto de Historia de la Ciencia

El dispositivo original de de Forest se fabricó con tecnología de vacío convencional. El vacío no era un "vacío duro", sino que dejaba una cantidad muy pequeña de gas residual. La física detrás del funcionamiento del dispositivo tampoco se resolvió. El gas residual causaría un resplandor azul (ionización visible) cuando el voltaje de la placa fuera alto (por encima de los 60 voltios). En 1912, de Forest llevó el Audion a Harold Arnold en el departamento de ingeniería de AT&T. Arnold recomendó que AT&T comprara la patente y AT&T siguió su recomendación. Arnold desarrolló tubos de alto vacío que se probaron en el verano de 1913 en la red de larga distancia de AT&T. [26] Los tubos de alto vacío podrían operar a voltajes de placa altos sin un resplandor azul.

El inventor finlandés Eric Tigerstedt mejoró significativamente el diseño del triodo original en 1914, mientras trabajaba en su proceso de sonido en película en Berlín, Alemania. La innovación de Tigerstedt fue hacer que los electrodos fueran cilindros concéntricos con el cátodo en el centro, aumentando así en gran medida la colección de electrones emitidos en el ánodo. [27]

Irving Langmuir en el laboratorio de investigación de General Electric ( Schenectady, Nueva York ) había mejorado la bomba de difusión de alto vacío de Wolfgang Gaede y la utilizó para resolver la cuestión de la emisión y conducción termoiónica en el vacío. En consecuencia, General Electric comenzó a producir triodos de vacío duro (que tenían la marca Pliotrons) en 1915. [28] Langmuir patentó el triodo de vacío duro, pero de Forest y AT&T afirmaron con éxito la prioridad e invalidaron la patente.

Los pliotrones fueron seguidos de cerca por el tipo francés ' TM ' y más tarde por el tipo inglés 'R', que en 1916 eran de uso generalizado por parte de los militares aliados . × 10 −8 Torr hasta 8 × 10 −11  Torr). [29] 

El triodo y sus derivados (tetrodos y pentodos) son dispositivos de transconductancia , en los que la señal de control aplicada a la rejilla es un voltaje y la señal amplificada resultante que aparece en el ánodo es una corriente . [30] Compare esto con el comportamiento del transistor de unión bipolar , en el que la señal de control es una corriente y la salida también es una corriente.

Para los tubos de vacío, la transconductancia o conductancia mutua ( g m ) se define como el cambio en la corriente de placa (ánodo)/cátodo dividido por el cambio correspondiente en la tensión de rejilla a cátodo, con una tensión constante de placa (ánodo) a cátodo. Los valores típicos de g m para un tubo de vacío de pequeña señal son de 1 a 10 milisiemens. Es una de las tres 'constantes' de un tubo de vacío, las otras dos son su ganancia μ y la resistencia de la placa R p o R a . La ecuación de Van der Bijl define su relación de la siguiente manera:

La característica de funcionamiento no lineal del triodo hizo que los primeros amplificadores de audio a válvulas exhibieran distorsión armónica a bajo volumen. Al representar gráficamente la corriente de la placa en función del voltaje de la red aplicado, se vio que había un rango de voltajes de la red para los cuales las características de transferencia eran aproximadamente lineales.

Para usar este rango, se tuvo que aplicar un voltaje de polarización negativa a la red para colocar el punto de operación de CC en la región lineal. Esto se denominó condición inactiva, y la corriente de la placa en este punto, la "corriente inactiva". El voltaje de control se superpuso al voltaje de polarización, lo que resultó en una variación lineal de la corriente de la placa en respuesta a la variación positiva y negativa del voltaje de entrada alrededor de ese punto.

Este concepto se denomina sesgo de cuadrícula . Muchos de los primeros aparatos de radio tenían una tercera batería llamada "batería C" (no relacionada con la celda C actual , cuya letra indica su tamaño y forma). El terminal positivo de la batería C estaba conectado al cátodo de los tubos (o "tierra" en la mayoría de los circuitos) y cuyo terminal negativo suministraba este voltaje de polarización a las rejillas de los tubos.

Los circuitos posteriores, después de que los tubos se fabricaran con calentadores aislados de sus cátodos, utilizaron polarización de cátodo , evitando la necesidad de una fuente de alimentación negativa separada. Para la polarización del cátodo, se conecta una resistencia de valor relativamente bajo entre el cátodo y tierra. Esto hace que el cátodo sea positivo con respecto a la red, que está en potencial de tierra para CC.

Sin embargo, las baterías C continuaron incluyéndose en algunos equipos incluso cuando las baterías "A" y "B" habían sido reemplazadas por energía de la red eléctrica de CA. Eso fue posible porque esencialmente no había consumo de corriente en estas baterías; por lo tanto, podrían durar muchos años (a menudo más que todos los tubos) sin necesidad de reemplazo.

Cuando los triodos se usaron por primera vez en transmisores y receptores de radio, se descubrió que las etapas de amplificación sintonizadas tenían tendencia a oscilar a menos que su ganancia fuera muy limitada. Esto se debió a la capacitancia parásita entre la placa (la salida del amplificador) y la rejilla de control (la entrada del amplificador), conocida como la capacitancia de Miller .

Finalmente, se desarrolló la técnica de neutralización mediante la cual el transformador de RF conectado a la placa (ánodo) incluiría un devanado adicional en la fase opuesta. Este devanado se volvería a conectar a la red a través de un pequeño capacitor y, cuando se ajustara correctamente, cancelaría la capacitancia de Miller. Esta técnica se empleó y condujo al éxito de la radio Neutrodyne durante la década de 1920. Sin embargo, la neutralización requirió un ajuste cuidadoso y resultó insatisfactoria cuando se usó en una amplia gama de frecuencias.

Tetrodos y pentodos

Símbolo de tetrodo. De arriba a abajo: placa (ánodo), rejilla de pantalla, rejilla de control, cátodo, calentador (filamento).

Para combatir los problemas de estabilidad del triodo como amplificador de radiofrecuencia debido a la capacitancia de rejilla a placa, el físico Walter H. Schottky inventó el tetrodo o tubo de rejilla de pantalla en 1919. [31] Demostró que la adición de un escudo electrostático entre la rejilla de control y la placa podría solucionar el problema. Este diseño fue refinado por Hull y Williams. [32] La cuadrícula añadida se conoció como la cuadrícula de pantalla o la cuadrícula de escudo . La rejilla pantalla es operada a un voltaje positivo significativamente menor que el voltaje de la placa y es desviada a tierra con un capacitor de baja impedancia a las frecuencias a amplificar. [33] Esta disposición desacopla sustancialmente la placa y la rejilla de control , eliminando la necesidad de neutralizar los circuitos en las frecuencias de transmisión de onda media. La rejilla de la pantalla también reduce en gran medida la influencia del voltaje de la placa en la carga espacial cerca del cátodo, lo que permite que el tetrodo produzca una mayor ganancia de voltaje que el triodo en los circuitos amplificadores. Si bien los factores de amplificación de los triodos típicos suelen oscilar entre menos de diez y alrededor de 100, los factores de amplificación de tetrodos de 500 son comunes. En consecuencia, se hicieron posibles mayores ganancias de voltaje de una etapa de amplificación de un solo tubo, lo que redujo la cantidad de tubos necesarios. Los tubos de rejilla de pantalla se pusieron en el mercado a fines de 1927. [34]

La región útil de operación del tubo de rejilla de pantalla (tetrodo) como amplificador se limita a los potenciales de ánodo en las partes rectas de las curvas características mayores que el potencial de rejilla de pantalla.

Sin embargo, la región útil de operación del tubo de rejilla de pantalla como amplificador estaba limitada a voltajes de placa mayores que el voltaje de rejilla de pantalla, debido a la emisión secundaria de la placa. En cualquier tubo, los electrones golpean la placa con suficiente energía para provocar la emisión de electrones desde su superficie. En un triodo esta emisión secundaria de electrones no es importante ya que simplemente son recapturados por la placa. Pero en un tetrodo pueden ser captados por la rejilla de la pantalla ya que también está en tensión positiva, robándoles la corriente de placa y reduciendo la amplificación del tubo. Dado que los electrones secundarios pueden superar en número a los electrones primarios en un cierto rango de voltajes de placa, la corriente de placa puede disminuir al aumentar el voltaje de placa. Esta es la región del dinatrón [35]o tetrode kink y es un ejemplo de resistencia negativa que en sí misma puede causar inestabilidad. [36] Otra consecuencia indeseable de la emisión secundaria es que aumenta la corriente de la pantalla, lo que puede hacer que la pantalla exceda su potencia nominal.

La región de resistencia negativa de la característica de la placa, que de otro modo sería indeseable, se aprovechó con el circuito oscilador de dinatrón para producir un oscilador simple que solo requería la conexión de la placa a un circuito LC resonante para oscilar. El oscilador de dinatrón operaba con el mismo principio de resistencia negativa que el oscilador de diodo de túnel muchos años después.

La región del dinatrón del tubo de la rejilla de la pantalla se eliminó agregando una rejilla entre la rejilla de la pantalla y la placa para crear el pentodo . La rejilla supresora del pentodo generalmente estaba conectada al cátodo y su voltaje negativo en relación con el ánodo repelía los electrones secundarios para que fueran recogidos por el ánodo en lugar de la rejilla de la pantalla. El término pentodo significa que el tubo tiene cinco electrodos. El pentodo fue inventado en 1926 por Bernard DH Tellegen [37]y se volvió generalmente favorecido sobre el tetrodo simple. Los pentodos se fabrican en dos clases: aquellos con la rejilla supresora conectada internamente al cátodo (por ejemplo, EL84/6BQ5) y aquellos con la rejilla supresora conectada a un pin separado para el acceso del usuario (por ejemplo, 803, 837). Una solución alternativa para aplicaciones de potencia es el tetrodo de haz o tubo de potencia de haz , que se analiza a continuación.

