En electrónica, el oscilador dinatrón , inventado en 1918 por Albert Hull [1] [2] en General Electric , es un circuito oscilador electrónico de tubo de vacío obsoleto que utiliza una característica de resistencia negativa en los primeros tubos de vacío tetrodo , causada por un proceso llamado emisión secundaria . [3] [4] [5] [6] Fue el primer oscilador de tubo de vacío de resistencia negativa. [7] El circuito oscilador dinatrón se utilizó en una medida limitada como osciladores de frecuencia de batido (BFO) y osciladores locales en receptores de radio de tubo de vacío , así como en equipos científicos y de prueba desde la década de 1920 hasta la de 1940, pero se volvió obsoleto alrededor de la Segunda Guerra Mundial debido a la variabilidad de la emisión secundaria en los tubos. [8] [9] [10] [11]
Los osciladores de transconductancia negativa, [8] como el oscilador transitrón inventado por Cleto Brunetti en 1939, [12] [13] son circuitos osciladores de tubo de vacío de resistencia negativa similares que se basan en la transconductancia negativa (una caída de la corriente a través de un electrodo de rejilla causada por un aumento de voltaje en una segunda rejilla) en un pentodo u otro tubo de vacío de rejilla múltiple. [5] [14] Estos reemplazaron al circuito dinatrón [14] y se emplearon en equipos electrónicos de tubo de vacío hasta la década de 1970. [8] [10] [11]
Los osciladores dinatrón y transitrón se diferencian de muchos circuitos osciladores en que no utilizan retroalimentación para generar oscilaciones, sino resistencia negativa . [4] [6] Un circuito sintonizado (circuito resonante), que consiste en un inductor y un condensador conectados entre sí, es "casi" un oscilador: puede almacenar energía eléctrica en forma de corrientes oscilantes, "sonando" de manera análoga a un diapasón. [15] Si un circuito sintonizado pudiera tener resistencia eléctrica cero , una vez que se iniciaran las oscilaciones funcionaría como un oscilador , produciendo una onda sinusoidal continua . Pero debido a la inevitable resistencia inherente a los circuitos reales, sin una fuente externa de energía, la energía en la corriente oscilante se disipa como calor en la resistencia, y cualquier oscilación decae a cero. [15]
En los circuitos de dinatrón y transitrón, un tubo de vacío está polarizado de modo que uno de sus electrodos tiene una resistencia diferencial negativa . [4] [6] Esto significa que cuando aumenta el voltaje en el electrodo con respecto al cátodo, la corriente a través de él disminuye. [4] Se conecta un circuito sintonizado entre el electrodo y el cátodo. La resistencia negativa del tubo cancela la resistencia positiva del circuito sintonizado, creando en efecto un circuito sintonizado con resistencia de CA cero. [6] [15] Se genera un voltaje oscilante sinusoidal continuo espontáneo a la frecuencia resonante del circuito sintonizado, iniciado por el ruido eléctrico en el circuito cuando se enciende. [15]
Una ventaja de estos osciladores era que el efecto de resistencia negativa era en gran medida independiente de la frecuencia, por lo que al utilizar valores adecuados de inductancia y capacitancia en el circuito sintonizado podían operar en un amplio rango de frecuencia, desde unos pocos hercios hasta alrededor de 20 MHz. [6] [8] [9] Otra ventaja era que utilizaban un simple circuito sintonizado LC único sin las tomas o bobinas "tickler" requeridas por osciladores como los circuitos Hartley o Armstrong . [16]
En el dinatrón se utiliza un tubo tetrodo . [4] En algunos tetrodos la placa (ánodo) tiene una resistencia diferencial negativa, debido a los electrones expulsados de la placa cuando los electrones del cátodo la golpean, llamada emisión secundaria . [4] [5] Esto provoca una "curvatura" descendente en la curva de corriente de placa vs. voltaje de placa (gráfico a continuación, región gris) cuando la rejilla de la pantalla está polarizada a un voltaje más alto que la placa, como se describe a continuación. Esta resistencia negativa era principalmente una característica de los tubos más antiguos, de la década de 1940 o anterior. [4] En la mayoría de los tetrodos modernos, para evitar oscilaciones parásitas , la placa recibe un revestimiento que reduce drásticamente la emisión secundaria no deseada, por lo que estos tubos prácticamente no tienen una "curvatura" de resistencia negativa en su característica de corriente de placa y no se pueden utilizar en osciladores dinatrón. [4]
El tetrodo no era el único tubo que podía generar oscilaciones de dinatrón. Los primeros triodos también tenían emisión secundaria y, por lo tanto, resistencia negativa, y antes de que se inventara el tetrodo se usaban en osciladores de dinatrón polarizando la rejilla de control más positivamente que la placa. [1] [17] El primer oscilador de dinatrón de Hull en 1918 usaba un tubo de vacío especial "dinatrón" de su propio diseño (mostrado arriba) , un triodo en el que la rejilla era una placa pesada perforada con agujeros que era lo suficientemente robusta como para transportar altas corrientes. [2] Este tubo se usó poco como triodo estándar y los tetrodos podían funcionar adecuadamente como dinatrones. El término "dinatrón" llegó a aplicarse a todas las oscilaciones de resistencia negativa en los tubos de vacío; por ejemplo, se decía que el magnetrón de ánodo dividido funcionaba mediante "oscilación de dinatrón".
