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El tubo de salida inductiva ( IOT ) o klystrode es una variedad de tubo de vacío de haz lineal , similar a un klystron , 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 uso comercial principal de los IOT es en transmisores de televisión UHF , [2] donde han reemplazado principalmente a los klystrons debido a sus mayores eficiencias (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 potencia de 20-23 dB a frecuencias de hasta aproximadamente un gigahercio . [2]
El tubo de salida inductiva (IOT) fue inventado en 1938 por Andrew V. Haeff . Posteriormente, se le concedió una patente al IOT a Andrew V. Haeff y se la asignó a la Radio Corporation of America (RCA). Durante la Feria Mundial 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 un pequeño IOT comercialmente durante un breve periodo, con el número de modelo 825. Pronto quedó obsoleto debido a los nuevos desarrollos y la tecnología permaneció más o menos inactiva durante años.
El tubo de salida inductivo ha resurgido en los últimos veinte años tras descubrirse que posee características particularmente adecuadas (linealidad de banda ancha) para la transmisión de televisión digital y 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 balastos utilizados en la iluminación fluorescente afectaban en gran medida a los canales VHF de banda baja (en América del Norte, los canales 2, 3, 4, 5 y 6), lo que hacía 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 otra opción que trasladarse a UHF. Al hacerlo, hicieron 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 modernos IOT del siglo XXI es mucho mayor que la de los primeros IOT fabricados 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 calentado o cátodo 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 absorbida.
Los IOT se han descrito 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 de él como un triodo, con un espaciado muy cercano de alrededor de 0,1 mm. El voltaje de RF de alta frecuencia en la rejilla permite que los electrones pasen en haces. 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 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 evita que la carga espacial se propague por el haz. El electrodo colector se encuentra a un potencial más bajo que el ánodo (colector deprimido), que recupera parte de la energía del haz, aumentando la eficiencia. [1] [2]
Dos diferencias con el klistrón le dan un menor costo y una mayor eficiencia. Primero, el klistrón utiliza modulación de velocidad para crear agrupamiento; su corriente de haz es constante. Requiere un tubo de deriva de varios pies de longitud para permitir que los electrones se agrupen. En contraste, el IOT utiliza modulación de corriente como un triodo ordinario; la mayor parte del agrupamiento lo realiza la rejilla, por lo que el tubo puede ser mucho más corto, lo que lo hace menos costoso de construir y montar, y menos voluminoso. En segundo lugar, dado que el klistrón tiene corriente de haz durante todo el ciclo de RF, solo puede funcionar como un amplificador de clase A ineficiente , mientras que la rejilla 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 funcionar en el modo de clase B o AB más eficiente. [1] [2]
La frecuencia más alta alcanzable en un IOT está limitada por el espaciado entre la rejilla y el cátodo. Los electrones deben acelerarse fuera del cátodo y pasar por la rejilla antes de que el campo eléctrico de RF invierta su dirección. El límite superior de frecuencia es de aproximadamente 1300 MHz . La ganancia del IOT es de 20-23 dB frente a los 35-40 dB de un klistrón. La ganancia más baja no suele ser un problema porque a 20 dB los requisitos de potencia de accionamiento (1 % de la potencia de salida) están dentro de las capacidades de los amplificadores UHF de estado sólido económicos. [1]
Las últimas versiones de los IOT alcanzan eficiencias aún mayores (60%-70%) mediante el uso de un colector deprimido multietapa (MSDC). La versión de un fabricante se denomina amplificador de eficiencia constante (CEA), mientras que otro fabricante comercializa su versión como ESCIOT (colector de ahorro de energía IOT). Las dificultades iniciales de diseño de los MSDCIOT se superaron mediante el uso de aceite de transformador de alto dieléctrico recirculante como medio combinado de refrigerante y aislamiento para evitar la formación de arcos eléctricos y la erosión entre las etapas del colector, que estaban muy espaciadas, y para proporcionar un enfriamiento del colector confiable y de bajo mantenimiento durante la vida útil del tubo. Las versiones anteriores de MSDC tenían que ser enfriadas por aire (potencia limitada) o utilizaban agua desionizada que debía filtrarse, cambiarse regularmente y no brindaba protección contra la congelación o la corrosión.
La radiación térmica del cátodo calienta la rejilla. Como resultado, el material del cátodo con baja función de trabajo se evapora y se condensa en la rejilla. Esto finalmente conduce a un cortocircuito entre el cátodo y la rejilla, ya que el material que se acumula en la rejilla estrecha el espacio entre esta y el cátodo. Además, el material del cátodo emisor en la rejilla provoca una corriente de rejilla negativa (flujo de electrones inverso de la rejilla al cátodo). Esto puede saturar la fuente de alimentación de la rejilla si esta corriente inversa es demasiado alta, cambiando el voltaje de la rejilla (polarización) y, en consecuencia, el punto de funcionamiento del tubo. Los IOT actuales están equipados con cátodos revestidos que funcionan a temperaturas de funcionamiento relativamente bajas y, por lo tanto, tienen tasas de evaporación más lentas, lo que minimiza este efecto.
Al igual que la mayoría de los tubos de haz lineal que tienen cavidades de sintonización externas, los IOT son vulnerables a la formación de arcos eléctricos 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 un espacio de chispa activado 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 de cavidad, colector o cátodo no controlado. [1]