Tubos multifunción y multisección

El convertidor pentagrid contiene cinco rejillas entre el cátodo y la placa (ánodo)

Los receptores superheterodinos requieren un oscilador y un mezclador locales , combinados en la función de un solo tubo convertidor de pentarrejilla . Para ello se han utilizado diversas alternativas como utilizar una combinación de un triodo con un hexodo e incluso un octodo . Las rejillas adicionales incluyen rejillas de control (a un potencial bajo) y rejillas de pantalla(a alto voltaje). Muchos diseños utilizan una rejilla de pantalla como un ánodo adicional para proporcionar retroalimentación para la función del oscilador, cuya corriente se suma a la de la señal de radiofrecuencia entrante. El convertidor pentagrid se volvió así ampliamente utilizado en los receptores de AM, incluida la versión de tubo en miniatura de los " All American Five ". Los octodos, como el 7A8, rara vez se usaban en los Estados Unidos, pero eran mucho más comunes en Europa, particularmente en radios que funcionan con baterías, donde el menor consumo de energía era una ventaja.

Para reducir aún más el costo y la complejidad de los equipos de radio, se pueden combinar dos estructuras separadas (triodo y pentodo, por ejemplo) en el bulbo de un solo tubo multisección . Un ejemplo temprano es el Loewe 3NF. Este dispositivo de la década de 1920 tiene tres triodos en una sola envoltura de vidrio junto con todos los capacitores y resistencias fijos necesarios para hacer un receptor de radio completo. Como el conjunto de Loewe solo tenía un casquillo de tubo, pudo socavar sustancialmente a la competencia, ya que, en Alemania, el impuesto estatal se recaudaba por el número de casquillos. Sin embargo, la confiabilidad se vio comprometida y los costos de producción del tubo fueron mucho mayores. En cierto sentido, estos eran similares a los circuitos integrados. En los Estados Unidos, Cleartron produjo brevemente el triodo triple "Multivalve" para usar en el receptor Emerson Baby Grand. Este juego de Emerson también tiene un enchufe de un solo tubo, pero debido a que usa una base de cuatro clavijas, las conexiones de los elementos adicionales se realizan en una plataforma de "entrepiso" en la parte superior de la base del tubo.

Hacia 1940, los tubos multisección se habían vuelto comunes. Sin embargo, hubo restricciones debido a las patentes y otras consideraciones de licencia (ver British Valve Association ). Las restricciones debido a la cantidad de pines externos (conductores) a menudo obligaron a las funciones a compartir algunas de esas conexiones externas, como sus conexiones de cátodo (además de la conexión del calentador). El RCA Tipo 55 es un triodo de doble diodo que se utiliza como detector, rectificador de control automático de ganancia y preamplificador de audio en las primeras radios alimentadas por CA. Estos conjuntos a menudo incluyen la salida de audio 53 Dual Triode. Otro tipo temprano de tubo de múltiples secciones, el 6SN7, es un "triodo dual" que realiza las funciones de dos tubos de triodo mientras ocupa la mitad de espacio y cuesta menos. El 12AX7 es un triodo dual "high mu" (ganancia de alto voltaje [38] [39] [40] ) en un gabinete en miniatura, y se usó ampliamente en amplificadores de señal de audio, instrumentos y amplificadores de guitarra .

La introducción de la base de tubo en miniatura (ver más abajo) que puede tener 9 pines, más de lo que estaba disponible anteriormente, permitió que se introdujeran otros tubos de varias secciones, como el triodo-pentodo 6GH8 /ECF82, bastante popular en los receptores de televisión. El deseo de incluir aún más funciones en un sobre resultó en el General Electric Compactron que tiene 12 pines. Un ejemplo típico, el 6AG11, contiene dos triodos y dos diodos.

Algunos tubos convencionales no entran en categorías estándar; el 6AR8, 6JH8 y 6ME8 tienen varias rejillas comunes, seguidas de un par de electrodos de desviación del haz que desvían la corriente hacia cualquiera de los dos ánodos. A veces se los conocía como tubos de "haz de lámina" y se usaban en algunos televisores en color para la demodulación del color . El similar 7360 fue popular como un (des)modulador SSB balanceado .

Tubos de potencia de haz

Tubo de potencia de haz diseñado para uso de radiofrecuencia

Un tubo de potencia de haz forma la corriente de electrones del cátodo en múltiples haces parcialmente colimados para producir una región de carga espacial de bajo potencial entre el ánodo y la rejilla de la pantalla para devolver los electrones de emisión secundaria del ánodo al ánodo cuando el potencial del ánodo es menor que el de la pantalla. red. [41] [42] La formación de haces también reduce la corriente de la rejilla de la pantalla. En algunos tubos de potencia de haz cilíndricos simétricos, el cátodo está formado por tiras estrechas de material emisor que están alineados con las aberturas de la rejilla de control, lo que reduce la corriente de la rejilla de control. [43] Este diseño ayuda a superar algunas de las barreras prácticas para diseñar válvulas de potencia de alta potencia y alta eficiencia.

Las hojas de datos del fabricante a menudo usan los términos pentodo de haz o pentodo de potencia de haz en lugar de tubo de potencia de haz , y usan un símbolo gráfico de pentodo en lugar de un símbolo gráfico que muestra placas formadoras de haz. [44]

Los tubos de potencia de haz ofrecen las ventajas de una línea de carga más larga, menos corriente de pantalla, mayor transconductancia y menor distorsión del tercer armónico que los pentodos de potencia comparables. [45] [46] Los tubos de potencia Beam se pueden conectar como triodos para mejorar la calidad tonal del audio, pero en el modo triodo ofrecen una salida de potencia significativamente reducida. [47]

Tubos llenos de gas

Los tubos llenos de gas , como los tubos de descarga y los tubos de cátodo frío , no son tubos de vacío duro , aunque siempre están llenos de gas a una presión atmosférica inferior al nivel del mar. Los tipos como el tubo regulador de voltaje y el thyratron se asemejan a tubos de vacío duros y encajan en enchufes diseñados para tubos de vacío. Su distintivo brillo anaranjado, rojo o violeta durante el funcionamiento indica la presencia de gas; los electrones que fluyen en el vacío no producen luz dentro de esa región. Estos tipos aún pueden denominarse "tubos de electrones", ya que realizan funciones electrónicas. Los rectificadores de alta potencia utilizan vapor de mercurio para lograr una caída de tensión directa más baja que los tubos de alto vacío.

Tubos miniatura

Tubo en miniatura (derecha) en comparación con el estilo octal más antiguo. Sin incluir los pines, el tubo más grande, un 5U4GB, tiene 93 mm de alto con una base de 35 mm de diámetro, mientras que el más pequeño, un 12AX7 de 9 pines , tiene 45 mm de alto y 20,4 mm de diámetro.
Tubo subminiatura CV4501 (versión SQ de EF72), 35 mm de largo x 10 mm de diámetro (excluyendo cables)

Los primeros tubos usaban una envoltura de metal o vidrio sobre una base aislante de baquelita . En 1938 se desarrolló una técnica para utilizar una construcción totalmente de vidrio [48] con las clavijas fusionadas en la base de vidrio del sobre. Esto se usó en el diseño de un contorno de tubo mucho más pequeño, conocido como tubo en miniatura, que tiene siete o nueve pasadores. Hacer los tubos más pequeños redujo el voltaje donde podían operar de manera segura y también redujo la disipación de energía del filamento. Los tubos en miniatura se volvieron predominantes en aplicaciones de consumo como receptores de radio y amplificadores de alta fidelidad. Sin embargo, los estilos antiguos más grandes continuaron usándose especialmente como rectificadores de mayor potencia, en etapas de salida de audio de mayor potencia y como válvulas de transmisión.

Tubos subminiatura

Triodo RCA 6DS4 "Nuvistor", c. 20 mm de alto por 11 mm de diámetro

Los tubos subminiatura con un tamaño aproximado de medio cigarrillo se utilizaron en aplicaciones de consumo como amplificadores de audífonos. Estos tubos no tenían clavijas conectadas a un enchufe, sino que estaban soldados en su lugar. El " tubo de bellota " (llamado así por su forma) también era muy pequeño, al igual que el nuvistor RCA con carcasa metálica de 1959, aproximadamente del tamaño de un dedal . El nuvistor se desarrolló para competir con los primeros transistores y funcionaba a frecuencias más altas que las de esos primeros transistores. El tamaño pequeño apoyó especialmente la operación de alta frecuencia; Los nuvistores se utilizaron en transceptores de radio de aeronaves, sintonizadores de televisión UHF y algunos sintonizadores de radio FM HiFi (Sansui 500A) hasta que fueron reemplazados por transistores con capacidad de alta frecuencia.