Una ventaja del circuito dinatrón era que podía oscilar en un rango de frecuencia muy amplio; desde unos pocos hercios hasta 20 MHz. [6] [8] [9] También tenía muy buena estabilidad de frecuencia en comparación con otros osciladores LC de esa época, e incluso se comparó con los osciladores de cristal . El circuito se hizo popular después de la llegada de tubos tetrodos baratos como el UY222 y el UY224 alrededor de 1928. [9] [16] Se utilizó en osciladores de frecuencia de batido (BFO) para recepción de código y osciladores locales en receptores superheterodinos [16] así como en generadores de señales de laboratorio e investigación científica. El prototipo de televisión de RCA de 1931 utilizó dos tubos UY224 como osciladores dinatrón para generar las señales de deflexión vertical (28 Hz) y deflexión horizontal (2880 Hz) para las bobinas de deflexión del CRT.
Sin embargo, el dinatrón tenía algunas desventajas. Se descubrió que la cantidad de corriente de emisión secundaria de la placa variaba de manera impredecible de un tubo a otro, y también dentro de un mismo tubo a lo largo de su vida útil; [18] [19] con el tiempo dejaba de oscilar. Al reemplazar el tubo, era posible que se tuvieran que probar varios para encontrar uno que oscilara en un circuito. Además, dado que las oscilaciones del dinatrón eran una fuente de inestabilidad en los amplificadores, la principal aplicación del tetrodo, los fabricantes de tubos comenzaron a aplicar un revestimiento de grafito a la placa que prácticamente eliminaba la emisión secundaria. [4] En 1945, el uso del circuito dinatrón estaba en declive. [10] [11] [19]
En un tubo de electrones, cuando los electrones emitidos por el cátodo golpean la placa , pueden sacar otros electrones de la superficie del metal, un efecto llamado emisión secundaria . [4] [5] [18] En un amplificador de tetrodo normal, este es un efecto no deseado, y la rejilla de la pantalla junto a la placa está polarizada a un potencial más bajo que la placa, por lo que estos electrones secundarios son repelidos y regresan a la placa debido a su carga positiva.
Sin embargo, si la rejilla de la pantalla se opera a un potencial más alto que la placa, los electrones secundarios serán atraídos hacia ella y regresarán a tierra a través de la fuente de alimentación de la rejilla de la pantalla. [4] Esto representa una corriente de electrones I G2 que se aleja de la placa, lo que reduce la corriente neta de la placa I P por debajo de la corriente del cátodo I C
Un voltaje de placa más alto hace que los electrones primarios golpeen la placa con más energía, liberando más electrones secundarios. Por lo tanto, a partir del voltaje en el que los electrones primarios tienen suficiente energía para causar la emisión secundaria, alrededor de VP = 10 V, hay una región operativa (gris) en la que un aumento en el voltaje de placa hace que salgan más electrones de la placa que los electrones adicionales que llegan a ella y, por lo tanto, una reducción neta en la corriente de placa.
Dado que en esta región un aumento en el voltaje de placa provoca una disminución en la corriente de placa, la resistencia de placa de CA, es decir la resistencia de salida diferencial del tubo, es negativa:
Al igual que con otros dispositivos de resistencia diferencial negativa , como el diodo túnel , esta resistencia negativa se puede utilizar para crear un oscilador. Se conecta un circuito sintonizado en paralelo al circuito de placas del tetrodo. El circuito oscilará si la magnitud de la resistencia de placa negativa es menor que la resistencia paralela R del circuito sintonizado, incluida cualquier carga conectada al oscilador.
La frecuencia de oscilación es cercana a la frecuencia de resonancia del circuito sintonizado.
Como se puede ver en los gráficos, para el funcionamiento del dinatrón, la rejilla de la pantalla tenía que estar polarizada a un voltaje considerablemente más alto que la placa; al menos el doble del voltaje de la placa. La oscilación del voltaje de la placa está limitada a la región de resistencia negativa de la curva, la "curva" descendente, por lo que para lograr la mayor oscilación del voltaje de salida, el tubo debe estar polarizado en el centro de la región de resistencia negativa.
