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 alto vacío entre electrodos a los que se aplica 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 de un cátodo caliente para funciones electrónicas fundamentales como la amplificación de señales y la rectificación de corriente . Sin embargo , los tipos no termiónicos, como el 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 del tubo.
El tubo de vacío más simple, el diodo (es decir, la válvula de Fleming ), fue inventado en 1904 por John Ambrose Fleming . Contiene únicamente un cátodo emisor de electrones calentado y un ánodo. Los electrones sólo pueden fluir en una dirección a través del dispositivo: del cátodo al ánodo. Agregar una o más rejillas de control dentro del tubo permite controlar la corriente entre el cátodo y el ánodo mediante el voltaje en las rejillas. [5]
Estos dispositivos se convirtieron en un componente clave de los circuitos electrónicos de 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 chispas para radio o computadoras mecánicas para informática, 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, más eficientes, fiables, duraderos, más seguros, más fríos y más económicos que los tubos termoiónicos. A partir de mediados de la década de 1960, los tubos termoiónicos fueron sustituidos 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 emplean en algunas aplicaciones, como el magnetrón utilizado en los hornos microondas, ciertos amplificadores de alta frecuencia y amplificadores de audio de alta gama, que muchos entusiastas del audio prefieren por su sonido de tubo "más cálido" , y amplificadores para instrumentos musicales eléctricos como como guitarras (para los efectos deseados, como "sobrecargarlas" para lograr un determinado sonido o tono).
No todas las válvulas/tubos de electrones de los circuitos electrónicos 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.
Una clasificación de los tubos de vacío termoiónicos es por el número de electrodos activos . Un dispositivo con dos elementos activos es un diodo , normalmente utilizado para 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 posibles gracias a los electrodos controlables adicionales.
Otras clasificaciones son:
Los tubos de vacío pueden tener otros componentes y funciones además de los descritos anteriormente, y se describen en otra parte. Estos incluyen tubos de rayos catódicos , que crean un haz de electrones con fines de visualización (como el tubo de imagen de televisión, en microscopía electrónica y en litografía por haz de electrones ); tubos de rayos X ; fototubos y fotomultiplicadores (que dependen del flujo de electrones a través del vacío donde la emisión de electrones del cátodo depende de la energía de los fotones en lugar de la emisión termoiónica ).
Un tubo de vacío consta de dos o más electrodos al vacío dentro de un sobre hermético. La mayoría de los tubos tienen envolturas de vidrio con un sello de vidrio a metal a base de vidrios de borosilicato sellables kovar , aunque se han utilizado envolturas de cerámica y metal (sobre bases aislantes). Los electrodos están conectados a cables que atraviesan la envoltura mediante un sello hermético. La mayoría de los tubos de vacío tienen una vida útil limitada, debido a que el filamento o el calentador se quema u otros modos de falla, por lo que se fabrican como unidades reemplazables; Los cables del electrodo se conectan a clavijas en la base del tubo que se conectan a un casquillo del tubo . Los tubos eran una causa frecuente de fallas en los equipos electrónicos y se esperaba que los consumidores pudieran reemplazarlos ellos 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 la rejilla de alta impedancia. [7] : 580 [8] Las bases se fabricaban comúnmente con aislamiento fenólico que funciona mal como aislante en condiciones de humedad. Otras razones para usar una tapa superior incluyen mejorar la estabilidad al reducir la capacitancia de la rejilla al ánodo, [9] mejorar el rendimiento de alta frecuencia, mantener un voltaje de placa muy alto alejado de voltajes más bajos y acomodar 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 incandescentes , que contenían un filamento sellado en una envoltura de vidrio al vacío. Cuando está caliente, el filamento de un tubo de vacío (un cátodo ) libera electrones al vacío, un proceso llamado emisión termoiónica , originalmente conocido como 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 desde el filamento a la placa. Sin embargo, los electrones no pueden fluir en dirección inversa porque la placa no se calienta y no emite electrones. El filamento 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 ellas. Un tubo de este tipo con sólo dos electrodos se denomina diodo y se utiliza para rectificación . Dado que la corriente sólo puede pasar en una dirección, dicho diodo (o rectificador ) convertirá la corriente alterna (CA) en CC pulsante. Por lo tanto, los diodos se pueden utilizar en una fuente de alimentación de CC , como demodulador de señales de radio de amplitud modulada (AM) y para funciones similares.
Los primeros tubos utilizaban el filamento como cátodo; esto se llama tubo "calentado directamente". La mayoría de los tubos modernos se "calientan indirectamente" mediante un elemento "calefactor" dentro de un tubo metálico que es el cátodo. El calentador está aislado eléctricamente del cátodo circundante y sirve simplemente 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 de CA sin provocar zumbidos) al tiempo que permite que los cátodos de diferentes tubos funcionen 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 se amplifican señales a 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 la corriente de reposo necesaria para garantizar la linealidad y la baja distorsión. En un amplificador de potencia, este calentamiento puede ser considerable y destruir el tubo si se lo lleva más allá de sus límites de seguridad. Dado que el tubo contiene vacío, los ánodos en la mayoría de los tubos de potencia pequeña y mediana se enfrían mediante 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 soplador o camisa de agua.
Los klistrones y magnetrones a menudo operan sus ánodos (llamados colectores en los klistrones) 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 porque no son electrodos sólidos sino elementos dispersos a través de los cuales pueden pasar los electrones en su camino hacia la placa. El tubo de vacío se conoce entonces como triodo , tetrodo , pentodo , etc., según el número de rejillas. Un triodo tiene tres electrodos: el ánodo, el cátodo y una rejilla, etc. La primera red, conocida como red de control (y a veces otras redes) transforma el diodo en un dispositivo controlado por voltaje : el voltaje aplicado a la red de control afecta la corriente entre el cátodo y la placa. Cuando se mantiene negativa 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. Mientras la rejilla de control sea negativa en relación con el cátodo, esencialmente no fluye corriente hacia él; 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 parecido al tubo pentodo es el transistor de efecto de campo de unión (JFET), aunque los tubos de vacío suelen funcionar a más de cien voltios, a diferencia de la mayoría de los semiconductores en la mayoría de las aplicaciones.
El siglo XIX vio una creciente investigación con tubos de vacío, como los tubos de Geissler y Crookes . Entre los muchos científicos e inventores que experimentaron con dichos tubos se encuentran Thomas Edison , Eugen Goldstein , Nikola Tesla y Johann Wilhelm Hittorf . [11] A excepción de las primeras bombillas , estos tubos sólo se utilizaban en investigaciones científicas o como novedades. Sin embargo, el trabajo preliminar sentado 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 , [12] fue el descubrimiento aparentemente independiente del fenómeno por parte de Thomas Edison en 1883, conocido como efecto Edison , el que se hizo bien conocido. Aunque Edison era consciente de la propiedad unidireccional del flujo de corriente entre el filamento y el ánodo, su interés (y su patente [13] ) se concentró en la sensibilidad de la corriente del ánodo a la corriente que atraviesa el filamento (y, por tanto, a 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 respecto al detector magnético . [14]
La amplificación mediante válvulas de vacío se volvió práctica sólo con la invención de Lee de Forest en 1907 del tubo " audion " de tres terminales, una forma tosca de lo que se convertiría en el triodo . [15] Al ser esencialmente el primer amplificador electrónico , [16] estos tubos fueron fundamentales en la telefonía de larga distancia (como la primera línea telefónica de costa a costa en los EE. UU.) y en los sistemas de megafonía , e introdujeron un amplificador muy superior y versátil. Tecnología para su uso en transmisores y receptores de radio.