Mejoras en la construcción y el rendimiento

Embalaje comercial para tubos de vacío utilizados en la segunda mitad del siglo XX, incluidas cajas para tubos individuales (abajo a la derecha), fundas para filas de cajas (izquierda) y bolsas en las que una tienda colocaría tubos más pequeños al momento de la compra (arriba derecho)

Los primeros tubos de vacío se parecían mucho a las bombillas de luz incandescente y los fabricaban los fabricantes de lámparas, que tenían el equipo necesario para fabricar envolturas de vidrio y las bombas de vacío necesarias para evacuar los recintos. de Forest usó la bomba de desplazamiento de mercurio de Heinrich Geissler , que dejó un vacío parcial . El desarrollo de la bomba de difusión en 1915 y mejora por Irving Langmuircondujo al desarrollo de tubos de alto vacío. Después de la Primera Guerra Mundial, se establecieron fabricantes especializados que utilizaban métodos de construcción más económicos para satisfacer la creciente demanda de receptores de transmisión. Filamentos desnudos de tungsteno operados a una temperatura de alrededor de 2200 °C. El desarrollo de filamentos recubiertos de óxido a mediados de la década de 1920 redujo la temperatura de funcionamiento del filamento.a un calor rojo opaco (alrededor de 700 °C), lo que a su vez redujo la distorsión térmica de la estructura del tubo y permitió una separación más estrecha de los elementos del tubo. Esto, a su vez, mejoró la ganancia del tubo, ya que la ganancia de un triodo es inversamente proporcional al espacio entre la rejilla y el cátodo. Los filamentos de tungsteno desnudos siguen en uso en pequeños tubos transmisores, pero son quebradizos y tienden a fracturarse si se manipulan bruscamente, por ejemplo, en los servicios postales. Estos tubos se adaptan mejor a equipos estacionarios donde no hay impacto ni vibración.

Cátodos calentados indirectamente

El deseo de alimentar equipos electrónicos utilizando la red eléctrica de CA enfrentó una dificultad con respecto a la alimentación de los filamentos de los tubos, ya que estos también eran el cátodo de cada tubo. La alimentación de los filamentos directamente desde un transformador de potencia introdujo un zumbido de frecuencia de red (50 o 60 Hz) en las etapas de audio. La invención del "cátodo equipotencial" redujo este problema, con los filamentos alimentados por un devanado de transformador de potencia de CA equilibrado que tiene una derivación central conectada a tierra.

Una solución superior, y que permitía que cada cátodo "flotara" a un voltaje diferente, era la del cátodo calentado indirectamente: un cilindro de níquel recubierto de óxido actuaba como un cátodo emisor de electrones y estaba eléctricamente aislado del filamento en su interior. . Los cátodos calentados indirectamente permiten separar el circuito del cátodo del circuito del calentador. El filamento, que ya no está conectado eléctricamente a los electrodos del tubo, se conoció simplemente como un "calentador", y también podría ser alimentado por CA sin la introducción de zumbidos. [49]En la década de 1930, los tubos catódicos calentados indirectamente se generalizaron en los equipos que utilizan alimentación de CA. Los tubos catódicos calentados directamente continuaron siendo ampliamente utilizados en equipos alimentados por baterías, ya que sus filamentos requerían considerablemente menos energía que los calentadores requeridos con cátodos calentados indirectamente.

Los tubos diseñados para aplicaciones de audio de alta ganancia pueden tener cables calentadores retorcidos para cancelar los campos eléctricos perdidos, campos que podrían inducir un zumbido desagradable en el material del programa.

Los calentadores se pueden energizar con corriente alterna (CA) o corriente continua (CC). La CC se usa a menudo cuando se requiere un zumbido bajo.

Uso en computadoras electrónicas

La computadora ENIAC de 1946 usó 17,468 tubos de vacío y consumió 150 kW de potencia

Los tubos de vacío utilizados como interruptores hicieron posible la computación electrónica por primera vez, pero el costo y el tiempo medio relativamente corto de falla de los tubos fueron factores limitantes. [50] "La sabiduría común era que las válvulas, que, como las bombillas, contenían un filamento incandescente caliente, nunca podrían usarse satisfactoriamente en grandes cantidades, ya que no eran confiables, y en una instalación grande, demasiadas fallarían en muy poco tiempo". tiempo". [51] Tommy Flowers , quien más tarde diseñó Colossus , "descubrió que, siempre que las válvulas se encendieran y se dejaran encendidas, podían funcionar de manera confiable durante períodos muy largos, especialmente si sus 'calentadores' funcionaban con una corriente reducida". [51]En 1934, Flowers construyó una exitosa instalación experimental utilizando más de 3000 tubos en pequeños módulos independientes; cuando fallaba un tubo, era posible apagar un módulo y mantener los otros funcionando, reduciendo así el riesgo de que se produjera otra falla en el tubo; esta instalación fue aceptada por la Oficina de Correos (que operaba las centrales telefónicas). Flowers también fue pionera en el uso de tubos como interruptores electrónicos muy rápidos (en comparación con los dispositivos electromecánicos) . El trabajo posterior confirmó que la falta de fiabilidad del tubo no era un problema tan grave como se creía generalmente; la ENIAC de 1946, con más de 17.000 tubos, tenía una falla en el tubo (que tardó 15 minutos en localizarse) en promedio cada dos días. La calidad de los tubos fue un factor, y el desvío de personal calificado durante la Segunda Guerra Mundial redujo la calidad general de los tubos. [52] Durante la guerra, Colossus fue fundamental para descifrar los códigos alemanes. Después de la guerra, el desarrollo continuó con computadoras basadas en tubos, incluidas las computadoras militares ENIAC y Whirlwind , Ferranti Mark 1 (una de las primeras computadoras electrónicas disponibles comercialmente) y UNIVAC I , también disponible comercialmente.

Los avances en el uso de tubos subminiatura incluyeron la serie de máquinas Jaincomp producidas por Jacobs Instrument Company de Bethesda, Maryland. Modelos como su Jaincomp-B empleaban solo 300 de estos tubos en una unidad del tamaño de una computadora de escritorio que ofrecía un rendimiento que rivalizaba con muchas de las máquinas del tamaño de una habitación. [53]

coloso

Tubos de vacío vistos en el extremo en una recreación de la computadora Colossus de la era de la Segunda Guerra Mundial en Bletchley Park , Inglaterra

El Colossus de Flowers y su sucesor Colossus Mk2 fueron construidos por los británicos durante la Segunda Guerra Mundial para acelerar sustancialmente la tarea de descifrar el cifrado Lorenz de alto nivel alemán . Utilizando alrededor de 1.500 tubos de vacío (2.400 para Mk2), Colossus reemplazó una máquina anterior basada en lógica de relé e interruptor ( Heath Robinson ). Colossus pudo descifrar en cuestión de horas mensajes que antes le habían llevado varias semanas; también era mucho más fiable. [51] Colossus fue el primer uso de tubos de vacío trabajando en conjunto a una escala tan grande para una sola máquina. [51]

Torbellino y tubos de "calidad especial"

Circuito de la unidad de memoria central de Whirlwind

Para cumplir con los requisitos de confiabilidad de la computadora digital estadounidense Whirlwind de 1951, se produjeron tubos de "calidad especial" con una vida útil prolongada y, en particular, un cátodo de larga duración. El problema de la corta vida útil se atribuyó en gran medida a la evaporación del silicio , que se utiliza en la aleación de tungsteno para hacer que el cable del calentador sea más fácil de estirar. El silicio forma ortosilicato de bario en la interfaz entre el manguito de níquel y el revestimiento de óxido de bario del cátodo. [7] : 301  Esta "interfaz de cátodo" es una capa de alta resistencia (con alguna capacitancia paralela) que reduce en gran medida la corriente del cátodo cuando el tubo se cambia al modo de conducción. [54] : 224  La eliminación del silicio de la aleación del alambre calentador (y el reemplazo más frecuente de los troqueles de trefilado ) permitió la producción de tubos lo suficientemente confiables para el proyecto Whirlwind. Los revestimientos de cátodos y tubos de níquel de alta pureza libres de materiales como silicatos y aluminio que pueden reducir la emisividad también contribuyen a una larga vida útil del cátodo.

El primer "tubo de computadora" de este tipo fue el pentodo 7AK7 de Sylvania de 1948 (estos reemplazaron al 7AD7, que se suponía que era de mejor calidad que el 6AG7 estándar, pero resultó ser demasiado poco confiable). [55] : 59  Las computadoras fueron los primeros dispositivos de válvulas en hacer funcionar las válvulas al corte (suficiente voltaje de red negativo para que dejen de conducir) durante períodos de tiempo bastante extensos. El funcionamiento en corte con el calentador encendido acelera el envenenamiento del cátodo y la corriente de salida del tubo se reducirá considerablemente cuando se cambie al modo de conducción. [54] : 224  Los tubos 7AK7 mejoraron el problema del envenenamiento de cátodos, pero eso solo fue insuficiente para lograr la confiabilidad requerida. [55] : 60 Otras medidas incluyeron apagar el voltaje del calentador cuando no se requería que los tubos funcionaran durante períodos prolongados, encender y apagar el voltaje del calentador con una rampa lenta para evitar el choque térmico en el elemento del calentador, [54] : 226  y probar los tubos . durante los períodos de mantenimiento fuera de línea para provocar la falla temprana de las unidades débiles. [55] : 60–61 

Los tubos desarrollados para Whirlwind se utilizaron más tarde en el sistema informático gigante de defensa aérea SAGE . A fines de la década de 1950, era habitual que los tubos de señal pequeña de calidad especial duraran cientos de miles de horas si se operaban de manera conservadora. Esta mayor confiabilidad también hizo posibles los amplificadores de cable medio en cables submarinos .

Generación de calor y refrigeración

El ánodo (placa) de este triodo transmisor ha sido diseñado para disipar hasta500 W de calor

Cuando los tubos funcionan, se produce una cantidad considerable de calor, tanto del filamento (calentador) como de la corriente de electrones que bombardean la placa. En los amplificadores de potencia, esta fuente de calor es mayor que el calentamiento del cátodo. Algunos tipos de tubos permiten el funcionamiento con los ánodos al rojo vivo; en otros tipos, el calor rojo indica una sobrecarga severa.

