El voltaje necesario para iniciar y mantener la descarga depende de la presión y la composición del gas de relleno y de la geometría del tubo. Aunque la envoltura suele ser de vidrio, los tubos de potencia suelen utilizar cerámica y los tubos militares suelen utilizar metal revestido de vidrio. Se encuentran dispositivos de tipo cátodo caliente y de cátodo frío .
Gases en uso
Hidrógeno
El hidrógeno se utiliza en tubos que se utilizan para conmutaciones muy rápidas, por ejemplo, algunos tiratrones , decatrones y krytrones , donde se requieren bordes muy pronunciados. Los tiempos de acumulación y recuperación del hidrógeno son mucho más cortos que en otros gases. [1] Los tiratrones de hidrógeno suelen ser de cátodo caliente. El hidrógeno (y el deuterio) se pueden almacenar en el tubo en forma de hidruro metálico , calentado con un filamento auxiliar; el hidrógeno calentado por dicho elemento de almacenamiento se puede utilizar para reponer el gas limpiado e incluso para ajustar la presión según sea necesario para una operación del tiratrón a un voltaje determinado. [2]
Deuterio
El deuterio se utiliza en lámparas ultravioleta para espectroscopia ultravioleta , en tubos generadores de neutrones y en tubos especiales (por ejemplo, el crossatrón ). Tiene un voltaje de ruptura más alto que el hidrógeno. En los tubos de conmutación rápida se utiliza en lugar del hidrógeno cuando se requiere un funcionamiento con alto voltaje. [3] A modo de comparación, el tiratrón CX1140 lleno de hidrógeno tiene una tensión nominal de ánodo de 25 kV, mientras que el CX1159 lleno de deuterio y por lo demás idéntico tiene 33 kV. Además, al mismo voltaje, la presión del deuterio puede ser más alta que la del hidrógeno, lo que permite mayores tasas de aumento de la corriente antes de que provoque una disipación excesiva del ánodo. Se pueden lograr potencias de pico significativamente más altas. Sin embargo, su tiempo de recuperación es aproximadamente un 40% más lento que el del hidrógeno. [2]
Los gases nobles se utilizan con frecuencia en tubos para muchos propósitos, desde iluminación hasta conmutación. Los gases nobles puros se emplean en tubos de conmutación. Los tiratrones llenos de gas noble tienen mejores parámetros eléctricos que los basados en mercurio. [3] Los electrodos sufren daños por iones de alta velocidad. Los átomos neutros del gas ralentizan los iones por colisiones y reducen la energía transferida a los electrodos por el impacto de los iones. Los gases con alto peso molecular, por ejemplo, el xenón, protegen los electrodos mejor que los más ligeros, por ejemplo, el neón. [4]
El helio se utiliza en láseres de helio-neón y en algunos tiratrones diseñados para corrientes y voltajes elevados. El helio proporciona un tiempo de desionización tan corto como el del hidrógeno, pero puede soportar voltajes más bajos, por lo que se utiliza con mucha menos frecuencia. [5]
El neón tiene un voltaje de ignición bajo y se utiliza con frecuencia en tubos de bajo voltaje. La descarga del neón emite una luz roja relativamente brillante; por lo tanto, los tubos de conmutación llenos de neón también actúan como indicadores, brillando en rojo cuando se encienden. Esto se aprovecha en los tubos decatrones , que actúan como contadores y pantallas. Su luz roja se aprovecha en la señalización de neón . Se utiliza en tubos fluorescentes de alta potencia y longitud corta, por ejemplo, tubos de iluminación industrial. Tiene una caída de voltaje mayor en comparación con el argón y el criptón. Su baja masa atómica proporciona solo una pequeña protección a los electrodos contra los iones acelerados; se pueden utilizar cables o placas de apantallamiento adicionales para prolongar la vida útil del ánodo. En los tubos fluorescentes se utiliza en combinación con mercurio. [4]
El argón fue el primer gas utilizado en los tubos fluorescentes y todavía se utiliza con frecuencia debido a su bajo coste, alta eficiencia y voltaje de encendido muy bajo. En los tubos fluorescentes se utiliza en combinación con mercurio. [4] También se utilizó en los primeros tubos rectificadores ; los primeros tiratrones se derivaron de estos tubos llenos de argón.