A finales del siglo XIX, la tecnología de radio o inalámbrica se encontraba en una etapa temprana de desarrollo y la empresa Marconi se dedicaba al desarrollo y construcción de sistemas de comunicación por radio. Guglielmo Marconi nombró al físico inglés John Ambrose Fleming como asesor científico en 1899. Fleming había sido contratado como asesor científico de Edison Telephone (1879), como asesor científico de Edison Electric Light (1882), y también fue consultor técnico de Edison-Swan . [17] Una de las necesidades de Marconi era la mejora del detector , un dispositivo que extrae información de una radiofrecuencia modulada. Marconi había desarrollado un detector magnético , que respondía menos a las fuentes naturales de interferencias de radiofrecuencia que el coherer , pero el detector magnético sólo proporcionaba una señal de audiofrecuencia a un receptor de teléfono. Se necesitaba un detector fiable que pudiera controlar un instrumento de impresión. Como resultado de los experimentos realizados con bombillas de efecto Edison, [14] Fleming desarrolló un tubo de vacío al que denominó válvula de oscilación porque pasaba corriente en una sola dirección. [18] El cátodo era un filamento de lámpara de carbono, calentado al pasar corriente a través de él, que producía una emisión termoiónica de electrones. Los electrones que habían sido emitidos por el cátodo fueron atraídos hacia la placa ( ánodo ) cuando la placa estaba en 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, asignada a la compañía Marconi, en el Reino Unido en noviembre de 1904 y esta patente se emitió en septiembre de 1905. [19] Más tarde conocida como válvula Fleming , la válvula de oscilación fue desarrollada con el propósito de rectificar la radio. corriente de frecuencia como componente detector de circuitos receptores de radio. [14] [20]
Si bien no ofrece ninguna ventaja sobre la sensibilidad eléctrica de los detectores de cristal , [21] la válvula Fleming ofrecía 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. [22]
En el siglo XIX, los ingenieros de telégrafos y teléfonos reconocieron la necesidad de ampliar la distancia a la que se podían transmitir las señales. En 1906, Robert von Lieben solicitó una patente para un tubo de rayos catódicos que utilizaba una bobina de desviación magnética externa y estaba destinado a ser utilizado como amplificador en equipos de telefonía. [23] Sin embargo, este tubo de desviación magnética de von Lieben no fue un amplificador exitoso debido a la potencia utilizada por la bobina de desviación. [24] Von Lieben más tarde haría mejoras en los tubos de vacío triodos .
A Lee de Forest se le atribuye la invención del tubo triodo en 1907 mientras experimentaba para mejorar su Audion (diodo) original . [25] Al colocar un electrodo adicional entre el filamento ( cátodo ) y la placa (ánodo), descubrió la capacidad del dispositivo resultante para amplificar señales. A medida que el voltaje aplicado a la rejilla de control (o simplemente "red") se redujera 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 las proximidades del cátodo inhibiría el paso de los electrones emitidos y reduciría la corriente a la placa. Con el voltaje de la red menor que el del cátodo, no podría pasar corriente continua del cátodo a la red.
Por lo tanto, un cambio de voltaje aplicado a la red, que requiere muy poca entrada de energía a la red, podría provocar un cambio en la corriente de la placa y conducir a un cambio de voltaje mucho mayor en la placa; el resultado fue amplificación de voltaje y potencia . En 1908, a De Forest se le concedió una patente ( patente estadounidense 879.532 ) para una versión de tres electrodos de su Audion original para su uso como amplificador electrónico en comunicaciones por radio. Esto finalmente se conoció como el triodo.
El dispositivo original de De Forest se fabricó con tecnología de vacío convencional. El vacío no era un "vacío fuerte", sino que dejaba una cantidad muy pequeña de gas residual. Tampoco se resolvió la física detrás del funcionamiento del dispositivo. El gas residual causaría un brillo azul (ionización visible) cuando el voltaje de la placa fuera alto (por encima de aproximadamente 60 voltios). En 1912, de Forest y John Stone Stone llevaron el Audion para una demostración al departamento de ingeniería de AT&T. El Dr. Harold D. Arnold de AT&T reconoció que el brillo azul era causado por gas ionizado. 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 funcionar con altos voltajes de placa sin un brillo 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 considerablemente la recogida de electrones emitidos en el ánodo. [27]
Irving Langmuir, del 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 termoiónica y la conducción en el vacío. En consecuencia, General Electric comenzó a producir triodos de vacío duro (que recibieron 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.
A los pliotrones les siguieron de cerca el tipo francés ' TM ' y más tarde el tipo inglés 'R', que eran de uso generalizado entre los militares aliados en 1916. Históricamente, los niveles de vacío en los tubos de vacío de producción oscilaban típicamente entre 10 μPa y 10 nPa (8 × 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 red 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 el voltaje de la rejilla al cátodo, con un voltaje de placa (ánodo) a cátodo constante. Los valores típicos de g m para un tubo de vacío de señal pequeña son de 1 a 10 milisiemens. Es una de las tres "constantes" de un tubo de vacío, siendo las otras dos su ganancia μ y la resistencia de la placa R p o Ra . La ecuación de Van der Bijl define su relación de la siguiente manera:
La característica de funcionamiento no lineal del triodo provocó que los primeros amplificadores de audio de válvulas exhibieran distorsión armónica a volúmenes bajos. Al trazar la corriente de la placa en función del voltaje de red aplicado, se vio que había un rango de voltajes de red para los cuales las características de transferencia eran aproximadamente lineales.
Para utilizar este rango, se tuvo que aplicar un voltaje de polarización negativa a la red para posicionar el punto de operación de CC en la región lineal. Esto se llamó condición de inactividad y la corriente de placa en este punto, "corriente de inactividad". 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 llama sesgo de red . 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 catódica , 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 incluidas en algunos equipos incluso cuando las baterías "A" y "B" fueron reemplazadas por energía de la red eléctrica de CA. Esto 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 se utilizaron por primera vez los triodos 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 debía a la capacitancia parásita entre la placa (la salida del amplificador) y la rejilla de control (la entrada del amplificador), conocida como capacitancia de Miller .
Con el tiempo 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 conectaría nuevamente a la red a través de un pequeño capacitor y, cuando se ajustara adecuadamente, cancelaría la capacitancia de Miller. Esta técnica se empleó y condujo al éxito de la radio Neutrodina 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.
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 agregada pasó a ser conocida como cuadrícula de pantalla o cuadrícula de escudo . La rejilla de la pantalla se opera a un voltaje positivo significativamente menor que el voltaje de la placa y se deriva a tierra con un capacitor de baja impedancia en las frecuencias a amplificar. [33] Esta disposición desacopla sustancialmente la placa y la rejilla de control , eliminando la necesidad de circuitos de neutralización en 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, permitiendo que el tetrodo produzca una mayor ganancia de voltaje que el triodo en los circuitos amplificadores. Mientras que los factores de amplificación de los triodos típicos suelen oscilar entre menos de diez y alrededor de 100, los factores de amplificación de los tetrodos de 500 son comunes. En consecuencia, fue posible obtener mayores ganancias de voltaje a partir de una etapa de amplificación de un solo tubo, lo que redujo la cantidad de tubos necesarios. Los tubos de rejilla se comercializaron a finales de 1927. [34]
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 chocan contra 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 capturados por la rejilla de la pantalla, ya que también tiene un voltaje positivo, robándoles la corriente de la 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 torsión del tetrodo y es un ejemplo de resistencia negativa que puede causar inestabilidad. [36] Otra consecuencia indeseable de la emisión secundaria es que la corriente de la pantalla aumenta, 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 dynatron para producir un oscilador simple que solo requería la conexión de la placa a un circuito LC resonante para oscilar. El oscilador dynatron funcionó según el mismo principio de resistencia negativa que el oscilador de diodo túnel muchos años después.