Los requisitos para la eliminación de calor pueden cambiar significativamente la apariencia de los tubos de vacío de alta potencia. Los amplificadores y rectificadores de audio de alta potencia requerían envolventes más grandes para disipar el calor. Los tubos transmisores podrían ser aún mucho más grandes.

El calor escapa del dispositivo por radiación de cuerpo negro del ánodo (placa) como radiación infrarroja y por convección de aire sobre la envoltura del tubo. [56] La convección no es posible dentro de la mayoría de los tubos ya que el ánodo está rodeado de vacío.

Los tubos que generan relativamente poco calor, como los tubos de filamento de 1,4 voltios calentados directamente diseñados para su uso en equipos alimentados por batería, a menudo tienen ánodos de metal brillante. 1T4, 1R5 y 1A7 son ejemplos. Los tubos llenos de gas, como los tiratrones , también pueden usar un ánodo de metal brillante, ya que el gas presente dentro del tubo permite la convección de calor desde el ánodo hasta el recinto de vidrio.

El ánodo a menudo se trata para que su superficie emita más energía infrarroja. Los tubos amplificadores de alta potencia están diseñados con ánodos externos que pueden enfriarse por convección, aire forzado o circulación de agua. El 8974 de 80 kg y 1,25 MW refrigerado por agua se encuentra entre los tubos comerciales más grandes disponibles en la actualidad.

En un tubo enfriado por agua, el voltaje del ánodo aparece directamente en la superficie del agua de enfriamiento, lo que requiere que el agua sea un aislante eléctrico para evitar fugas de alto voltaje a través del agua de enfriamiento hacia el sistema del radiador. El agua que normalmente se suministra tiene iones que conducen la electricidad; Se requiere agua desionizada , un buen aislante. Dichos sistemas generalmente tienen un monitor de conductancia de agua incorporado que cerrará el suministro de alta tensión si la conductancia es demasiado alta.

La rejilla de la pantalla también puede generar un calor considerable. Los límites para la disipación de la rejilla de la pantalla, además de la disipación de la placa, se enumeran para los dispositivos de potencia. Si se exceden, es probable que falle el tubo.

Paquetes de tubos

Tubos con carcasa de metal con bases octales
Tubo triodo tipo GS-9B; diseñado para uso en frecuencias de radio de hasta 2000 MHz y clasificado para disipación de potencia de ánodo de 300 vatios. [57] El disipador de calor con aletas conduce el calor del ánodo a la corriente de aire.

La mayoría de los tubos modernos tienen envolturas de vidrio, pero también se han utilizado metal, cuarzo fundido ( sílice ) y cerámica . Una primera versión del 6L6 usaba una envoltura de metal sellada con perlas de vidrio, mientras que en versiones posteriores se usó un disco de vidrio fusionado con el metal. El metal y la cerámica se utilizan casi exclusivamente para válvulas de potencia por encima de 2 kW de disipación. El nuvistor era un tubo receptor moderno que utilizaba un paquete muy pequeño de metal y cerámica.

Los elementos internos de los tubos siempre se han conectado a un circuito externo a través de clavijas en su base que se conectan a un enchufe. Los tubos subminiatura se producían utilizando cables conductores en lugar de enchufes, sin embargo, estos estaban restringidos a aplicaciones bastante especializadas. Además de las conexiones en la base del tubo, muchos de los primeros triodos conectaban la rejilla mediante una tapa de metal en la parte superior del tubo; esto reduce la capacitancia parásita entre la rejilla y los cables de la placa. Las tapas de los tubos también se usaban para la conexión de la placa (ánodo), particularmente en los tubos transmisores y en los tubos que usaban un voltaje de placa muy alto.

Los tubos de alta potencia, como los tubos transmisores, tienen paquetes diseñados más para mejorar la transferencia de calor. En algunos tubos, la envoltura de metal también es el ánodo. El 4CX1000A es un tubo de ánodo externo de este tipo. Se sopla aire a través de una serie de aletas unidas al ánodo, enfriándolo así. Las válvulas de potencia que utilizan este esquema de refrigeración están disponibles con una disipación de hasta 150 kW. Por encima de ese nivel, se utiliza refrigeración por agua o por vapor de agua. El tubo de mayor potencia disponible actualmente es el Eimac 4CM2500KG, un tetrodo de potencia enfriado por agua forzada capaz de disipar 2,5 megavatios. [58] En comparación, el transistor de potencia más grande solo puede disipar alrededor de 1 kilovatio.

Nombres

El nombre genérico "válvula [termiónica]" utilizado en el Reino Unido se deriva del flujo de corriente unidireccional permitido por el dispositivo más antiguo, el diodo termoiónico que emite electrones desde un filamento calentado, por analogía con una válvula de retención en una tubería de agua. [59] Los nombres estadounidenses "tubo de vacío", "tubo de electrones" y "tubo termoiónico" simplemente describen una envoltura tubular que ha sido evacuada ("vacío"), tiene un calentador y controla el flujo de electrones.

En muchos casos, los fabricantes y los militares dieron a los tubos designaciones que no decían nada sobre su propósito (p. ej., 1614). En los primeros días, algunos fabricantes usaban nombres de propiedad que podían transmitir alguna información, pero solo sobre sus productos; el KT66 y el KT88 eran "tetrodos sin torceduras". Más tarde, los tubos de consumo recibieron nombres que transmitían cierta información, y varios fabricantes solían utilizar el mismo nombre de forma genérica. En los EE. UU., las designaciones de la Asociación de Fabricantes de Radio Electrónica y Televisión (RETMA)comprenden un número, seguido de una o dos letras, y un número. El primer número es el voltaje del calentador (redondeado); las letras designan un tubo particular pero no dicen nada acerca de su estructura; y el número final es el número total de electrodos (sin distinguir entre, digamos, un tubo con muchos electrodos, o dos conjuntos de electrodos en una sola envoltura, un triodo doble, por ejemplo). Por ejemplo, el 12AX7 es un triodo doble (dos conjuntos de tres electrodos más calentador) con un calentador de 12,6 V (que, como suele suceder, también se puede conectar para funcionar desde 6,3 V). El "AX" no tiene otro significado que el de designar este tubo en particular según sus características. Tubos similares, pero no idénticos, son el 12AD7, 12AE7...12AT7, 12AU7, 12AV7, 12AW7 (¡raro!), 12AY7 y el 12AZ7.

Un sistema ampliamente utilizado en Europa conocido como designación de tubo Mullard-Philips , también extendido a los transistores, utiliza una letra, seguida de una o más letras y un número. El designador de tipo especifica el voltaje o la corriente del calentador (una letra), las funciones de todas las secciones del tubo (una letra por sección), el tipo de enchufe (primer dígito) y el tubo en particular (los dígitos restantes). Por ejemplo, el ECC83 (equivalente al 12AX7) es un triodo doble (CC) de 6,3 V (E) con una base en miniatura (8). En este sistema, las válvulas de calidad especial (p. ej., para uso prolongado en computadoras) se indican moviendo el número inmediatamente después de la primera letra: el E83CC es un equivalente de calidad especial del ECC83, el E55L es un pentodo de potencia sin equivalente de consumo .

Tubos para fines especiales

Tubo regulador de tensión en funcionamiento. El gas a baja presión dentro del tubo brilla debido al flujo de corriente.

Algunos tubos para fines especiales se construyen con gases particulares en la envoltura. Por ejemplo, los tubos reguladores de voltaje contienen varios gases inertes como argón , helio o neón , que se ionizarán a voltajes predecibles. el tiratrónes un tubo de propósito especial lleno de gas a baja presión o vapor de mercurio. Al igual que los tubos de vacío, contiene un cátodo caliente y un ánodo, pero también un electrodo de control que se comporta como la rejilla de un triodo. Cuando el electrodo de control inicia la conducción, el gas se ioniza, después de lo cual el electrodo de control ya no puede detener la corriente; el tubo se "engancha" a la conducción. Eliminar el voltaje del ánodo (placa) permite que el gas se desionice, restaurando su estado no conductor.

Algunos tiratrones pueden transportar grandes corrientes para su tamaño físico. Un ejemplo es el tipo miniatura 2D21, que a menudo se ve en las máquinas de discos de la década de 1950 como interruptores de control para relés . Una versión de cátodo frío del tiratrón, que utiliza una piscina de mercurio como cátodo, se llama ignitrón ; algunos pueden cambiar miles de amperios. Los tiratrones que contienen hidrógeno tienen un retraso de tiempo muy constante entre su pulso de encendido y la conducción completa; se comportan como los modernos rectificadores controlados por silicio , también llamados tiristores debido a su similitud funcional con los tiratrones. Los tiratrones de hidrógeno se han utilizado durante mucho tiempo en transmisores de radar.

Un tubo especializado es el krytron , que se utiliza para la conmutación rápida de alto voltaje. Los krytrons se utilizan para iniciar las detonaciones que se utilizan para activar un arma nuclear ; Los krytrons están fuertemente controlados a nivel internacional.

Los tubos de rayos X se utilizan en imágenes médicas, entre otros usos. Los tubos de rayos X utilizados para el funcionamiento continuo en equipos de imágenes de fluoroscopia y TC pueden utilizar un cátodo enfocado y un ánodo giratorio para disipar las grandes cantidades de calor así generadas. Estos están alojados en una carcasa de aluminio llena de aceite para proporcionar refrigeración.