El criptón se puede utilizar en lámparas fluorescentes en lugar de argón; en esa aplicación reduce las pérdidas totales de energía en los electrodos de aproximadamente un 15% a un 7%. Sin embargo, la caída de tensión por longitud de lámpara es menor que con argón, lo que se puede compensar con un diámetro de tubo más pequeño. Las lámparas rellenas de criptón también requieren una tensión de arranque más alta; esto se puede aliviar utilizando, por ejemplo, una mezcla de argón y criptón al 25%–75%. En los tubos fluorescentes se utiliza en combinación con mercurio. [4]
El xenón en estado puro tiene un alto voltaje de ruptura, lo que lo hace útil en tubos de conmutación de mayor voltaje. El xenón también se utiliza como un componente de mezclas de gases cuando se requiere la producción de radiación ultravioleta, por ejemplo en pantallas de plasma , generalmente para excitar un fósforo . La longitud de onda producida es más larga que con argón y criptón y penetra mejor en los fósforos. Para reducir el voltaje de ionización, se utilizan neón-xenón o helio-xenón; por encima de 350 Torr (47 kPa ), el helio tiene un voltaje de ruptura más bajo que el neón y viceversa. En concentraciones de 1% y menos de xenón, el efecto Penning se vuelve significativo en tales mezclas, ya que la mayor parte de la ionización del xenón ocurre por colisión con átomos excitados del otro gas noble; en más de unos pocos porcentajes de xenón, la descarga ioniza el xenón directamente debido a que la mayor parte de la energía de los electrones se gasta en la ionización directa del xenón. [6]
El radón , a pesar de ser un gas noble, es peligrosamente radiactivo y su isótopo más estable tiene una vida media de menos de cuatro días. [7] En consecuencia, no se utiliza comúnmente en dispositivos electrónicos.
Los vapores de mercurio se utilizan para aplicaciones con alta corriente, por ejemplo, luces, válvulas de arco de mercurio , ignitrones . El mercurio se utiliza debido a su alta presión de vapor y bajo potencial de ionización. El mercurio mezclado con un gas inerte se utiliza cuando las pérdidas de energía en el tubo tienen que ser bajas y la vida útil del tubo debe ser larga. En mezclas de mercurio y gas inerte, la descarga es inicialmente transportada principalmente por el gas inerte; el calor liberado sirve luego para evaporar suficiente mercurio para alcanzar la presión de vapor deseada. Los rectificadores de bajo voltaje (cientos de voltios) utilizan vapor de mercurio saturado en combinación con una pequeña cantidad de gas inerte, lo que permite el arranque en frío de los tubos. Los rectificadores de alto voltaje (kilovoltios y más) utilizan vapor de mercurio puro a baja presión, lo que requiere el mantenimiento de la temperatura máxima del tubo. El mercurio líquido sirve como un depósito de mercurio, reponiendo los vapores que se consumen durante la descarga. Se puede utilizar vapor de mercurio insaturado, pero como no se puede reponer, la vida útil de dichos tubos es menor. [1] La fuerte dependencia de la presión de vapor con respecto a la temperatura del mercurio limita los entornos en los que pueden operar los tubos basados en mercurio. En las lámparas de mercurio de baja presión, existe una presión de mercurio óptima para lograr la máxima eficiencia. Los fotones emitidos por átomos de mercurio ionizado pueden ser absorbidos por átomos no ionizados cercanos y, o bien ser reirradiados o el átomo se desexcita de manera no radiactiva; por lo tanto, una presión de mercurio demasiado alta causa pérdidas de luz. Una presión de mercurio demasiado baja hace que haya muy pocos átomos presentes para ionizarse e irradiar fotones. La temperatura óptima para las lámparas de mercurio de baja presión es de aproximadamente 42 °C, cuando la presión de vapor saturada del mercurio (presente como una gota de aproximadamente 1 mg de mercurio líquido en el tubo, como un depósito que compensa las pérdidas por limpieza) alcanza este óptimo. En las lámparas diseñadas para funcionar a temperaturas ambiente más altas y en un rango de temperatura más amplio, el mercurio está presente en forma de amalgama con, por ejemplo, bismuto e indio ; la presión de vapor por encima de la amalgama es menor que por encima del mercurio líquido. [8] El mercurio se utiliza en tubos fluorescentes como fuente de luz visible y ultravioleta para excitar el fósforo ; en esa aplicación se suele utilizar junto con argón, o en algunos casos con criptón o neón. Los iones de mercurio se desionizan lentamente, lo que limita la velocidad de conmutación de los tiratrones llenos de mercurio. El bombardeo de iones de mercurio de energías incluso relativamente bajas también destruye gradualmente los cátodos recubiertos de óxido. [2]
El aire se puede utilizar en algunas aplicaciones de baja exigencia.