La región 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 por la rejilla de pantalla. El término pentodo significa que el tubo tiene cinco electrodos. El pentodo fue inventado en 1926 por Bernard DH Tellegen [37] y en general se prefirió al 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 energía es el tetrodo de haz o tubo de potencia de haz , que se analiza a continuación.
Los receptores superheterodinos requieren un oscilador local y un mezclador , combinados en la función de un único tubo convertidor pentágrid . Para este fin 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 (de bajo potencial) y rejillas de pantalla (de alto voltaje). Muchos diseños utilizan dicha rejilla de pantalla como ánodo adicional para proporcionar retroalimentación para la función del oscilador, cuya corriente se suma a la de la señal de radiofrecuencia entrante. El convertidor pentágrid se utilizó ampliamente en los receptores AM, incluida la versión de válvulas en miniatura del " 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 funcionaban con baterías, donde el menor consumo de energía era una ventaja.
Para reducir aún más el coste y la complejidad de los equipos de radio, se pueden combinar dos estructuras separadas (triodo y pentodo, por ejemplo) en el bulbo de un único tubo multisección . Un ejemplo temprano es el Loewe 3NF . Este dispositivo de la década de 1920 tiene tres triodos en una única envoltura de vidrio junto con todos los condensadores y resistencias fijos necesarios para formar un receptor de radio completo. Como el juego de Loewe sólo tenía una toma de corriente, pudo reducir considerablemente a la competencia, ya que en Alemania el impuesto estatal se cobraba en función del número de tomas. Sin embargo, la confiabilidad se vio comprometida y los costos de producción del tubo fueron mucho mayores. En cierto sentido, 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 conjunto de Emerson también tiene un casquillo para un solo tubo, pero debido a que utiliza una base de cuatro clavijas, las conexiones de los elementos adicionales se realizan en una plataforma "entresuelo" en la parte superior de la base del tubo.
En 1940, los tubos multisección se habían convertido en algo común. Sin embargo, hubo limitaciones debido a patentes y otras consideraciones de licencia (ver Asociación Británica de Válvulas ). Las limitaciones debidas a la cantidad de pines externos (cables) a menudo obligaban a las funciones a compartir algunas de esas conexiones externas, como las conexiones catódicas (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 suelen incluir la salida de audio 53 Dual Triode. Otro tipo temprano de tubo multisección, el 6SN7 , es un "triodo dual" que realiza las funciones de dos tubos triodo ocupando la mitad de espacio y costando 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 los disponibles anteriormente, permitió la introducción de otros tubos multisección, como el triodo-pentodo 6GH8 /ECF82, bastante popular en los receptores de televisión. El deseo de incluir aún más funciones en un solo sobre dio como resultado el General Electric Compactron que tiene 12 pines. Un ejemplo típico, el 6AG11, contiene dos triodos y dos diodos. [41]
Algunos tubos, que de otro modo serían convencionales, no entran en las categorías estándar; los 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. [42] A veces se les conocía como tubos de 'haz de lámina' y se usaban en algunos televisores en color para la demodulación del color . El 7360 similar era popular como (des)modulador SSB equilibrado . [43]
Un tetrodo de haz (o "tubo de potencia del 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 cuadrícula de la pantalla. [44] [45] La formación de haces también reduce la corriente de la rejilla de la pantalla. En algunos tubos de potencia de haz cilíndricamente simétricos, el cátodo está formado por tiras estrechas de material emisor que están alineadas con las aberturas de la rejilla de control, lo que reduce la corriente de la rejilla de control. [46] 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 suelen utilizar los términos pentodo de haz o pentodo de potencia de haz en lugar de tubo de potencia de haz , y utilizan un símbolo gráfico de pentodo en lugar de un símbolo gráfico que muestra placas formadoras de haces. [47]
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. [48] [49] Los tubos de potencia del haz se pueden conectar como triodos para mejorar la calidad tonal del audio, pero en el modo triodo ofrecen una salida de potencia significativamente reducida. [50]
Los tubos llenos de gas, como los tubos de descarga y los tubos de cátodo frío , no son tubos de vacío duros , aunque siempre están llenos de gas a una presión atmosférica inferior al nivel del mar. Tipos como el tubo regulador de voltaje y el tiratrón se parecen a tubos de vacío duros y encajan en casquillos 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 todavía 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 menor que los tubos de alto vacío.
Los primeros tubos utilizaban 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 [51] con las clavijas fusionadas en la base de vidrio del sobre. Esto permitió el diseño de un perfil de tubo mucho más pequeño, conocido como tubo en miniatura, con siete o nueve pasadores. Hacer los tubos más pequeños redujo el voltaje en el que podían operar con seguridad 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 más antiguos y de mayor tamaño continuaron utilizándose especialmente como rectificadores de mayor potencia , en etapas de salida de audio de mayor potencia y como tubos transmisores.
En aplicaciones de consumo se utilizaron tubos subminiatura con un tamaño aproximado al de medio cigarrillo como amplificadores de audífonos. Estos tubos no tenían clavijas que se enchufaran 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, del tamaño de un dedal . El nuvistor fue desarrollado para competir con los primeros transistores y operaba a frecuencias más altas que las que podían hacerlo esos primeros transistores. El pequeño tamaño permitía un funcionamiento especialmente de alta frecuencia; Los nuvistors se utilizaron en transceptores de radio de aviones, sintonizadores de televisión UHF y algunos sintonizadores de radio FM de alta fidelidad (Sansui 500A) hasta que fueron reemplazados por transistores con capacidad de alta frecuencia.
Los primeros tubos de vacío se parecían mucho a las bombillas incandescentes y fueron fabricados por 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 utilizó la bomba de desplazamiento de mercurio de Heinrich Geissler , que dejó un vacío parcial . El desarrollo de la bomba de difusión en 1915 y la mejora realizada por Irving Langmuir condujeron al desarrollo de tubos de alto vacío. Después de la Primera Guerra Mundial, se crearon fabricantes especializados que utilizaban métodos de construcción más económicos para satisfacer la creciente demanda de receptores de radiodifusión. Los filamentos de tungsteno desnudos funcionaban a una temperatura de aproximadamente 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 apagado (alrededor de 700 °C), lo que a su vez redujo la distorsión térmica de la estructura del tubo y permitió un menor espaciado entre 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 utilizándose en pequeños tubos transmisores, pero son frágiles y tienden a fracturarse si se manipulan bruscamente (por ejemplo, en los servicios postales). Estos tubos son más adecuados para equipos estacionarios donde no hay impacto ni vibración.
El deseo de alimentar equipos electrónicos utilizando la red eléctrica de CA enfrentaba una dificultad con respecto a la alimentación de los filamentos de los tubos, ya que estos también eran el cátodo de cada tubo. Al alimentar los filamentos directamente desde un transformador de potencia se introdujo un zumbido de frecuencia de red (50 o 60 Hz) en las etapas de audio. La invención del "cátodo equipotencial" redujo este problema, ya que los filamentos eran alimentados por un devanado de transformador de potencia de CA equilibrado que tenía una derivación central conectada a tierra.