El tubo fotomultiplicador es un detector de luz extremadamente sensible, que utiliza el efecto fotoeléctrico y la emisión secundaria , en lugar de la emisión termoiónica, para generar y amplificar señales eléctricas. Los equipos de imágenes de medicina nuclear y los contadores de centelleo líquido utilizan conjuntos de tubos fotomultiplicadores para detectar el centelleo de baja intensidad debido a la radiación ionizante .

El tubo Ignatron se usó en equipos de soldadura por resistencia a principios de la década de 1970. El Ignatron tenía un cátodo, un ánodo y un encendedor. La base del tubo se llenó de mercurio y el tubo se usó como interruptor de corriente muy alta. Se colocó un gran potencial de corriente entre el ánodo y el cátodo del tubo, pero solo se permitió que condujera cuando el encendedor en contacto con el mercurio tenía suficiente corriente para vaporizar el mercurio y completar el circuito. Debido a que esto se usó en la soldadura por resistencia, había dos Ignatrons para las dos fases de un circuito de CA. Debido al mercurio en el fondo del tubo, eran extremadamente difíciles de transportar. Estos tubos finalmente fueron reemplazados por SCR (rectificadores controlados de silicio).

Alimentando el tubo

Baterías

Las baterías proporcionaban los voltajes requeridos por los tubos en los primeros aparatos de radio. Generalmente se requerían tres voltajes diferentes, usando tres baterías diferentes designadas como batería A , B y C. La batería "A" o batería LT (baja tensión) proporcionó el voltaje del filamento. Los calentadores de tubo se diseñaron para baterías de plomo-ácido de una, dos o tres celdas , con voltajes de calentador nominales de 2 V, 4 V o 6 V. En las radios portátiles, las baterías secas se usaban a veces con calentadores de 1,5 o 1 V. La reducción del consumo de filamento mejoró la vida útil de las baterías. Para 1955, hacia el final de la era de los tubos, se habían desarrollado tubos que usaban solo 50 mA hasta tan solo 10 mA para los calentadores. [60]

El alto voltaje aplicado al ánodo (placa) fue proporcionado por la batería "B" o el suministro o batería HT (alta tensión). Estos eran generalmente de construcción de celda seca y típicamente venían en versiones de 22.5, 45, 67.5, 90, 120 o 135 voltios. Después de que se eliminó el uso de baterías B y se rectificó la alimentación de línea para producir el alto voltaje que necesitaban las placas de los tubos, el término "B+" persistió en los EE. UU. al referirse a la fuente de alto voltaje. La mayor parte del resto del mundo de habla inglesa se refiere a este suministro simplemente como HT (alta tensión).

Baterías para un circuito de tubos de vacío. La batería C está resaltada.

Los primeros conjuntos usaban una batería de polarización de red o una batería "C" que se conectaba para proporcionar un voltaje negativo . Dado que no fluye corriente a través de la conexión a la red de un tubo, estas baterías no tenían consumo de corriente y duraban más, generalmente limitadas por su propia vida útil. El suministro de la batería de polarización de la red rara vez, si es que alguna vez, se desconectó cuando la radio estaba apagada. Incluso después de que las fuentes de alimentación de CA se convirtieran en un lugar común, algunos aparatos de radio continuaron construyéndose con baterías C, ya que casi nunca necesitarían ser reemplazadas. Sin embargo, se diseñaron circuitos más modernos utilizando polarización de cátodo., eliminando la necesidad de una tercera tensión de alimentación; esto se volvió práctico con tubos que usaban calentamiento indirecto del cátodo junto con el desarrollo del acoplamiento de resistencia/condensador que reemplazó a los transformadores entre etapas anteriores.

La "batería C" para polarización es una designación que no tiene relación con el tamaño de la batería de " célula C " .

alimentación de CA

El reemplazo de la batería fue un costo operativo importante para los primeros usuarios de receptores de radio. El desarrollo del eliminador de batería y, en 1925, los receptores sin batería operados por energía doméstica , redujeron los costos operativos y contribuyeron a la creciente popularidad de la radio. Una fuente de alimentación que utiliza un transformador con varios devanados, uno o más rectificadores (que pueden ser tubos de vacío) y condensadores de filtro grandes proporciona los voltajes de corriente continua requeridos desde la fuente de corriente alterna.

Como medida de reducción de costos, especialmente en receptores de consumo de gran volumen, todos los calentadores de tubo podrían conectarse en serie a través del suministro de CA usando calentadores que requieran la misma corriente y con un tiempo de calentamiento similar. En uno de esos diseños, un grifo en la cadena del calentador del tubo suministró los 6 voltios necesarios para la luz del dial. Al derivar el alto voltaje de un rectificador de media onda conectado directamente a la red de CA, se eliminó el pesado y costoso transformador de energía. Esto también permitió que tales receptores operaran con corriente continua, un llamado diseño de receptor AC/DC . Muchos fabricantes de radio AM de consumo de EE. UU. De la época utilizaron un circuito prácticamente idéntico, al que se le dio el apodo de All American Five .

Cuando el voltaje de la red estaba en el rango de 100 a 120 V, este voltaje limitado resultó adecuado solo para receptores de baja potencia. Los receptores de televisión requerían un transformador o podían usar un circuito de duplicación de voltaje . Cuando se utilizaba una tensión de red nominal de 230 V, los receptores de televisión también podían prescindir de un transformador de potencia.

Las fuentes de alimentación sin transformador requerían precauciones de seguridad en su diseño para limitar el riesgo de descarga eléctrica para los usuarios, como gabinetes eléctricamente aislados y un enclavamiento que amarraba el cable de alimentación a la parte posterior del gabinete, por lo que el cable de alimentación se desconectaba necesariamente si el usuario o el técnico abría La cabina. Un cable tramposo era un cable de alimentación que terminaba en el enchufe especial utilizado por el enclavamiento de seguridad; los encargados del mantenimiento podrían alimentar el dispositivo con los voltajes peligrosos expuestos.

Para evitar el retraso del calentamiento, los receptores de televisión de "encendido instantáneo" pasaban una pequeña corriente de calentamiento a través de sus tubos incluso cuando el aparato estaba nominalmente apagado. Al encenderlo, se proporcionó la corriente de calefacción completa y el equipo sonaba casi de inmediato.

Fiabilidad

Probador de tubos fabricado en 1930.

Un problema de confiabilidad de los tubos con cátodos de óxido es la posibilidad de que el cátodo se " envenene " lentamente con moléculas de gas de otros elementos en el tubo, lo que reduce su capacidad para emitir electrones. Los gases atrapados o las fugas lentas de gas también pueden dañar el cátodo o causar un desbocamiento de la corriente de la placa (ánodo) debido a la ionización de las moléculas de gas libre. La dureza al vacío y la selección adecuada de los materiales de construcción son las principales influencias en la vida útil del tubo. Según el material, la temperatura y la construcción, el material de la superficie del cátodo también puede difundirse sobre otros elementos. Los calentadores resistivos que calientan los cátodos pueden romperse de manera similar a una lámpara incandescente .filamentos, pero rara vez lo hacen, ya que funcionan a temperaturas mucho más bajas que las lámparas.

El modo de falla del calentador suele ser una fractura relacionada con la tensión del alambre de tungsteno o en un punto de soldadura y generalmente ocurre después de acumular muchos ciclos térmicos (encendido y apagado). El alambre de tungsteno tiene una resistencia muy baja cuando está a temperatura ambiente. Un dispositivo de coeficiente de temperatura negativo, como un termistor, se puede incorporar en el suministro del calentador del equipo o se puede emplear un circuito de aceleración para permitir que el calentador o los filamentos alcancen la temperatura de funcionamiento más gradualmente que si se enciende en una función de paso. Las radios de bajo costo tenían tubos con calentadores conectados en serie, con un voltaje total igual al de la línea (red). Algunos receptores fabricados antes de la Segunda Guerra Mundial tenían calentadores de cadena en serie con un voltaje total menor que el de la red eléctrica. Algunos tenían un cable de resistencia a lo largo del cable de alimentación para bajar el voltaje a los tubos. Otros tenían resistencias en serie hechas como tubos normales; fueron llamados tubos de lastre.

Después de la Segunda Guerra Mundial, los tubos destinados a ser utilizados en cadenas de calentadores en serie se rediseñaron para que todos tuvieran el mismo tiempo de calentamiento ("controlado"). Los diseños anteriores tenían constantes de tiempo térmicas bastante diferentes. La etapa de salida de audio, por ejemplo, tenía un cátodo más grande y se calentaba más lentamente que los tubos de menor potencia. El resultado fue que los calentadores que se calentaban más rápido también tenían temporalmente una mayor resistencia, debido a su coeficiente de temperatura positivo. Esta resistencia desproporcionada hizo que funcionaran temporalmente con voltajes del calentador muy por encima de sus valores nominales y acortó su vida útil.

Otro problema importante de confiabilidad es causado por la fuga de aire en el tubo. Por lo general , el oxígeno en el aire reacciona químicamente con el filamento o cátodo caliente, arruinándolo rápidamente. Los diseñadores desarrollaron diseños de tubos que sellaron de manera confiable. Por eso la mayoría de los tubos estaban hechos de vidrio. Se habían desarrollado aleaciones de metal (como Cunife y Fernico ) y vidrios para bombillas que se expandían y contraían en cantidades similares, a medida que cambiaba la temperatura. Estos facilitaron la construcción de una envoltura aislante de vidrio, mientras se pasaban los cables de conexión a través del vidrio hasta los electrodos.

