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El tubo de salida inductivo ( IOT ) o klistrodo es una variedad de tubo de vacío de haz lineal , similar a un klistrón , utilizado como amplificador de potencia para ondas de radio de alta frecuencia. Evolucionó en la década de 1980 para satisfacer los crecientes requisitos de eficiencia de los amplificadores de RF de alta potencia en transmisores de radio. [1] El principal uso comercial de los IOT es en transmisores de televisión UHF , [2] donde han reemplazado principalmente a los klistrones debido a su mayor eficiencia (35% a 40%) y su menor tamaño. Los IOT también se utilizan en aceleradores de partículas . Son capaces de producir una potencia de salida de hasta aproximadamente 30 kW continuos y 7 MW pulsados y ganancias de 20 a 23 dB en frecuencias de hasta aproximadamente un gigahercio . [2]
El tubo de salida inductivo (IOT) fue inventado en 1938 por Andrew V. Haeff . Posteriormente se emitió una patente para el IOT a Andrew V. Haeff y se asignó a Radio Corporation of America (RCA). Durante la Exposición Universal de Nueva York de 1939 , el IOT se utilizó en la transmisión de las primeras imágenes de televisión desde el Empire State Building hasta el recinto ferial. RCA vendió comercialmente un pequeño IOT durante un corto tiempo, con el número de tipo 825. Pronto quedó obsoleto debido a nuevos desarrollos, y la tecnología permaneció más o menos inactiva durante años.
El tubo de salida inductivo ha resurgido en los últimos veinte años después de que se descubriera que poseía características particularmente adecuadas (linealidad de banda ancha) para la transmisión de televisión digital y de televisión digital de alta definición .
En una investigación realizada antes de la transición de la transmisión de televisión analógica a la digital, se descubrió que la interferencia electromagnética de los rayos, la transmisión de energía de CA de alto voltaje, los rectificadores de CA y los balastros utilizados en la iluminación fluorescente afectaban en gran medida a los canales VHF de banda baja (en América del Norte). , canales 2,3,4,5 y 6), lo que hace difícil o imposible su uso para la televisión digital. Estos canales de bajo número eran a menudo las primeras emisoras de televisión en una ciudad determinada y, a menudo, eran operaciones grandes y vitales que no tenían más remedio que trasladarse a UHF. Al hacerlo, hizo que la televisión digital moderna fuera predominantemente un medio UHF, y los IOT se han convertido en el tubo de salida elegido para la sección de salida de potencia de esos transmisores.
La potencia de salida de los IOT modernos del siglo XXI es mucho mayor que la de los primeros IOT producidos por la RCA en 1940-1941, pero el principio fundamental de funcionamiento sigue siendo básicamente el mismo. Desde la década de 1970, los IOT se han diseñado con software informático de modelado electromagnético que ha mejorado enormemente su rendimiento electrodinámico.
El IOT es un tubo de vacío de haz lineal. Al igual que en el tubo de rayos catódicos que se encuentra en los televisores antiguos, los electrones son producidos por un electrodo negativo o cátodo calentado y acelerados por un alto voltaje positivo en una estructura llamada cañón de electrones en un extremo, formando un haz que viaja a lo largo del tubo. En el otro extremo del tubo, el haz no produce una imagen de fósforo brillante como en un CRT, sino que pasa a través de una cavidad resonante que extrae su energía, luego golpea un electrodo positivo y es absorbido.