Una solución superior, 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 catódico del circuito calefactor. El filamento, que ya no estaba conectado eléctricamente a los electrodos del tubo, pasó a ser conocido simplemente como "calentador" y también podía funcionar con corriente alterna sin ningún zumbido. [52] En la década de 1930, los tubos catódicos calentados indirectamente se generalizaron en equipos que utilizaban alimentación de CA. Los tubos catódicos calentados directamente continuaron utilizándose ampliamente 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 calefactores retorcidos para cancelar los campos eléctricos dispersos, campos que podrían inducir zumbidos desagradables en el material del programa.
Los calentadores se pueden energizar con corriente alterna (CA) o corriente continua (CC). La CC se utiliza a menudo cuando se requiere un zumbido bajo.
Los tubos de vacío utilizados como interruptores hicieron posible la computación electrónica por primera vez, pero el costo y el tiempo medio relativamente corto hasta la falla de los tubos fueron factores limitantes. [53] "La sabiduría común era que las válvulas, que, como las bombillas, contenían un filamento incandescente, nunca podían usarse satisfactoriamente en grandes cantidades, porque no eran confiables y, en una instalación grande, demasiadas fallarían en un período demasiado corto. tiempo". [54] Tommy Flowers , quien más tarde diseñó Colossus , "descubrió que, siempre que las válvulas estuvieran encendidas y dejadas encendidas, podían funcionar de manera confiable durante períodos muy largos, especialmente si sus 'calentadores' funcionaban con una corriente reducida". [54] En 1934, Flowers construyó una instalación experimental exitosa utilizando más de 3.000 tubos en pequeños módulos independientes; cuando fallaba un tubo, era posible apagar un módulo y mantener encendidos los demás, reduciendo así el riesgo de que se produjera otro fallo de tubo; esta instalación fue aceptada por la Oficina de Correos (que operaba centrales telefónicas). Flowers también fue pionero en el uso de tubos como interruptores electrónicos muy rápidos (en comparación con los dispositivos electromecánicos) . Trabajos posteriores confirmaron que la falta de fiabilidad de los tubos no era un problema tan grave como se creía generalmente; El ENIAC de 1946 , con más de 17.000 tubos, tenía una falla en el tubo (que tardaba 15 minutos en localizarse) en promedio cada dos días. La calidad de los tubos fue un factor y la desviación de personal calificado durante la Segunda Guerra Mundial redujo la calidad general de los tubos. [55] Durante la guerra, Colossus jugó un papel decisivo a la hora de romper los códigos alemanes. Después de la guerra, el desarrollo continuó con computadoras basadas en tubos, incluidas las computadoras militares ENIAC y Whirlwind , la Ferranti Mark 1 (una de las primeras computadoras electrónicas disponibles comercialmente) y UNIVAC I , también disponible comercialmente.
Los avances que utilizaron tubos subminiatura incluyeron la serie de máquinas Jaincomp producidas por Jacobs Instrument Company de Bethesda, Maryland. Modelos como su Jaincomp-B empleaban sólo 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 en ese momento. [56]
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Colossus I y su sucesor Colossus II (Mk2) fueron diseñados por Tommy Flowers y construidos por la Oficina General de Correos de Bletchley Park (BP) durante la Segunda Guerra Mundial para acelerar sustancialmente la tarea de romper el cifrado Lorenz de alto nivel alemán . Colossus reemplazó una máquina anterior basada en lógica de relés y conmutadores (la Heath Robinson ). Colossus pudo descifrar en cuestión de horas mensajes que antes habían tardado varias semanas; También era mucho más confiable. [54] Colossus fue el primer uso de tubos de vacío trabajando en conjunto a una escala tan grande para una sola máquina. [54]
Tommy Flowers (quien concibió Colossus) escribió que la mayoría de los equipos de radio eran "transportados, tirados, encendidos y apagados y, en general, mal manejados. Pero yo había introducido válvulas en grandes cantidades en los equipos telefónicos antes de la guerra y sabía que si nunca los movía y nunca los encendía y apagaba, seguirían encendidos para siempre". Colossus era "así de confiable, extremadamente confiable". En su primer día en BP se planteó un problema cuya respuesta se conocía. Para asombro de BP (Estación X), después de correr durante cuatro horas y cada carrera duraba media hora, la respuesta fue la misma cada vez (el Robinson no siempre dio la misma respuesta). [57] [58] Colossus I usó alrededor de 1600 válvulas, y Colossus II alrededor de 2400 válvulas (algunas fuentes dicen 1500 (Mk I) y 2500 (Mk II); el Robinson usó alrededor de cien válvulas; algunas fuentes dicen menos). [59]
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 duradero. El problema de la corta vida útil se debió en gran medida a la evaporación del silicio , utilizado en la aleación de tungsteno para hacer que el alambre calentador fuera más fácil de estirar. El silicio forma ortosilicato de bario en la interfaz entre el manguito de níquel y el recubrimiento de óxido de bario del cátodo . [7] : 301 Esta "interfaz catódica" es una capa de alta resistencia (con cierta capacitancia paralela) que reduce en gran medida la corriente del cátodo cuando el tubo se cambia al modo de conducción. [60] : 224 La eliminación del silicio de la aleación del alambre calentador (y el reemplazo más frecuente de las matrices de trefilado ) permitió la producción de tubos que eran lo suficientemente confiables para el proyecto Whirlwind. Los tubos de níquel de alta pureza y los revestimientos catódicos libres de materiales como silicatos y aluminio que pueden reducir la emisividad también contribuyen a prolongar la vida útil del cátodo.
El primer "tubo de computadora" de este tipo fue el pentodo 7AK7 de Sylvania de 1948 (reemplazaron al 7AD7, que se suponía era de mejor calidad que el 6AG7 estándar, pero resultó demasiado poco confiable). [61] : 59 Las computadoras fueron los primeros dispositivos de tubos que hicieron funcionar los tubos en el corte (suficiente voltaje de red negativo para hacer que dejaran de conducir) durante períodos de tiempo bastante prolongados. Funcionar 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. [60] : 224 Los tubos 7AK7 mejoraron el problema del envenenamiento del cátodo, pero eso por sí solo fue insuficiente para lograr la confiabilidad requerida. [61] : 60 Otras medidas incluyeron apagar el voltaje del calentador cuando no era necesario que los tubos condujeran durante períodos prolongados, encender y apagar el voltaje del calentador con una rampa lenta para evitar un choque térmico en el elemento calentador, [60] : 226 y pruebas de estrés de los tubos durante los períodos de mantenimiento fuera de línea para provocar fallas tempranas en las unidades débiles. [61] : 60–61 Otro tubo de computadora de uso común fue el 5965 , también etiquetado como E180CC. Este, según un memorando del Proyecto Whirwind del MIT , fue desarrollado para IBM por GE , principalmente para su uso en las calculadoras IBM 701 , y fue designado como un tubo triodo de uso general. [62]
Los tubos desarrollados para Whirlwind se utilizaron más tarde en el gigantesco sistema informático de defensa aérea SAGE . A finales de la década de 1950, era habitual que los tubos de pequeña señal de calidad especial duraran cientos de miles de horas si se utilizaban de forma conservadora. Esta mayor fiabilidad también hizo posibles los amplificadores intermedios en cables submarinos .
Cuando los tubos funcionan, se produce una cantidad considerable de calor, tanto del filamento (calentador) como de la corriente de electrones que bombardea la placa. En los amplificadores de potencia, esta fuente de calor es mayor que el calentamiento catódico. Algunos tipos de tubos permiten el funcionamiento con los ánodos a un calor rojo apagado; en otros tipos, el calor rojo indica una sobrecarga severa.