La resistencia negativa de los tubos tetrodos más antiguos rondaba los 10 kΩ - 20 kΩ, y se puede controlar variando la polarización de la rejilla de control . Si la magnitud de la resistencia negativa | r P | es lo suficientemente pequeña como para iniciar la oscilación, apenas un poco más pequeña que la resistencia positiva R del circuito sintonizado, la frecuencia de oscilación será muy estable y la forma de onda de salida será casi sinusoidal. Si la resistencia negativa se hace significativamente más pequeña que la resistencia positiva, la oscilación de voltaje se extenderá a la parte no lineal de la curva y los picos de la salida de la onda sinusoidal se aplanarán ("recortarán").
El oscilador transitrón, inventado por Cledo Brunetti en 1939, [12] (aunque Balthasar van der Pol observó un efecto similar en tetrodos en 1926, [20] y Edward Herold describió un oscilador similar en 1935 [21] ) es un circuito oscilador de resistencia negativa que utiliza un tubo de vacío pentodo , en el que, en lugar de la placa, la rejilla de pantalla tiene resistencia negativa debido a que está acoplada a la rejilla supresora . [5] [14] [18] Vea el circuito a la derecha. En el transitrón, la rejilla de pantalla está polarizada a un voltaje positivo (batería B1) por encima del voltaje de la placa, mientras que la rejilla supresora está polarizada negativamente (batería B2) , en o por debajo del voltaje del cátodo. Por lo tanto, todos los electrones serán reflejados por la rejilla supresora negativa y ninguno pasará a la placa. Los electrones reflejados serán atraídos por la rejilla de la pantalla, por lo que la corriente de la pantalla será alta mientras que la corriente de la placa será cero. Sin embargo, si se aumenta el voltaje de la rejilla del supresor, a medida que se acerca a cero (el voltaje del cátodo), los electrones comenzarán a pasar a través de él y llegarán a la placa, por lo que el número de electrones desviados a la rejilla de la pantalla, y por lo tanto la corriente de la pantalla, disminuirá. Dado que las otras rejillas no absorben una corriente significativa, la corriente del cátodo se divide entre la placa y la rejilla de la pantalla :
La división de corriente entre la rejilla de la pantalla y la placa está controlada por el voltaje del supresor. Esta relación inversa se indica diciendo que la transconductancia entre la rejilla de la pantalla y la rejilla del supresor (el cambio en la corriente de la pantalla Δ I G2 dividido por el cambio en el voltaje del supresor Δ V G3 ) es negativa.
Dado que la corriente de pantalla está controlada por el voltaje de la rejilla del supresor y no por el voltaje de la rejilla de la pantalla, si el supresor y la rejilla de la pantalla están acoplados entre sí con un capacitor ( C2 ) de modo que exista una diferencia de potencial constante entre ellos, al aumentar el voltaje de la rejilla de la pantalla se incrementará el voltaje del supresor, lo que dará como resultado una disminución de la corriente de pantalla. Esto significa que la rejilla de la pantalla tiene una resistencia diferencial negativa con respecto al cátodo y se puede utilizar para crear oscilaciones.
En el circuito transitrón, las rejillas de pantalla y supresor están acopladas con un condensador de derivación ( C2 ) que tiene una baja impedancia a la frecuencia de oscilación, por lo que tienen una diferencia de potencial constante. El circuito sintonizado en paralelo ( C1-L ) está conectado entre la rejilla de pantalla y el cátodo (a través de la batería B1 ). La resistencia negativa de la rejilla de pantalla cancela la resistencia positiva del circuito sintonizado, lo que provoca oscilaciones. Al igual que en el oscilador dinatrón, la rejilla de control se puede utilizar para ajustar la resistencia negativa.
Dado que el oscilador transitrón no dependía de la emisión secundaria, era mucho más fiable que el dinatrón. Sin embargo, como la rejilla de la pantalla no está diseñada para manejar alta potencia, la potencia de salida del oscilador es limitada. Se han utilizado otros tubos con múltiples rejillas además del pentodo, como el hexodo y el tubo convertidor pentagrid , para fabricar osciladores de transconductancia negativa similares. Los tubos pentodo utilizados en este circuito tienen una transconductancia negativa de solo alrededor de −250 microsiemens, lo que da una resistencia negativa de −4000Ω. Se pueden utilizar tubos con más rejillas, como el convertidor pentagrid , para fabricar osciladores transitrones con mayor transconductancia, lo que da como resultado una resistencia negativa menor.