Cuando un tubo de vacío está sobrecargado o funciona más allá de su diseño de disipación, su ánodo (placa) puede brillar en rojo. En los equipos de consumo, una placa incandescente es universalmente un signo de un tubo sobrecargado. Sin embargo, algunos tubos transmisores grandes están diseñados para operar con sus ánodos en calor rojo, naranja o, en casos raros, blanco.

A menudo se fabricaban versiones de "calidad especial" de las válvulas estándar, diseñadas para mejorar el rendimiento en algún aspecto, como un cátodo de mayor duración, construcción de bajo ruido, robustez mecánica a través de filamentos reforzados, microfonía baja, para aplicaciones en las que la válvula gastará gran parte de su energía. tiempo de corte, etc. La única forma de conocer las características particulares de una pieza de calidad especial es leyendo la ficha técnica. Los nombres pueden reflejar el nombre estándar (12AU7==>12AU7A, su equivalente ECC82==>E82CC, etc.), o ser absolutamente cualquier cosa (los equivalentes estándar y de calidad especial del mismo tubo incluyen 12AU7, ECC82, B329, CV491, E2163 , E812CC, M8136, CV4003, 6067, VX7058, 5814A y 12AU7A). [61]

La válvula de pentodo Mazda AC/P (número de serie 4418) en funcionamiento en el transmisor principal de Irlanda del Norte de la BBC en Lisnagarvey obtuvo la vida útil de válvula más larga registrada . La válvula estuvo en servicio desde 1935 hasta 1961 y tuvo una vida útil registrada de 232.592 horas. La BBC mantuvo registros meticulosos de la vida útil de sus válvulas con devoluciones periódicas a sus depósitos centrales de válvulas. [62] [63]

Vacío

Getter en tubo abierto; depósito plateado de getter
Pantalla fluorescente de vacío total (se ha filtrado aire y el punto de captación se ha vuelto blanco)

Un tubo de vacío necesita un vacío extremadamente alto (o vacío duro , según la terminología de rayos X [64] ) para evitar las consecuencias de generar iones positivos dentro del tubo. Los átomos de gas residuales se ionizan cuando son golpeados por un electrón y pueden afectar negativamente al cátodo, reduciendo la emisión. [65] Grandes cantidades de gas residual pueden crear una descarga luminiscente visible entre los electrodos del tubo y provocar el sobrecalentamiento de los electrodos, produciendo más gas, dañando el tubo y posiblemente otros componentes debido al exceso de corriente. [66] [67] [68] Para evitar estos efectos, la presión residual dentro del tubo debe ser lo suficientemente baja como para que el camino libre mediode un electrón es mucho más largo que el tamaño del tubo (por lo que es poco probable que un electrón golpee un átomo residual y habrá muy pocos átomos ionizados presentes). Los tubos de vacío comerciales se vacían en la fabricación a aproximadamente 0,000001 mmHg (1,0 × 10-6  Torr; 130 μPa; 1,3 × 10-6 mbar ;  1,3 × 10-9 atm  ). [69] [70]

Para evitar que los gases comprometan el vacío del tubo, los tubos modernos se construyen con getters , que suelen ser metales que se oxidan rápidamente, siendo el bario el más común. [70] [71] En el caso de los tubos de vidrio, mientras se evacua la envoltura del tubo, las partes internas, excepto el getter, se calientan mediante calentamiento por inducción de RF . para desarrollar cualquier gas remanente de las partes metálicas. Luego, el tubo se sella y la cubeta o bandeja del getter, para los getters flash, se calienta a una temperatura alta, nuevamente mediante calentamiento por inducción de radiofrecuencia, lo que hace que el material del getter se vaporice y reaccione con cualquier gas residual. El vapor se deposita en el interior de la envoltura de vidrio, dejando un parche metálico de color plateado que continúa absorbiendo pequeñas cantidades de gas que pueden filtrarse dentro del tubo durante su vida útil. Se tiene mucho cuidado con el diseño de la válvula para garantizar que este material no se deposite en ninguno de los electrodos de trabajo. Si un tubo presenta una fuga grave en la envoltura, este depósito se vuelve de color blanco al reaccionar con el oxígeno atmosférico . Los tubos de transmisión grandes y especializados a menudo usan materiales absorbentes más exóticos, comocirconio _ Los primeros tubos captadores usaban captadores a base de fósforo, y estos tubos son fácilmente identificables, ya que el fósforo deja un depósito naranja o arcoíris característico en el vidrio. El uso de fósforo fue de corta duración y fue rápidamente reemplazado por captadores de bario superiores. A diferencia de los captadores de bario, el fósforo no absorbía más gases una vez disparado.

Los captadores actúan combinándose químicamente con gases residuales o infiltrantes, pero no pueden contrarrestar los gases inertes (no reactivos). Un problema conocido, que afecta principalmente a las válvulas con envolturas grandes, como los tubos de rayos catódicos y los tubos de cámara, como los iconoscopios , los orticones y los orticones de imágenes , proviene de la infiltración de helio. [ cita requerida ]El efecto aparece como funcionamiento deteriorado o ausente, y como un resplandor difuso a lo largo de la corriente de electrones dentro del tubo. Este efecto no se puede rectificar (a menos que se vuelva a evacuar y volver a sellar), y es responsable de que los ejemplos de trabajo de tales tubos se vuelvan cada vez más raros. Los tubos sin usar ("New Old Stock") también pueden exhibir infiltración de gas inerte, por lo que no hay garantía a largo plazo de que estos tipos de tubos sobrevivan en el futuro.

Tubos transmisores

Los tubos transmisores grandes tienen filamentos de tungsteno carbonizado que contienen una pequeña traza (1% a 2%) de torio . Una capa extremadamente delgada (molecular) de átomos de torio se forma en el exterior de la capa carbonizada del cable y, cuando se calienta, sirve como una fuente eficiente de electrones. El torio se evapora lentamente de la superficie del alambre, mientras que los nuevos átomos de torio se difunden hacia la superficie para reemplazarlos. Dichos cátodos de tungsteno toriados suelen tener una vida útil de decenas de miles de horas. El escenario del final de la vida útil de un filamento de tungsteno toriado es cuando la capa carbonizada se ha vuelto a convertir en su mayor parte en otra forma de carburo de tungsteno.y la emisión comienza a disminuir rápidamente; Nunca se ha encontrado que una pérdida completa de torio sea un factor en el final de la vida útil de un tubo con este tipo de emisor. WAAY-TV en Huntsville, Alabama logró 163.000 horas (18,6 años) de servicio desde un klystron de cavidad externa de Eimac en el circuito visual de su transmisor; esta es la vida útil documentada más alta para este tipo de tubo. [72] Se ha dicho [ ¿quién? ]que los transmisores con tubos de vacío son más capaces de sobrevivir a los rayos que los transmisores de transistores. Si bien se creía comúnmente que los tubos de vacío eran más eficientes que los circuitos de estado sólido a niveles de potencia de RF superiores a aproximadamente 20 kilovatios, este ya no es el caso, especialmente en el servicio de onda media (transmisión AM) donde los transmisores de estado sólido en casi toda la potencia los niveles tienen una eficiencia medible más alta. Los transmisores de radiodifusión FM con amplificadores de potencia de estado sólido de hasta aproximadamente 15 kW también muestran una mejor eficiencia energética general que los amplificadores de potencia basados ​​en válvulas.

Tubos receptores

Los cátodos en pequeños tubos "receptores" están recubiertos con una mezcla de óxido de bario y óxido de estroncio , a veces con adición de óxido de calcio u óxido de aluminio . Se inserta un calentador eléctrico en el manguito del cátodo y se aísla eléctricamente mediante una capa de óxido de aluminio. Esta construcción compleja hace que los átomos de bario y estroncio se difundan hacia la superficie del cátodo y emitan electrones cuando se calientan a unos 780 grados centígrados.

Modos de falla

Fallas catastróficas

Una falla catastrófica es aquella que repentinamente inutiliza el tubo de vacío. Una grieta en el sobre de vidrio permitirá que entre aire en el tubo y lo destruya. Las grietas pueden resultar de la tensión en el vidrio, pasadores doblados o impactos; los casquillos de los tubos deben permitir la expansión térmica para evitar la tensión en el vidrio en las clavijas. La tensión puede acumularse si un escudo de metal u otro objeto presiona la envoltura del tubo y provoca un calentamiento diferencial del vidrio. El vidrio también puede resultar dañado por arcos de alto voltaje.

Los calentadores de tubo también pueden fallar sin previo aviso, especialmente si se exponen a sobrevoltaje o como resultado de defectos de fabricación. Los calentadores de tubo normalmente no fallan por evaporación como los filamentos de las lámparas , ya que funcionan a una temperatura mucho más baja. La oleada de corriente de irrupción cuando el calentador se energiza por primera vez causa tensión en el calentador y se puede evitar calentando lentamente los calentadores, aumentando gradualmente la corriente con un termistor NTCincluido en el circuito. Los tubos destinados a la operación en cadena en serie de los calentadores a través del suministro tienen un tiempo de calentamiento controlado específico para evitar el exceso de voltaje en algunos calentadores mientras otros se calientan. Los cátodos de tipo filamento que se calientan directamente, como los que se usan en los tubos que funcionan con batería o algunos rectificadores, pueden fallar si el filamento se hunde, lo que provoca un arco interno. El exceso de voltaje del calentador al cátodo en los cátodos calentados indirectamente puede romper el aislamiento entre los elementos y destruir el calentador.