Los requisitos de 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 mucho más grandes aún.
El calor escapa del dispositivo por radiación de cuerpo negro procedente del ánodo (placa) en forma de radiación infrarroja y por convección de aire sobre la envoltura del tubo. [63] : 10 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 calentados directamente con filamento de 1,4 voltios diseñados para su uso en equipos alimentados por baterías, suelen tener ánodos metálicos brillantes. 1T4, 1R5 y 1A7 son ejemplos. Los tubos llenos de gas, como los tiratrones , también pueden utilizar un ánodo de metal brillante, ya que el gas presente dentro del tubo permite la convección de calor desde el ánodo hasta la carcasa de vidrio.
El ánodo suele recibir un tratamiento para que su superficie emita más energía infrarroja. Los tubos amplificadores de alta potencia están diseñados con ánodos externos que pueden enfriarse mediante 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 refrigerado por agua, el voltaje del ánodo aparece directamente en la superficie del agua de refrigeración, lo que requiere que el agua sea un aislante eléctrico para evitar fugas de alto voltaje a través del agua de refrigeración hacia el sistema del radiador. El agua que se suministra habitualmente tiene iones que conducen la electricidad; Se requiere agua desionizada , un buen aislante. Estos sistemas suelen tener un monitor de conductancia del agua incorporado que cerrará el suministro de alta tensión si la conductancia aumenta demasiado.
La rejilla de la pantalla también puede generar un calor considerable. Los límites a la disipación de la rejilla de la pantalla, además de la disipación de la placa, se enumeran para los dispositivos de energía. Si se exceden, es probable que el tubo falle.
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 cuentas de vidrio, mientras que en versiones posteriores se usó un disco de vidrio fusionado al metal. El metal y la cerámica se utilizan casi exclusivamente para tubos de potencia con una disipación superior a 2 kW. El nuvistor era un tubo receptor moderno que utilizaba un paquete muy pequeño de metal y cerámica.
Los elementos internos de los tubos siempre han estado conectados a circuitos externos mediante clavijas en su base que se conectan a un enchufe. Los tubos subminiatura se produjeron utilizando cables en lugar de casquillos; sin embargo, estaban restringidos a aplicaciones bastante especializadas. Además de las conexiones en la base del tubo, muchos de los primeros triodos conectaban la rejilla utilizando una tapa de metal en la parte superior del tubo; esto reduce la capacitancia parásita entre la rejilla y los cables de la placa. También se utilizaron tapas de tubos para la conexión de la placa (ánodo), particularmente en tubos transmisores y tubos que utilizan 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 metálica es también 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. Los tubos de potencia que utilizan este esquema de enfriamiento están disponibles con una disipación de hasta 150 kW. Por encima de ese nivel, se utiliza refrigeración por agua o vapor de agua. El tubo de mayor potencia disponible actualmente es el Eimac 4CM2500KG, un tetrodo de potencia refrigerado por agua forzada capaz de disipar 2,5 megavatios. [65] En comparación, el transistor de potencia más grande sólo puede disipar alrededor de 1 kilovatio.
El nombre genérico "válvula [termiónica]" utilizado en el Reino Unido deriva del flujo de corriente unidireccional permitido por el primer dispositivo, el diodo termoiónico que emitía electrones desde un filamento calentado, por analogía con una válvula de retención en una tubería de agua. [66] 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 designaciones a los tubos que no decían nada sobre su propósito (por ejemplo, 1614). Al principio, algunos fabricantes utilizaban nombres de propiedad que podían transmitir cierta información, pero sólo sobre sus productos; el KT66 y el KT88 eran "tetrodos sin torsión". 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) constan de 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 sobre su estructura; y el número final es el número total de electrodos (sin distinguir entre, digamos, un tubo con muchos electrodos o dos juegos de electrodos en una sola envoltura (un triodo doble, por ejemplo). Por ejemplo, el 12AX7 es un triodo doble (dos juegos de tres electrodos más calentador) con un calentador de 12,6 V (que, además, también se puede conectar para funcionar desde 6,3 V). El "AX" designa las características de este tubo. Los tubos similares, pero no idénticos, son el 12AD7, 12AE7...12AT7, 12AU7, 12AV7, 12AW7 (poco común), 12AY7 y 12AZ7.
Un sistema ampliamente utilizado en Europa conocido como designación de tubos Mullard-Philips , extendido también a los transistores, utiliza una letra, seguida de una o más letras y un número. El designador de tipo especifica el voltaje o 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 (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, los tubos de calidad especial (por ejemplo, para uso en computadoras de larga duración) 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. .
Algunos tubos para fines especiales están construidos 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 tiratrón es un tubo 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. La eliminación del 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 2D21 en miniatura, que se ve a menudo en las máquinas de discos de los años 50 como interruptores de control para relés . [67] Una versión de cátodo frío del tiratrón, que utiliza un charco 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 su conducción total; Se comportan de manera muy parecida a los rectificadores modernos controlados por silicio , también llamados tiristores debido a su similitud funcional con los tiratrones. Los tiratrones de hidrógeno se utilizan desde hace mucho tiempo en transmisores de radar.
Un tubo especializado es el krytron , que se utiliza para una conmutación rápida de alto voltaje. Los krytrones se utilizan para iniciar las detonaciones utilizadas para hacer estallar un arma nuclear ; Los krytrones 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 funcionamiento continuo en equipos de fluoroscopia y de imágenes por tomografía computarizada pueden utilizar un cátodo enfocado y un ánodo giratorio para disipar las grandes cantidades de calor así generadas. 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 utilizó en equipos de soldadura por resistencia a principios de los años 1970. El Ignatron tenía un cátodo, un ánodo y un encendedor. La base del tubo se llenó con mercurio y el tubo se utilizó como interruptor de muy alta corriente. Se colocó un gran potencial de corriente entre el ánodo y el cátodo del tubo, pero solo se le permitió conducir cuando el encendedor en contacto con el mercurio tenía suficiente corriente para vaporizar el mercurio y completar el circuito. Debido a que esto se usaba en soldadura por resistencia, había dos Ignatron para las dos fases de un circuito de CA. Debido al mercurio en el fondo del tubo, era extremadamente difícil enviarlos. Estos tubos finalmente fueron reemplazados por SCR (Rectificadores Controlados por Silicio).
Las baterías proporcionaban los voltajes requeridos por los tubos de los primeros aparatos de radio. Generalmente se requerían tres voltajes diferentes, utilizando tres baterías diferentes designadas como batería A , B y C. La batería "A" o batería LT (baja tensión) proporcionaba el voltaje del filamento. Los calentadores de tubo se diseñaron para baterías de plomo-ácido de una, dos o tres celdas , dando voltajes nominales de calentador de 2 V, 4 V o 6 V. En las radios portátiles, a veces se usaban baterías secas con calentadores de 1,5 o 1 V. La reducción del consumo de filamentos mejoró la vida útil de las baterías. En 1955, hacia el final de la era de los tubos, se habían desarrollado tubos que usaban sólo 50 mA hasta tan solo 10 mA para los calentadores. [68]
El alto voltaje aplicado al ánodo (placa) fue proporcionado por la batería "B" o el suministro o batería HT (alta tensión). Por lo general, eran de construcción de celda seca y normalmente 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 empleó energía de línea rectificada para producir el alto voltaje que necesitan las placas de los tubos, el término "B+" persistió en los EE. UU. cuando se refería 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).