El nitrógeno a una presión relativamente alta tiende a usarse en pararrayos , debido a su corto tiempo de acumulación, lo que proporciona a los tubos un tiempo de respuesta rápido a los picos de tensión. [1]
Los halógenos y los vapores de alcohol absorben la radiación ultravioleta y tienen una alta afinidad electrónica. Cuando se añaden a gases inertes, extinguen la descarga; esto se aprovecha, por ejemplo, en los tubos Geiger-Müller . [1]
Gases aislantes
En casos especiales (por ejemplo, interruptores de alto voltaje), se necesitan gases con buenas propiedades dieléctricas y voltajes de ruptura muy altos. Los elementos altamente electronegativos , por ejemplo, los halógenos , son los preferidos ya que se recombinan rápidamente con los iones presentes en el canal de descarga. Una de las opciones más populares es el hexafluoruro de azufre , utilizado en aplicaciones especiales de alto voltaje. Otras opciones comunes son el nitrógeno presurizado seco y los halocarbonos .
Física y tecnología de tubos de gas
Características de voltaje-corriente de descarga eléctrica en neón a 1 Torr (130 Pa), con dos electrodos planos separados por 50 cm. A: pulsos aleatorios por radiación cósmica B: corriente de saturación C: descarga Townsend de avalancha D: descarga Townsend autosostenida E: región inestable: descarga de corona F: descarga luminiscente subnormal G: descarga luminiscente normal H: descarga luminiscente anormal I: región inestable: transición arco luminiscente J: arco eléctrico K: arco eléctrico La región AD se llama descarga oscura; hay algo de ionización, pero la corriente está por debajo de los 10 microamperios y no se produce una cantidad significativa de radiación. La región DG exhibe una resistencia diferencial negativa La región FH es una región de descarga luminiscente; el plasma emite un brillo débil que ocupa casi todo el volumen del tubo; la mayor parte de la luz es emitida por átomos neutros excitados. La región IK es una región de descarga de arco; el plasma se concentra en un canal estrecho a lo largo del centro del tubo; se produce una gran cantidad de radiación.
El mecanismo fundamental es la descarga de Townsend, que es la multiplicación sostenida del flujo de electrones por el impacto de iones cuando se alcanza un valor crítico de la intensidad del campo eléctrico para la densidad del gas. A medida que aumenta el campo eléctrico, se encuentran varias fases de descarga, como se muestra en el gráfico adjunto. El gas utilizado influye drásticamente en los parámetros del tubo. El voltaje de ruptura depende de la composición del gas y de la distancia entre electrodos; las dependencias se describen mediante la ley de Paschen .
Presión de gas
La presión del gas puede oscilar entre 0,001 y 1000 Torr (0,13–130 000 Pa); lo más habitual es utilizar presiones entre 1 y 10 Torr. [1] La presión del gas influye en los siguientes factores: [1]
Vida útil del tubo (los tubos de menor presión tienden a tener una vida útil más corta debido al consumo de gas)
Pulverización catódica , reducida a presiones más altas
Por encima de un valor determinado, cuanto mayor sea la presión del gas, mayor será el voltaje de encendido. Los tubos de iluminación de alta presión pueden requerir un impulso de unos pocos kilovoltios para el encendido cuando están fríos, cuando la presión del gas es baja. Después de calentarse, cuando el compuesto volátil utilizado para la emisión de luz se vaporiza y la presión aumenta, la reignición de la descarga requiere un voltaje significativamente más alto o la reducción de la presión interna enfriando la lámpara. [8] Por ejemplo, muchas lámparas de vapor de sodio no se pueden volver a encender inmediatamente después de apagarlas; deben enfriarse antes de poder encenderse nuevamente.