La formación de arcos entre los elementos del tubo puede destruir el tubo. Un arco puede ser causado por la aplicación de voltaje al ánodo (placa) antes de que el cátodo alcance la temperatura de operación, o por el exceso de corriente a través de un rectificador, lo que daña el revestimiento de emisión. Los arcos también pueden ser iniciados por cualquier material suelto dentro del tubo o por un exceso de voltaje en la pantalla. Un arco dentro del tubo permite que el gas evolucione desde los materiales del tubo y puede depositar material conductor en los espaciadores aislantes internos. [73]

Los rectificadores de tubo tienen una capacidad de corriente limitada y exceder las clasificaciones eventualmente destruirá un tubo.

Fallos degenerativos

Las fallas degenerativas son aquellas causadas por el lento deterioro del rendimiento a lo largo del tiempo.

El sobrecalentamiento de las piezas internas, como las rejillas de control o los aisladores espaciadores de mica, puede provocar que el gas atrapado escape al interior del tubo; esto puede reducir el rendimiento. un captadorse utiliza para absorber los gases que se desprenden durante el funcionamiento del tubo, pero solo tiene una capacidad limitada para combinarse con el gas. El control de la temperatura de la envolvente evita algunos tipos de gasificación. Un tubo con un nivel inusualmente alto de gas interno puede exhibir un brillo azul visible cuando se aplica voltaje de placa. El absorbente (al ser un metal altamente reactivo) es efectivo contra muchos gases atmosféricos pero no tiene (o es muy limitada) reactividad química a gases inertes como el helio. Un tipo progresivo de falla, especialmente con envolturas físicamente grandes como las que usan los tubos de cámara y los tubos de rayos catódicos, proviene de la infiltración de helio. El mecanismo exacto no está claro: los sellos de entrada de metal a vidrio son un posible sitio de infiltración.

El gas y los iones dentro del tubo contribuyen a la corriente de la red que puede perturbar el funcionamiento de un circuito de tubo de vacío. Otro efecto del sobrecalentamiento es el depósito lento de vapores metálicos en los espaciadores internos, lo que provoca fugas entre elementos.

Los tubos en modo de espera durante períodos prolongados, con el voltaje del calentador aplicado, pueden desarrollar una alta resistencia en la interfaz del cátodo y mostrar características de emisión deficientes. Este efecto ocurrió especialmente en los circuitos digitales y de pulsos , donde los tubos no tenían flujo de corriente de placa durante períodos prolongados. Se fabricaron tubos diseñados específicamente para este modo de operación.

El agotamiento del cátodo es la pérdida de emisión después de miles de horas de uso normal. A veces, la emisión se puede restaurar por un tiempo elevando el voltaje del calentador, ya sea por un período corto o un aumento permanente de un pequeño porcentaje. El agotamiento del cátodo era poco común en los tubos de señal, pero era una causa frecuente de fallas en los tubos de rayos catódicos de televisión monocromática . [74] La vida útil de este costoso componente a veces se extendía instalando un transformador elevador para aumentar el voltaje del calentador.

Otros fracasos

Los tubos de vacío pueden desarrollar defectos de funcionamiento que hacen que un tubo individual no sea adecuado para un dispositivo determinado, aunque puede funcionar satisfactoriamente en otra aplicación. La microfonía se refiere a las vibraciones internas de los elementos del tubo que modulan la señal del tubo de una manera no deseada; la captación de sonido o vibración puede afectar las señales, o incluso causar aullidos incontrolados si se desarrolla una ruta de retroalimentación (con una ganancia superior a la unidad) entre un tubo microfónico y, por ejemplo, un altavoz. La corriente de fuga entre los calentadores de CA y el cátodo puede acoplarse al circuito, o los electrones emitidos directamente desde los extremos del calentador también pueden inyectar zumbidos en la señal. La corriente de fuga debida a la contaminación interna también puede inyectar ruido. [75]Algunos de estos efectos hacen que las válvulas no sean adecuadas para el uso de audio de señal pequeña, aunque no tienen objeciones para otros fines. Seleccionar lo mejor de un lote de tubos nominalmente idénticos para aplicaciones críticas puede producir mejores resultados.

Los pasadores de tubo pueden desarrollar películas superficiales no conductoras o de alta resistencia debido al calor o la suciedad. Los pines se pueden limpiar para restaurar la conductancia.

Prueba

Probador universal de tubos de vacío

Los tubos de vacío se pueden probar fuera de sus circuitos usando un probador de tubos de vacío.

Otros dispositivos de tubos de vacío

La mayoría de los dispositivos de tubo de vacío de pequeña señal han sido reemplazados por semiconductores, pero algunos dispositivos electrónicos de tubo de vacío todavía son de uso común. El magnetrón es el tipo de tubo que se utiliza en todos los hornos de microondas . A pesar del avance de la tecnología de semiconductores de potencia, el tubo de vacío todavía tiene ventajas de confiabilidad y costo para la generación de energía de RF de alta frecuencia.

Algunos tubos, como los magnetrones , los tubos de ondas viajeras , los carcinotrones y los klistrones , combinan efectos magnéticos y electrostáticos. Estos son generadores de RF eficientes (generalmente de banda estrecha) y aún encuentran uso en radares , hornos de microondas y calefacción industrial. Los tubos de onda viajera (TWT) son muy buenos amplificadores e incluso se utilizan en algunos satélites de comunicaciones. Los tubos amplificadores klystron de alta potencia pueden proporcionar cientos de kilovatios en el rango UHF.

Tubos de rayos catódicos

El tubo de rayos catódicos (CRT) es un tubo de vacío que se utiliza especialmente para fines de visualización. Aunque todavía hay muchos televisores y monitores de computadora que usan tubos de rayos catódicos, están siendo reemplazados rápidamente por pantallas planas cuya calidad ha mejorado mucho incluso cuando sus precios bajan. Esto también se aplica a los osciloscopios digitales (basados ​​en computadoras internas y convertidores de analógico a digital ), aunque se siguen produciendo osciloscopios analógicos tradicionales (que dependen de los CRT), son económicos y los preferidos por muchos técnicos. [ cita requerida ] Hubo un tiempo en que muchas radios usaban " tubos de ojos mágicos ", un tipo especializado de CRT que se usaba en lugar de unmovimiento del medidor para indicar la intensidad de la señal o el nivel de entrada en una grabadora. Un dispositivo indicador moderno, la pantalla fluorescente de vacío (VFD) también es una especie de tubo de rayos catódicos.

El tubo de rayos X es un tipo de tubo de rayos catódicos que genera rayos X cuando los electrones de alto voltaje golpean el ánodo.

Los girotrones o máseres de vacío, utilizados para generar ondas de banda milimétrica de alta potencia, son tubos de vacío magnéticos en los que se utiliza un pequeño efecto relativista , debido al alto voltaje, para agrupar los electrones. Los girotrones pueden generar potencias muy altas (cientos de kilovatios). Los láseres de electrones libres , utilizados para generar luz coherente de alta potencia e incluso rayos X , son tubos de vacío altamente relativistas impulsados ​​por aceleradores de partículas de alta energía. Por lo tanto, estos son tipos de tubos de rayos catódicos.

Multiplicadores de electrones

Un fotomultiplicador es un fototubo cuya sensibilidad aumenta considerablemente mediante el uso de la multiplicación de electrones. Esto funciona según el principio de emisión secundaria , mediante el cual un solo electrón emitido por el fotocátodo golpea un tipo especial de ánodo conocido como dínodo , lo que hace que se liberen más electrones de ese dínodo. Esos electrones se aceleran hacia otro dínodo a un voltaje más alto, liberando más electrones secundarios; hasta 15 de estas etapas proporcionan una gran amplificación. A pesar de los grandes avances en los fotodetectores de estado sólido, la capacidad de detección de un solo fotón de los tubos fotomultiplicadores hace que este dispositivo de tubo de vacío sobresalga en ciertas aplicaciones. Dicho tubo también se puede utilizar para la detección deradiación ionizante como alternativa al tubo Geiger-Müller (en sí mismo no es un tubo de vacío real). Históricamente, el tubo de la cámara de TV orthicon de imagen ampliamente utilizado en los estudios de televisión antes del desarrollo de las matrices CCD modernas también utilizaba la multiplicación de electrones en varias etapas.

Durante décadas, los diseñadores de tubos de electrones intentaron aumentar los tubos amplificadores con multiplicadores de electrones para aumentar la ganancia, pero estos sufrieron una vida corta porque el material utilizado para los dínodos "envenenó" el cátodo caliente del tubo. (Por ejemplo, se comercializó el interesante tubo de emisión secundaria RCA 1630, pero no duró). Sin embargo, finalmente, Philips de los Países Bajos desarrolló el tubo EFP60 que tuvo una vida útil satisfactoria y se usó en al menos un producto, un pulso de laboratorio. generador. En ese momento, sin embargo, los transistores estaban mejorando rápidamente, haciendo superfluos tales desarrollos.

Una variante llamada "multiplicador de electrones de canal" no utiliza dinodos individuales, sino que consta de un tubo curvo, como una hélice, recubierto por dentro con material con buena emisión secundaria. Un tipo tenía una especie de embudo para capturar los electrones secundarios. El dínodo continuo era resistivo y sus extremos estaban conectados a un voltaje suficiente para crear cascadas repetidas de electrones. La placa de microcanal consta de una serie de multiplicadores de electrones de una sola etapa sobre un plano de imagen; varios de estos se pueden apilar. Esto se puede utilizar, por ejemplo, como un intensificador de imagen en el que los canales discretos sustituyen al enfoque.