Los primeros conjuntos utilizaban una batería de polarización de red o batería "C" que estaba conectada para proporcionar un voltaje negativo . Dado que no fluye corriente a través de la conexión a la red del tubo, estas baterías no tenían consumo de corriente y duraban más tiempo, generalmente limitadas por su propia vida útil. El suministro de la batería de polarización de la red rara vez, o nunca, se desconectaba cuando la radio estaba apagada. Incluso después de que las fuentes de alimentación de CA se convirtieran en algo común, algunos aparatos de radio continuaron fabricándose con baterías C, ya que casi nunca era necesario reemplazarlas. Sin embargo, se diseñaron circuitos más modernos utilizando polarización catódica , eliminando la necesidad de un tercer voltaje de alimentación; Esto se volvió práctico con tubos que utilizaban 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 " celda C " .
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, de los receptores sin batería operados con energía doméstica , redujo los costos operativos y contribuyó a la creciente popularidad de la radio. Una fuente de alimentación que utilizaba un transformador con varios devanados, uno o más rectificadores (que a su vez pueden ser tubos de vacío) y condensadores de filtro grandes proporcionaban los voltajes de corriente continua necesarios de 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 utilizando 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 de tubo suministraba los 6 voltios necesarios para la luz del dial. Al obtener el alto voltaje de un rectificador de media onda conectado directamente a la red eléctrica de CA, se eliminó el pesado y costoso transformador de potencia. Esto también permitió que dichos receptores funcionaran con corriente continua, el llamado diseño de receptor AC/DC . Muchos fabricantes de radio AM de consumo estadounidenses de la época utilizaban un circuito prácticamente idéntico, al que se le dio el sobrenombre de All American Five .
Cuando la tensión de red estaba en el rango de 100 a 120 V, esta tensión limitada resultó adecuada sólo 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 nominal de red 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 con aislamiento eléctrico y un enclavamiento que unía el cable de alimentación a la parte posterior del gabinete, por lo que el cable de línea se desconectaba necesariamente si el usuario o la persona de servicio abría La cabina. Un cable tramposo era un cable de alimentación que terminaba en un enchufe especial utilizado por el dispositivo de seguridad; Los técnicos de servicio podrían entonces alimentar el dispositivo con los voltajes peligrosos expuestos.
Para evitar el retraso en el 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 corriente de calefacción completa y el aparato se reprodujo casi de inmediato.
Un problema de confiabilidad de los tubos con cátodos de óxido es la posibilidad de que el cátodo se " envenene " lentamente por moléculas de gas de otros elementos del tubo, lo que reduce su capacidad para emitir electrones. Los gases atrapados o las fugas lentas de gas también pueden dañar el cátodo o provocar que la corriente de la placa (ánodo) se desboque debido a la ionización de las moléculas de gas libres. La dureza del vacío y la selección adecuada de los materiales de construcción son los principales factores que influyen en la vida útil del tubo. Dependiendo del 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 los filamentos de las lámparas incandescentes , pero rara vez lo hacen, ya que funcionan a temperaturas mucho más bajas que las lámparas.
El modo de falla del calentador es típicamente 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 a temperatura ambiente. Se puede incorporar un dispositivo de coeficiente de temperatura negativo, como un termistor , 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 encienden en una función escalonada. . 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 reducir el voltaje a los tubos. Otros tenían resistencias en serie hechas como tubos normales; se les llamó tubos de lastre.
Después de la Segunda Guerra Mundial, los tubos destinados a ser utilizados en cadenas de calentadores en serie fueron rediseñados 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 las válvulas 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 de calentador muy por encima de sus clasificaciones y acortó su vida útil.
Otro problema importante de confiabilidad es causado por la fuga de aire dentro del tubo. Por lo general, el oxígeno del aire reacciona químicamente con el filamento o cátodo caliente, arruinándolo rápidamente. Los diseñadores desarrollaron diseños de tubos que sellaban de manera confiable. Por eso la mayoría de los tubos estaban construidos de vidrio. Se habían desarrollado aleaciones metálicas (como Cunife y Fernico ) y vidrios para bombillas que se expandían y contraían en cantidades similares a medida que cambiaba la temperatura. Esto facilitó la construcción de una envoltura aislante de vidrio, mientras se pasaban cables de conexión a través del vidrio hasta los electrodos.
Cuando un tubo de vacío se sobrecarga o se opera más allá de su disipación de diseño, 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 funcionar con sus ánodos a calor rojo, naranja o, en casos raros, blanco.
A menudo se fabricaban versiones de tubos estándar de "calidad especial", diseñadas para mejorar el rendimiento en algún aspecto, como un cátodo de mayor vida útil, construcción de bajo ruido, robustez mecánica a través de filamentos reforzados, baja microfonía, para aplicaciones en las que el tubo gastaría gran parte de su corte de tiempo, etc. La única forma de conocer las características particulares de una pieza de calidad especial es leyendo la hoja de datos. 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). [69]
La vida útil de válvula más larga registrada la obtuvo una válvula pentodo AC/P de Mazda (número de serie 4418) en funcionamiento en el transmisor principal de la BBC en Irlanda del Norte en Lisnagarvey. 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 retornos periódicos a sus almacenes centrales de válvulas. [70] [71]
Un tubo de vacío necesita un vacío extremadamente alto (o vacío fuerte , según la terminología de rayos X [72] ) para evitar las consecuencias de generar iones positivos dentro del tubo. Los átomos del gas residual se ionizan cuando son golpeados por un electrón y pueden afectar negativamente al cátodo, reduciendo las emisiones. [73] Cantidades mayores de gas residual pueden crear una descarga luminosa 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. [74] [75] [76] Para evitar estos efectos, la presión residual dentro del tubo debe ser lo suficientemente baja como para que el camino libre medio de un electrón sea mucho más largo que el tamaño del tubo (por lo que es poco probable que un electrón golpee un átomo residual y muy pocos átomos ionizados estarán presentes). Los tubos de vacío comerciales se evacuan en el momento de la fabricación a aproximadamente 0,000001 mmHg (1,0 × 10 −6 Torr; 130 μPa; 1,3 × 10 −6 mbar; 1,3 × 10 −9 atm). [77] [78]
Para evitar que los gases comprometan el vacío del tubo, los tubos modernos se construyen con captadores , que suelen ser metales que se oxidan rápidamente, siendo el bario el más común. [78] [79] Para los tubos de vidrio, mientras se evacua la envoltura del tubo, las partes internas, excepto el captador, se calientan mediante calentamiento por inducción de RF para desprender cualquier gas restante de las partes metálicas. Luego se sella el tubo y la cubeta o bandeja del captador, para captadores instantáneos, se calienta a una temperatura alta, nuevamente mediante calentamiento por inducción de radiofrecuencia, lo que hace que el material del captador se vaporice y reaccione con cualquier gas residual. El vapor se deposita en el interior de la envoltura de vidrio, dejando una mancha metálica de color plateado que continúa absorbiendo pequeñas cantidades de gas que pueden filtrarse al interior 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 adquiere un color blanco al reaccionar con el oxígeno atmosférico . Los tubos de transmisión grandes y especializados suelen utilizar materiales getter más exóticos, como el circonio . Los primeros tubos captadores utilizaban captadores a base de fósforo, y estos tubos son fácilmente identificables, ya que el fósforo deja un depósito característico de color naranja o arcoíris en el vidrio. El uso de fósforo duró poco y fue rápidamente reemplazado por los captadores de bario superiores. A diferencia de los captadores de bario, el fósforo no absorbió más gases una vez encendido.