El gas tiende a agotarse durante el funcionamiento del tubo, debido a varios fenómenos denominados colectivamente limpieza . Los átomos o moléculas de gas se adsorben en las superficies de los electrodos. En los tubos de alto voltaje, los iones acelerados pueden penetrar en los materiales de los electrodos. Las nuevas superficies, formadas por pulverización catódica de los electrodos y depositadas, por ejemplo, en las superficies internas del tubo, también adsorben fácilmente los gases. Los gases no inertes también pueden reaccionar químicamente con los componentes del tubo. El hidrógeno puede difundirse a través de algunos metales. [1]
Para la eliminación de gas en tubos de vacío se utilizan captadores . Para reabastecer gas para tubos llenos de gas se emplean rellenadores . Lo más común es que los rellenadores se utilicen con hidrógeno; un filamento hecho de un metal que absorbe hidrógeno (por ejemplo, circonio o titanio) está presente en el tubo y, al controlar su temperatura, se ajusta la relación entre el hidrógeno absorbido y desorbido, lo que da como resultado el control de la presión de hidrógeno en el tubo. El filamento metálico actúa como un depósito de hidrógeno. Este enfoque se utiliza, por ejemplo, en tiratrones de hidrógeno o tubos de neutrones. El uso de vapor de mercurio saturado permite utilizar un depósito de mercurio líquido como un gran depósito de material; los átomos perdidos por la limpieza se reponen automáticamente mediante la evaporación de más mercurio. Sin embargo, la presión en el tubo depende en gran medida de la temperatura del mercurio, que debe controlarse cuidadosamente. [1]
Los rectificadores de gran tamaño utilizan vapor de mercurio saturado con una pequeña cantidad de gas inerte. El gas inerte favorece la descarga cuando el tubo está frío.
Las características de corriente-voltaje de la válvula de arco de mercurio dependen en gran medida de la temperatura del mercurio líquido. La caída de voltaje en polarización directa disminuye de aproximadamente 60 voltios a 0 °C a algo más de 10 voltios a 50 °C y luego permanece constante; el voltaje de ruptura de polarización inversa ("arco de retorno") cae drásticamente con la temperatura, de 36 kV a 60 °C a 12 kV a 80 °C e incluso menos a temperaturas más altas. Por lo tanto, el rango de operación suele estar entre 18 y 65 °C. [10]
Pureza del gas
El gas en el tubo debe mantenerse puro para mantener las propiedades deseadas; incluso una pequeña cantidad de impurezas puede cambiar drásticamente los valores del tubo. La presencia de gases no inertes generalmente aumenta los voltajes de ruptura y combustión. La presencia de impurezas se puede observar por cambios en el color brillante del gas. El aire que se filtra en el tubo introduce oxígeno, que es altamente electronegativo e inhibe la producción de avalanchas de electrones. Esto hace que la descarga se vea pálida, lechosa o rojiza. Los rastros de vapores de mercurio brillan azulados, oscureciendo el color original del gas. El vapor de magnesio colorea la descarga de verde. Para evitar la desgasificación de los componentes del tubo durante el funcionamiento, se requiere un horneado antes de llenar con gas y sellar. Se requiere una desgasificación completa para tubos de alta calidad; incluso tan poco como 10 −8 torr (≈1 μPa) de oxígeno es suficiente para cubrir los electrodos con una capa de óxido monomolecular en pocas horas. Los gases no inertes se pueden eliminar con captadores adecuados . En el caso de tubos que contienen mercurio, se deben utilizar captadores que no formen amalgamas con el mercurio (por ejemplo, circonio , pero no bario ). La pulverización catódica se puede utilizar intencionadamente para captar gases no inertes; algunos tubos de referencia utilizan cátodos de molibdeno para este fin. [1]
Los gases inertes puros se utilizan cuando la diferencia entre la tensión de encendido y la tensión de combustión debe ser alta, por ejemplo, en los tubos de conmutación. Los tubos para indicación y estabilización, donde la diferencia debe ser menor, tienden a llenarse con mezclas de Penning ; la menor diferencia entre las tensiones de encendido y combustión permite utilizar tensiones de alimentación más bajas y resistencias en serie más pequeñas. [1]
Los dispositivos históricos especializados llenos de gas de baja presión incluyen el tubo Nixie (usado para mostrar números) y el Decatron (usado para contar o dividir pulsos, con la visualización como función secundaria).
Las lámparas de azufre desarrolladas recientemente también son tubos llenos de gas cuando están calientes.
Tubos llenos de gas en la electrónica
Dado que el voltaje de ignición depende de la concentración de iones, que puede caer a cero después de un largo período de inactividad, muchos tubos están preparados para la disponibilidad de iones:
ópticamente, por luz ambiental o por una lámpara incandescente de 2 vatios, o por una descarga luminiscente en la misma envoltura,
radiactivamente, añadiendo tritio al gas, o recubriendo la envoltura en su interior,
eléctricamente, con un electrodo de mantenimiento o de cebado
Dispositivos de potencia
Algunos ejemplos importantes incluyen los tubos tiratrón , critrón e ignitrón , que se utilizan para conmutar corrientes de alto voltaje. Un tipo especial de tubo lleno de gas, llamado tubo de descarga de gas (GDT), se fabrica para usarse como protector contra sobretensiones , para limitar las sobretensiones en circuitos eléctricos y electrónicos.
Había lámparas de neón especiales además de los tubos Nixie:
Indicador de sintonización temprana Tuneon , un tubo de vidrio con un ánodo de alambre corto y un cátodo de alambre largo que brilla parcialmente; la longitud del brillo es proporcional a la corriente del tubo
Se llenaban con un gas inerte puro, como el neón, porque las mezclas hacían que la salida dependiera de la temperatura. Su tensión de combustión era inferior a 200 V, pero necesitaban un cebado óptico mediante una lámpara incandescente de 2 vatios y una sobretensión en el rango de los 5 kV para la ignición.
Un tiratrón en miniatura encontró un uso adicional como fuente de ruido, cuando funcionaba como diodo en un campo magnético transversal. [12]
La pulverización catódica se aprovecha en el Totalizador de tiempo , un medidor de tiempo transcurrido basado en un coulómetro de vapor de metal donde el metal pulverizado se deposita en un elemento colector cuya resistencia, por lo tanto, disminuye lentamente. [13]
Trignitron, nombre comercial de un tubo de mercurio utilizado en soldadores eléctricos
Capacitron, un tubo de mercurio
El corotrón, nombre comercial de un regulador de derivación lleno de gas, generalmente contiene pequeñas cantidades de materiales radiactivos para establecer el voltaje regulado.
Plasmatron , un tubo de cátodo caliente con corriente de ánodo controlada
Tacitron, un tiratrón de bajo ruido con flujo de corriente interrumpible
Krytron , un tubo de conmutación rápida de cátodo frío
Referencias
^ abcdefghij Hajo Lorens van der Horst, Capítulo 2: La construcción de un tubo de descarga de gas Archivado el 25 de diciembre de 2010 en Wayback Machine Libro Philips Gas-Discharge Tubes de 1964
^ abc CA Pirrie y H. Menown "La evolución del tiratrón de hidrógeno", Marconi Applied Technologies Ltd, Chelmsford, Reino Unido
^ ab "Dispositivos de conmutación de potencia por pulsos: descripción general"
^ abcd "La lámpara fluorescente: rellenos de gas". Lamptech.co.uk. Recuperado el 17 de mayo de 2011.
^ Thyratron varios. Cdvandt.org. Recuperado el 17 de mayo de 2011.
^ Po-Cheng Chen, Yu-Ting Chien, "Descarga de gas y experimentos para el panel de visualización de plasma", Centro de información técnica de defensa, parte de compilación, aviso ADP011307
^ Keller, Cornelius; Wolf, Walter; Shani, Jashovam. "Radionucleidos, 2. Elementos radiactivos y radionucleidos artificiales". Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry . Weinheim: Wiley-VCH. doi :10.1002/14356007.o22_o15. ISBN 978-3527306732.
^ ab Manual de optoelectrónica, Volumen 1 de John Dakin, Robert GW Brown, pág. 52, CRC Press, 2006 ISBN 0-7503-0646-7
^ Rectificador de piscina de mercurio controlado por superficie (PDF) . Vol. 28. Instituto de Ingenieros de Radio. Febrero de 1940. p. 52 . Consultado el 16 de julio de 2023 .
^ Datos de referencia para ingenieros: radio, electrónica, computadoras y comunicaciones, de Wendy Middleton y Mac E. Van Valkenburg, págs. 16-42, Newnes, 2002 ISBN 0-7506-7291-9
^ "Ficha técnica del triodo de gas subminiatura tipo RK61" (PDF) . Raytheon Company . Archivado desde el original (PDF) el 20 de marzo de 2017 . Consultado el 20 de marzo de 2017 .
^ "Hoja de datos del tiratrón triodo en miniatura 6D4" (PDF) . Sylvania . Archivado desde el original (PDF) el 20 de marzo de 2017 . Consultado el 25 de mayo de 2013 .
^ "Hoja de datos del totalizador de tiempo subminiatura 7414" (PDF) . Bendix Corporation . 14 de marzo de 1959. Archivado desde el original (PDF) el 18 de julio de 2019 . Consultado el 23 de octubre de 2017 .
^ Hajo Lorens van der Horst Capítulo 8: Tubos especiales Archivado el 25 de diciembre de 2010 en Wayback Machine Libro Philips Gas-Discharge Tubes de 1964
Enlaces externos
Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Tubo de descarga de gas y Lámparas de descarga de gas .
Dispositivos de conmutación de potencia por pulsos: descripción general (tanto tubos de conmutación de vacío como llenos de gas)
Medición de la radiación, detector lleno de gas Archivado el 16 de diciembre de 2011 en Wayback Machine