Tektronix fabricó un osciloscopio CRT de banda ancha de alto rendimiento con una placa multiplicadora de electrones de canal detrás de la capa de fósforo. Esta placa era una matriz agrupada de una gran cantidad de tubos cem individuales cortos que aceptaban un haz de baja corriente y lo intensificaban para proporcionar una pantalla de brillo práctico. (La óptica electrónica del cañón de electrones de banda ancha no podía proporcionar suficiente corriente para excitar directamente el fósforo).

Tubos de vacío en el siglo XXI

Aplicaciones de nicho

Aunque los tubos de vacío han sido reemplazados en gran medida por dispositivos de estado sólido en la mayoría de las aplicaciones de amplificación, conmutación y rectificación, existen ciertas excepciones. Además de las funciones especiales mencionadas anteriormente, los tubos todavía tienen algunas aplicaciones de nicho.

En general, los tubos de vacío son mucho menos susceptibles que los componentes de estado sólido correspondientes a las sobretensiones transitorias, como las subidas de tensión o los rayos, el efecto de pulso electromagnético de las explosiones nucleares [76] o las tormentas geomagnéticas producidas por gigantescas erupciones solares. [77] Esta propiedad los mantuvo en uso para ciertas aplicaciones militares mucho después de que la tecnología de estado sólido más práctica y menos costosa estuviera disponible para las mismas aplicaciones, como por ejemplo con el MiG-25 . [76]

Los tubos de vacío siguen siendo [ ¿cuándo? ] alternativas prácticas a los dispositivos de estado sólido para generar alta potencia en radiofrecuencias en aplicaciones tales como calefacción industrial por radiofrecuencia , aceleradores de partículas y transmisores de radiodifusión . Esto es particularmente cierto en las frecuencias de microondas donde dispositivos como el klystron y el tubo de ondas viajeras proporcionan amplificación a niveles de potencia inalcanzables con los dispositivos semiconductores actuales. El horno de microondas doméstico utiliza un tubo de magnetrón para generar eficientemente cientos de vatios de potencia de microondas. Dispositivos de estado sólido comonitruro de galio son sustitutos prometedores, pero son muy caros y todavía [ ¿cuándo? ] en desarrollo.

En aplicaciones militares, un tubo de vacío de alta potencia puede generar una señal de 10 a 100 megavatios que puede quemar la interfaz de un receptor desprotegido. Dichos dispositivos se consideran armas electromagnéticas no nucleares; fueron introducidos a fines de la década de 1990 tanto por EE. UU. como por Rusia. [ cita requerida ]

Audiófilos

Amplificador de audio híbrido de válvulas de 70 vatios

Suficientes personas prefieren el sonido de válvulas para hacer que los amplificadores de válvulas sean comercialmente viables en tres áreas: amplificadores de instrumentos musicales (p. ej., guitarra), dispositivos utilizados en estudios de grabación y equipos para audiófilos . [78]

Muchos guitarristas prefieren usar amplificadores de válvulas en lugar de modelos de estado sólido, a menudo debido a la forma en que tienden a distorsionarse cuando están saturados. [79] Cualquier amplificador solo puede amplificar con precisión una señal a un cierto volumen; pasado este límite, el amplificador comenzará a distorsionar la señal. Diferentes circuitos distorsionarán la señal de diferentes maneras; algunos guitarristas prefieren las características de distorsión de los tubos de vacío. Los modelos antiguos más populares usan tubos de vacío. [ cita requerida ]

Muestra

Tubo de rayos catódicos

El tubo de rayos catódicos fue la tecnología de visualización dominante para televisores y monitores de computadora a principios del siglo XXI. Sin embargo, los rápidos avances y la caída de los precios de la tecnología de pantalla plana LCD pronto ocuparon el lugar de los CRT en estos dispositivos. [80] Para 2010, la mayor parte de la producción de CRT había terminado. [81]

Tubos de vacío que utilizan emisores de electrones de campo

En los primeros años del siglo XXI se ha renovado el interés por los tubos de vacío, esta vez con el emisor de electrones formado sobre un sustrato plano de silicio, como en la tecnología de circuitos integrados . Este tema ahora se llama nanoelectrónica de vacío. [82] El diseño más común utiliza un cátodo frío en forma de fuente de electrones de campo de área grande (por ejemplo, una matriz de emisores de campo ). Con estos dispositivos, los electrones se emiten en campo desde un gran número de sitios de emisión individuales muy próximos entre sí.

Dichos microtubos integrados pueden encontrar aplicación en dispositivos de microondas , incluidos teléfonos móviles, para transmisión Bluetooth y Wi-Fi , y en comunicaciones por radar y satélite . [ cita requerida ] A partir de 2012 , se estaban estudiando para posibles aplicaciones en la tecnología de visualización de emisiones de campo , pero hubo problemas de producción significativos. [ cita requerida ]

A partir de 2014, se informó que el Centro de Investigación Ames de la NASA estaba trabajando en transistores de canal de vacío producidos mediante técnicas CMOS. [83]

Características

Características típicas de la placa triodo

Carga espacial de un tubo de vacío

Cuando un cátodo se calienta y alcanza una temperatura de funcionamiento de alrededor de 1050° Kelvin (777° Celsius), los electrones libres son expulsados ​​de su superficie. Estos electrones libres forman una nube en el espacio vacío entre el cátodo y el ánodo, conocida como carga espacial . Esta nube de carga espacial suministra los electrones que crean el flujo de corriente desde el cátodo al ánodo. A medida que los electrones son atraídos hacia el ánodo durante la operación del circuito, nuevos electrones hervirán del cátodo para reponer la carga espacial. [84] La carga espacial es un ejemplo de un campo eléctrico .

Voltaje - Características actuales del tubo de vacío

Todos los tubos con una o más rejillas de control están controlados por un voltaje de entrada de CA ( corriente alterna ) aplicado a la rejilla de control, mientras que la señal amplificada resultante aparece en el ánodo como corriente . Debido al alto voltaje colocado en el ánodo, una corriente de ánodo relativamente pequeña puede representar un aumento considerable de energía sobre el valor del voltaje de la señal original. Los electrones de carga espacial expulsados ​​del cátodo calentado son fuertemente atraídos por el ánodo positivo. Las rejillas de control en un tubo median este flujo de corriente al combinar la pequeña corriente de señal de CA con el valor ligeramente negativo de la rejilla. Cuando la señal de onda sinusoidal (CA) se aplica a la red, se desplazaen este valor negativo, impulsándolo tanto a positivo como a negativo a medida que cambia la onda de la señal de CA.

Esta relación se muestra con un conjunto de curvas de características de la placa (consulte el ejemplo anterior) que muestran visualmente cómo la corriente de salida del ánodo ( I a ) puede verse afectada por un pequeño voltaje de entrada aplicado en la red ( V g ), para cualquier voltaje dado en la placa (ánodo) ( V a ).

Cada tubo tiene un conjunto único de tales curvas características. Las curvas relacionan gráficamente los cambios con la corriente de placa instantánea impulsada por un cambio mucho menor en el voltaje de red a cátodo ( Vgk ) a medida que varía la señal de entrada.

La característica VI depende del tamaño y material de la placa y el cátodo. [85] Exprese la relación entre la tensión de placa y la corriente de placa. [86]

  • Curva VI (Tensión a través de filamentos, corriente de placa)
  • Corriente de placa, características de tensión de placa
  • Resistencia de placa de CC de la placa: resistencia de la ruta entre el ánodo y el cátodo de corriente continua
  • Resistencia de placa de CA de la placa: resistencia del camino entre el ánodo y el cátodo de corriente alterna

Tamaño del campo electrostático

El tamaño del campo electrostático es el tamaño entre dos o más placas en el tubo.

Patentes

Véase también

Notas explicativas

Referencias

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Lectura adicional

  • Eastman, Austin V., Fundamentos de los tubos de vacío , McGraw-Hill, 1949
  • Millman, J. y Seely, S. Electrónica , 2ª ed. McGraw-Hill, 1951.
  • Biblioteca técnica de Philips. Libros publicados en el Reino Unido en las décadas de 1940 y 1950 por Cleaver Hume Press sobre diseño y aplicación de tubos de vacío.
  • rca. Manual del diseñador de Radiotron , 1953 (4ª edición). Contiene capítulos sobre el diseño y aplicación de tubos receptores.
  • rca. Manual de válvulas receptoras, RC15, RC26 (1947, 1968) Publicado cada dos años, contiene detalles de las especificaciones técnicas de las válvulas vendidas por RCA.
  • Shiers, George, "El primer tubo de electrones", Scientific American, marzo de 1969, pág. 104.
  • Spangenberg, Karl R. (1948). Tubos de vacío . McGraw-Hill. OCLC  567981 . CCL TK7872.V3  .
  • Stokes, John, 70 Years of Radio Tubes and Valves , Vestal Press, Nueva York, 1982, págs. 3–9.
  • Thrower, Keith, Historia de la válvula de radio británica hasta 1940 , MMA International, 1982, págs. 9–13.
  • Tyne, Gerald, Saga of the Vacuum Tube , Ziff Publishing, 1943, (reimpresión de 1994 Prompt Publications), págs. 30–83.
  • Electrónica básica: Volúmenes 1–5 ; Van Valkenburgh, Nooger & Neville Inc.; Editor de John F. Rider; 1955.
  • Mundo Inalámbrico. Manual del diseñador de radio . Reimpresión del Reino Unido de lo anterior.
  • "Diseño de tubo de vacío" ; 1940; rca.

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