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 válvulas con envolturas grandes, como tubos de rayos catódicos y tubos de cámaras como iconoscopios , orticones y orticones de imágenes, proviene de la infiltración de helio. [ cita necesaria ] El efecto aparece como un funcionamiento deficiente o ausente y como un brillo 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 prácticos de tales tubos se vuelvan cada vez más raros. Los tubos no utilizados ("New Old Stock") también pueden presentar infiltración de gas inerte, por lo que no existe garantía a largo plazo de que estos tipos de tubos sobrevivan en el futuro.
Los grandes tubos transmisores tienen filamentos de tungsteno carbonizados que contienen una pequeña traza (1% a 2%) de torio . Se forma una capa extremadamente delgada (molecular) de átomos de torio 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 nuevos átomos de torio se difunden hacia la superficie para reemplazarlos. Estos cátodos de tungsteno toriados suelen ofrecer 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 convertido en su mayor parte nuevamente en otra forma de carburo de tungsteno y las emisiones comienzan 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 klistrón de cavidad externa Eimac en el circuito visual de su transmisor; esta es la vida útil más alta documentada para este tipo de tubo. [80] Se ha dicho [ ¿quién? ] que los transmisores con válvulas 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 en 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 a casi toda la potencia Los niveles tienen una eficiencia considerablemente mayor. Los transmisores de radiodifusión de 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 de válvulas.
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 catódico y se aísla eléctricamente del mismo mediante una capa de óxido de aluminio. Esta compleja construcción 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 Celsius.
Una falla catastrófica es aquella que repentinamente deja el tubo de vacío inutilizable. Una grieta en la envoltura de vidrio permitirá que entre aire en el tubo y lo destruirá. Las grietas pueden deberse a tensiones en el vidrio, pasadores doblados o impactos; Los casquillos de los tubos deben permitir la expansión térmica para evitar tensiones en el vidrio en las clavijas. La tensión puede acumularse si una protección metálica 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 sobretensión 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 temperaturas mucho más bajas. El aumento de la corriente de entrada cuando el calentador se activa por primera vez causa tensión en el calentador y se puede evitar calentando lentamente los calentadores, aumentando gradualmente la corriente con un termistor NTC incluido en el circuito. Los tubos destinados al funcionamiento 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 calentados directamente, como los que se utilizan en tubos que funcionan con baterías o algunos rectificadores, pueden fallar si el filamento se hunde, provocando un arco interno. El exceso de voltaje entre el calentador y el cátodo en 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. Se puede provocar un arco aplicando voltaje al ánodo (placa) antes de que el cátodo haya alcanzado la temperatura de funcionamiento, o extrayendo un exceso de corriente a través de un rectificador, lo que daña el revestimiento de emisión. Los arcos también pueden iniciarse por cualquier material suelto dentro del tubo o por un exceso de voltaje en la pantalla. Un arco dentro del tubo permite que se desprenda gas de los materiales del tubo y puede depositar material conductor en los espaciadores aislantes internos. [81]
Los rectificadores de tubo tienen una capacidad de corriente limitada y exceder las clasificaciones eventualmente destruirá un tubo.
Los fallos degenerativos son aquellos provocados 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 se escape al interior del tubo; esto puede reducir el rendimiento. Se utiliza un captador para absorber los gases desprendidos durante el funcionamiento del tubo, pero tiene sólo una capacidad limitada para combinarse con el gas. El control de la temperatura de la envolvente evita algunos tipos de formación de gases. Un tubo con un nivel inusualmente alto de gas interno puede exhibir un brillo azul visible cuando se aplica voltaje a la placa. El getter (que es un metal altamente reactivo) es eficaz contra muchos gases atmosféricos, pero no tiene (o tiene muy limitada) reactividad química con gases inertes como el helio. Un tipo progresivo de falla, especialmente con envolturas físicamente grandes como las utilizadas por los tubos de las cámaras 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 alterar el funcionamiento de un circuito de tubo de vacío. Otro efecto del sobrecalentamiento es el lento depósito de vapores metálicos en los espaciadores internos, lo que produce fugas entre elementos.
Los tubos en espera durante períodos prolongados, con el voltaje del calentador aplicado, pueden desarrollar una alta resistencia en la interfaz catódica y mostrar características de emisión deficientes. Este efecto se produjo especialmente en 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 emisiones después de miles de horas de uso normal. A veces, las emisiones se pueden restaurar por un tiempo aumentando el voltaje del calentador, ya sea por un período breve o con 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 falla en los tubos de rayos catódicos de televisión monocromáticos . [82] La vida útil de este costoso componente a veces se extendía instalando un transformador elevador para aumentar el voltaje del calentador.
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 microfónica se refiere a las vibraciones internas de los elementos del tubo que modulan la señal del tubo de forma indeseable; La captación de sonido o vibración puede afectar las señales, o incluso causar aullidos incontrolados si se desarrolla una ruta de retroalimentación (con ganancia mayor que 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 debido a la contaminación interna también puede inyectar ruido. [83] Algunos de estos efectos hacen que los tubos no sean adecuados para el uso de audio de señal pequeña, aunque no son objetables para otros fines. Seleccionar lo mejor de un lote de tubos nominalmente idénticos para aplicaciones críticas puede producir mejores resultados.
Los pasadores de los tubos 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.
Los tubos de vacío se pueden probar fuera de sus circuitos utilizando un probador de tubos de vacío.
La mayoría de los dispositivos de tubos de vacío de pequeña señal han sido reemplazados por semiconductores, pero algunos dispositivos electrónicos de tubos de vacío todavía son de uso común. El magnetrón es el tipo de tubo que se utiliza en todos los hornos microondas . A pesar del avance de la tecnología de semiconductores de potencia, el tubo de vacío todavía tiene ventajas de confiabilidad y costos para la generación de energía de RF de alta frecuencia.
Algunos tubos, como los magnetrones , los tubos de ondas progresivas , los carcinotrones y los klistrones , combinan efectos magnéticos y electrostáticos. Estos son generadores de RF eficientes (generalmente de banda estrecha) y todavía se utilizan en radares , hornos microondas y calefacción industrial. Los tubos de ondas viajeras (TWT) son muy buenos amplificadores e incluso se utilizan en algunos satélites de comunicaciones. Los tubos amplificadores de klistrón de alta potencia pueden proporcionar cientos de kilovatios en el rango UHF.
El tubo de rayos catódicos (CRT) es un tubo de vacío que se utiliza especialmente con fines de visualización. Aunque todavía hay muchos televisores y monitores de computadora que utilizan tubos de rayos catódicos, están siendo reemplazados rápidamente por pantallas planas cuya calidad ha mejorado enormemente 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), que son económicos y los preferidos por muchos técnicos. [84] Hubo un tiempo en que muchas radios usaban " tubos oculares mágicos ", un tipo especializado de CRT que se usaba en lugar de un movimiento de 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) es también una especie de tubo de rayos catódicos. [85] [86] [87]
El tubo de rayos X es un tipo de tubo de rayos catódicos que genera rayos X cuando electrones de alto voltaje golpean el ánodo. [88] [89]
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). [90] [91] 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 tanto, se trata de una especie de tubos de rayos catódicos. [92] [93]
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 provoca que se liberen más electrones de ese dínodo. Esos electrones se aceleran hacia otro dínodo con un voltaje más alto, liberando más electrones secundarios; hasta 15 de estas etapas proporcionan una enorme amplificación. A pesar de los grandes avances en los fotodetectores de estado sólido (por ejemplo, diodo de avalancha de fotón único ), la capacidad de detección de fotón único de los tubos fotomultiplicadores hace que este dispositivo de tubo de vacío sobresalga en ciertas aplicaciones. Un tubo de este tipo también se puede utilizar para la detección de radiación ionizante como alternativa al tubo Geiger-Müller (que en sí no es un tubo de vacío real). Históricamente, el tubo de cámara de televisión Orthicon de imagen ampliamente utilizado en los estudios de televisión antes del desarrollo de las matrices CCD modernas también utilizaba la multiplicación de electrones de varias etapas.