Los IOT han sido descritos como un cruce entre un klistrón y un triodo , de ahí el nombre comercial de Eimac para ellos, Klystrode . Tienen un cañón de electrones como un klistrón, pero con una rejilla de control delante como un triodo, con una separación muy pequeña de alrededor de 0,1 mm. El voltaje de RF de alta frecuencia en la red permite que los electrones pasen en grupos. La CC de alto voltaje en un ánodo cilíndrico acelera el haz de electrones modulado a través de un pequeño tubo de deriva como un klistrón. Este tubo de deriva evita el reflujo de la radiación electromagnética. El haz de electrones agrupado pasa a través del ánodo hueco hacia una cavidad resonante , similar a la cavidad de salida de un klistrón, y golpea un electrodo colector. Como en un klistrón, cada haz pasa a la cavidad en un momento en que el campo eléctrico lo desacelera, transformando la energía cinética del haz en energía potencial del campo de RF, amplificando la señal. La energía electromagnética oscilante en la cavidad se extrae mediante una línea de transmisión coaxial. Un campo magnético axial impide la dispersión de la carga espacial del haz. El electrodo colector tiene un potencial más bajo que el ánodo (colector deprimido), lo que recupera parte de la energía del haz, aumentando la eficiencia. [1] [2]
Dos diferencias con el klystron le otorgan un menor costo y una mayor eficiencia. Primero, el klistrón utiliza modulación de velocidad para crear agrupaciones; la corriente de su haz es constante. Requiere un tubo de deriva de varios pies de largo para permitir que los electrones se agrupen. Por el contrario, el IOT utiliza la modulación de corriente como un triodo ordinario; la mayor parte del agrupamiento se realiza mediante la rejilla, por lo que el tubo puede ser mucho más corto, lo que hace que su construcción y montaje sean menos costosos y menos voluminosos. En segundo lugar, dado que el klistrón tiene corriente de haz durante todo el ciclo de RF, solo puede funcionar como un amplificador clase A ineficiente , mientras que la red del IOT permite modos de funcionamiento más versátiles. La rejilla se puede polarizar para que la corriente del haz se pueda cortar durante parte del ciclo, lo que le permite operar en el modo más eficiente de clase B o AB. [1] [2]
La frecuencia más alta que se puede lograr en un IOT está limitada por el espacio entre la red y el cátodo. Los electrones deben acelerarse fuera del cátodo y pasar la rejilla antes de que el campo eléctrico de RF invierta la dirección. El límite superior de frecuencia es de aproximadamente 1300 MHz . La ganancia del IOT es de 20 a 23 dB frente a 35 a 40 dB de un klistrón. La ganancia más baja no suele ser un problema porque a 20 dB los requisitos de potencia de excitación (1% de la potencia de salida) están dentro de las capacidades de los amplificadores UHF económicos de estado sólido. [1]
Las últimas versiones de IOT logran eficiencias aún mayores (60%-70%) mediante el uso de un colector deprimido multietapa (MSDC). La versión de un fabricante se llama Amplificador de eficiencia constante (CEA), mientras que otro fabricante comercializa su versión como ESCIOT (Recolector de ahorro de energía IOT). Las dificultades de diseño iniciales de los MSDCIOT se superaron mediante el uso de aceite de transformador con alto contenido dieléctrico en recirculación como medio combinado de refrigerante y aislamiento para evitar la formación de arcos y la erosión entre las etapas del colector estrechamente espaciadas y para proporcionar un enfriamiento confiable del colector de bajo mantenimiento durante la vida útil del tubo. . Las versiones anteriores de MSDC tenían que refrigerarse por aire (potencia limitada) o utilizar agua desionizada que debía filtrarse, intercambiarse periódicamente y no proporcionaba protección contra la congelación o la corrosión.
La radiación térmica del cátodo calienta la rejilla. Como resultado, el material del cátodo de baja función de trabajo se evapora y condensa en la rejilla. Esto eventualmente conduce a un cortocircuito entre el cátodo y la rejilla, ya que el material que se acumula en la rejilla reduce el espacio entre ésta y el cátodo. Además, el material emisivo del cátodo en la rejilla provoca una corriente de rejilla negativa (flujo inverso de electrones desde la rejilla al cátodo). Esto puede saturar el suministro de energía de la red si esta corriente inversa aumenta demasiado, cambiando el voltaje (polarización) de la red y, en consecuencia, el punto de operación del tubo. Los IOT actuales están equipados con cátodos recubiertos que funcionan a temperaturas de funcionamiento relativamente bajas y, por lo tanto, tienen tasas de evaporación más lentas, lo que minimiza este efecto.
Como la mayoría de los tubos de haz lineal que tienen cavidades de sintonización externas, los IOT son vulnerables a la formación de arcos y deben protegerse con detectores de arco ubicados en las cavidades de salida que activan un circuito de palanca basado en un tiratrón de hidrógeno o una descarga de chispas activada en el suministro de alto voltaje. [1] El propósito del circuito de palanca es descargar instantáneamente la carga eléctrica masiva almacenada en el suministro del haz de alto voltaje antes de que esta energía pueda dañar el conjunto del tubo durante un arco incontrolado de cavidad, colector o cátodo. [1]