Durante décadas, los diseñadores de tubos de electrones intentaron aumentar los tubos amplificadores con multiplicadores de electrones para aumentar la ganancia, pero su vida útil fue corta porque el material utilizado para los dinodos "envenenó" el cátodo caliente del tubo. (Por ejemplo, se comercializó el interesante tubo de emisión secundaria RCA 1630, pero no duró). Sin embargo, con el tiempo, Philips de Holanda desarrolló el tubo EFP60 que tenía una vida útil satisfactoria y se utilizó en al menos un producto, un generador de impulsos de laboratorio. generador. Sin embargo, en aquella época los transistores estaban mejorando rápidamente, haciendo que tales desarrollos fueran superfluos.
Una variante denominada "multiplicador de electrones de canal" no utiliza dinodos individuales, sino que consiste en un tubo curvo, como una hélice, recubierto por dentro con un 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 suficiente voltaje para crear repetidas cascadas de electrones. La placa de microcanal consta de una serie de multiplicadores de electrones de una sola etapa sobre un plano de imagen; Luego se pueden apilar varios de ellos. Esto se puede utilizar, por ejemplo, como intensificador de imágenes en el que los canales discretos sustituyen el 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 un conjunto de una gran cantidad de tubos CEM individuales cortos que aceptaban un haz de baja corriente y lo intensificaban para proporcionar una muestra de brillo práctico. (La óptica electrónica del cañón de electrones de banda ancha no pudo proporcionar suficiente corriente para excitar directamente el fósforo).
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 [actualizar]tienen algunas aplicaciones específicas.
En general, los tubos de vacío son mucho menos susceptibles que los correspondientes componentes de estado sólido a sobretensiones transitorias, como sobretensiones de red o rayos, el efecto de pulso electromagnético de explosiones nucleares , [94] o tormentas geomagnéticas producidas por erupciones solares gigantes. [95] Esta propiedad los mantuvo en uso para ciertas aplicaciones militares mucho después de que una tecnología de estado sólido más práctica y menos costosa estuviera disponible para las mismas aplicaciones, como por ejemplo con el MiG-25 . [94]
Los tubos de vacío son alternativas prácticas a los dispositivos de estado sólido para generar alta potencia en radiofrecuencias en aplicaciones como calentamiento industrial por radiofrecuencia , aceleradores de partículas y transmisores de radiodifusión . Esto es particularmente cierto en las frecuencias de microondas, donde dispositivos como el klistrón y el tubo de ondas viajeras[actualizar] proporcionan amplificación a niveles de potencia inalcanzables con los dispositivos semiconductores actuales . El horno microondas doméstico utiliza un tubo magnetrón para generar de manera eficiente cientos de vatios de potencia de microondas. Los dispositivos de estado sólido como el nitruro de galio son sustitutos prometedores, pero son muy caros y se encuentran en las primeras etapas de desarrollo.
En aplicaciones militares, un tubo de vacío de alta potencia puede generar una señal de 10 a 100 megavatios que puede quemar la parte frontal de un receptor desprotegido. Estos dispositivos se consideran armas electromagnéticas no nucleares; Fueron introducidos a finales de los años 1990 tanto por Estados Unidos como por Rusia. [ cita necesaria ]
Los amplificadores de válvulas siguen siendo comercialmente viables en tres nichos donde se valoran su sonido cálido, su rendimiento cuando están saturados y su capacidad para replicar grabaciones de válvulas de la era anterior: equipos para audiófilos , amplificadores de instrumentos musicales y dispositivos utilizados en estudios de grabación. [96]
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. [97] Cualquier amplificador sólo puede amplificar con precisión una señal a un volumen determinado; Más allá de 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 las válvulas de vacío. Los modelos antiguos más populares utilizan tubos de vacío. [ cita necesaria ]
El tubo de rayos catódicos fue la tecnología de visualización dominante en televisores y monitores de ordenador a principios del siglo XXI. Sin embargo, los rápidos avances y la caída de los precios de la tecnología de pantalla plana LCD pronto reemplazaron a los CRT en estos dispositivos. [98] En 2010, la mayor parte de la producción de CRT había terminado. [99]
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 de silicio plano, como en la tecnología de circuitos integrados . Este tema ahora se llama nanoelectrónica del vacío. [100] El diseño más común utiliza un cátodo frío en forma de una fuente de electrones de campo de gran área (por ejemplo, una matriz de emisores de campo ). Con estos dispositivos, los electrones se emiten en campo desde una gran cantidad de sitios de emisión individuales estrechamente espaciados.
Estos 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 necesaria ] A partir de 2012 [actualizar], se estaban estudiando para posibles aplicaciones en la tecnología de visualización de emisiones de campo , pero hubo importantes problemas de producción. [ cita necesaria ]
En 2014, se informó que el Centro de Investigación Ames de la NASA estaba trabajando en transistores de canal de vacío producidos mediante técnicas CMOS. [101]
Cuando un cátodo se calienta y alcanza una temperatura de funcionamiento de alrededor de 1050° Kelvin (780 °C), 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 el funcionamiento del circuito, nuevos electrones se desprenderán del cátodo para reponer la carga espacial. [102] La carga espacial es un ejemplo de campo eléctrico .
Todos los tubos con una o más rejillas de control son controlados por un voltaje de entrada CA ( Corriente Alterna ) aplicado a la rejilla de control, mientras que la señal amplificada resultante aparece en el ánodo como una corriente . Debido al alto voltaje aplicado al ánodo, una corriente anódica 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. La(s) rejilla(s) de control en un tubo median este flujo de corriente combinando la pequeña corriente de la señal de CA con el valor ligeramente negativo de la rejilla. Cuando la onda sinusoidal de la señal (CA) se aplica a la red, se basa en este valor negativo, impulsándolo tanto positivo como 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 (ver ejemplo arriba) 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 ), por ejemplo. cualquier voltaje dado en la placa (ánodo) ( V a ).
Cada tubo tiene un conjunto único de curvas características. Las curvas relacionan gráficamente los cambios con la corriente de placa instantánea impulsada por un cambio mucho menor en el voltaje de la red al cátodo ( V gk ) a medida que varía la señal de entrada.
La característica VI depende del tamaño y material de la placa y el cátodo. [103] Exprese la relación entre el voltaje de la placa y la corriente de la placa. [104]
El tamaño del campo electrostático es el tamaño entre dos o más placas del tubo.
Se puede decir que la era de la electrónica comenzó con la invención de la válvula de diodo de vacío en 1902 por el británico John Fleming (que acuñó él mismo la palabra "electrónica"), siendo su aplicación inmediata en el campo de la radio.
El factor de amplificación o ganancia de voltaje es la cantidad en la que la señal en la rejilla de control aumenta en amplitud después de pasar a través del tubo, que también se conoce como la letra griega μ (mu) o ganancia de voltaje (V g ) del tubo.
{{cite web}}: Mantenimiento CS1: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )La clasificación máxima de disipación del ánodo es de 2500 kilovatios.
{{cite web}}: Mantenimiento CS1: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )