Un tiratrón es un tipo de tubo lleno de gas que se utiliza como interruptor eléctrico de alta potencia y rectificador controlado . Los tiratrones pueden manejar corrientes mucho mayores que los tubos de vacío duro similares. La multiplicación de electrones se produce cuando el gas se ioniza, produciéndose un fenómeno conocido como descarga de Townsend . Los gases utilizados incluyen vapor de mercurio , xenón , neón y (en aplicaciones especiales de alto voltaje o aplicaciones que requieren tiempos de conmutación muy cortos) hidrógeno . [1] A diferencia de un tubo de vacío (válvula), un tiratrón no se puede utilizar para amplificar señales linealmente.
En la década de 1920, los tiratrones se derivaron de los primeros tubos de vacío, como el UV-200, que contenía una pequeña cantidad de gas argón para aumentar su sensibilidad como detector de señales de radio , y el tubo de relé alemán LRS, que también contenía gas argón. Los rectificadores de gas , que fueron anteriores a los tubos de vacío, como la " bombilla Tungar " de General Electric llena de argón y el rectificador de piscina de mercurio Cooper-Hewitt , también ejercieron una influencia. Generalmente se cita a Irving Langmuir y GS Meikle de GE como los primeros investigadores que estudiaron la rectificación controlada en tubos de gas, alrededor de 1914. Los primeros tiratrones comerciales aparecieron alrededor de 1928.
El término "tiratrón" se deriva del griego antiguo "θύρα" ("thyra"), que significa "puerta" o "válvula". El término " tiristor " se deriva además de una combinación de "tiratrón" y " transistor ". [2] Desde la década de 1960, los tiristores han reemplazado a los tiratrones en la mayoría de las aplicaciones de baja y media potencia.
Los tiratrones se parecen a los tubos de vacío tanto en apariencia como en construcción, pero difieren en comportamiento y principio de funcionamiento. En un tubo de vacío, la conducción está dominada por electrones libres porque la distancia entre el ánodo y el cátodo es pequeña en comparación con el camino libre medio de los electrones. Por el contrario, un tiratrón se llena intencionadamente de gas de modo que la distancia entre el ánodo y el cátodo sea comparable con el camino libre medio de los electrones. Esto hace que la conducción en un tiratrón esté dominada por la conductividad del plasma . Debido a la alta conductividad del plasma, un tiratrón es capaz de conmutar corrientes más altas que los tubos de vacío que están limitados por la carga espacial . Un tubo de vacío tiene la ventaja de que la conductividad puede modularse en cualquier momento, mientras que un tiratrón se llena de plasma y continúa conduciendo mientras exista voltaje entre el ánodo y el cátodo. Un interruptor de pseudochispa opera en un régimen similar de la curva de Paschen como un tiratrón y a veces se le llama tiratrón de cátodo frío .
Un tiratrón consta de un cátodo caliente , un ánodo y una o más rejillas de control entre el ánodo y el cátodo en una envoltura hermética de vidrio o cerámica que se llena de gas. El gas suele ser hidrógeno o deuterio a una presión de 300 a 500 m Torr (40 a 70 Pa ). Los tiratrones comerciales también contienen un depósito de hidruro de titanio y un calentador de depósito que juntos mantienen la presión del gas durante largos períodos independientemente de la pérdida de gas.
La conductividad de un tiratrón permanece baja mientras la rejilla de control sea negativa en relación con el cátodo porque la rejilla repele los electrones emitidos por el cátodo. La corriente de electrones limitada por carga espacial fluye desde el cátodo a través de la rejilla de control hacia el ánodo si la rejilla se hace positiva con respecto al cátodo. Una corriente limitada de carga espacial suficientemente alta inicia la descarga de Townsend entre el ánodo y el cátodo. El plasma resultante proporciona una alta conductividad entre el ánodo y el cátodo y no está limitado por la carga espacial. La conductividad permanece alta hasta que la corriente entre el ánodo y el cátodo cae a un valor pequeño durante un tiempo suficientemente largo como para que el gas deje de ionizarse . Este proceso de recuperación tarda de 25 a 75 μs y limita las tasas de repetición de tiratrones a unos pocos kHz .[3]
Se fabricaron tiratrones de baja potencia ( tubos de relé y tubos de disparo ) para controlar lámparas incandescentes, relés o solenoides electromecánicos, para contadores bidireccionales, para realizar diversas funciones en calculadoras Dekatron , para detectores de umbral de voltaje en temporizadores RC , etc. Los tiratrones incandescentes se optimizaron para alta salida de luz de descarga de gas o incluso fosforizados y utilizados como registros de desplazamiento de visualización automática en pantallas de matriz de puntos de texto rastrero de gran formato .
Otro uso del tiratrón fue en osciladores de relajación . [4] Dado que el voltaje de encendido de la placa es mucho mayor que el voltaje de apagado, el tubo exhibe histéresis y, con un capacitor a través de él, puede funcionar como un oscilador de dientes de sierra. La tensión de la red controla la tensión de ruptura y, por tanto, el período de oscilación. Los osciladores de relajación Thyratron se utilizaron en inversores de potencia y circuitos de barrido de osciloscopio .
Un tiratrón en miniatura, el triodo 6D4, encontró un uso adicional como potente fuente de ruido , cuando se operaba como un diodo (rejilla unida al cátodo) en un campo magnético transversal. [5] Suficientemente filtrado para determinar la "planicidad" (" ruido blanco ") en una banda de interés, dicho ruido se utilizó para probar receptores de radio, servosistemas y ocasionalmente en computación analógica como fuente de valores aleatorios .
El tiratrón RK61/2 en miniatura comercializado en 1938 fue diseñado específicamente para funcionar como un triodo de vacío por debajo de su voltaje de ignición, lo que le permitía amplificar señales analógicas como un detector superregenerativo autoextinguible en receptores de radiocontrol , [6] y fue el principal desarrollo técnico lo que condujo al desarrollo de armas radiocontroladas en tiempos de guerra y al desarrollo paralelo del modelismo radiocontrolado como pasatiempo. [7]
Algunos de los primeros televisores, particularmente los modelos británicos, usaban tiratrones para osciladores verticales (marco) y horizontales (línea). [8]
Los tiratrones de potencia media encontraron aplicaciones en controladores de motores de máquinas herramienta, donde los tiratrones, que funcionan como rectificadores controlados por fase, se utilizan en el regulador de armadura de la herramienta (de cero a "velocidad base", modo de "par constante") y en el regulador de campo de la herramienta ( "velocidad base" a aproximadamente el doble de "velocidad base", modo "potencia constante"). Los ejemplos incluyen el torno Monarch Machine Tool 10EE, que utilizó tiratrones desde 1949 hasta que los dispositivos de estado sólido los reemplazaron en 1984. [9]
Todavía se fabrican tiratrones de alta potencia que son capaces de funcionar hasta decenas de kiloamperios (kA) y decenas de kilovoltios (kV). Las aplicaciones modernas incluyen controladores de impulsos para equipos de radar de impulsos, láseres de gas de alta energía , dispositivos de radioterapia , aceleradores de partículas y bobinas de Tesla y dispositivos similares. Los tiratrones también se utilizan en transmisores de televisión UHF de alta potencia , para proteger los tubos de salida inductivos de cortocircuitos internos , al conectar a tierra el suministro de alto voltaje entrante durante el tiempo que tarda un disyuntor en abrirse y los componentes reactivos en drenar sus cargas almacenadas. Esto comúnmente se llama circuito de palanca .
Los tiratrones han sido reemplazados en la mayoría de las aplicaciones de baja y media potencia por los correspondientes dispositivos semiconductores conocidos como tiristores (a veces llamados rectificadores controlados por silicio o SCR) y triacs . Sin embargo, el servicio de conmutación que requiere voltajes superiores a 20 kV y que implica tiempos de subida muy cortos permanece dentro del dominio del tiratrón.
Las variaciones de la idea del tiratrón son el krytron , el sprytron , el ignitron y el explosor activado , todos todavía utilizados hoy en día en aplicaciones especiales, como armas nucleares (krytron) y transmisión de energía CA/CC-CA (ignitron).
El 885 es un pequeño tubo de tiratrón que utiliza gas argón . Este dispositivo se utilizó ampliamente en los circuitos de base de tiempo de los primeros osciloscopios en la década de 1930. Se empleó en un circuito llamado oscilador de relajación . Durante la Segunda Guerra Mundial , se utilizaron pequeños tiratrones similares al 885 en pares para construir biestables , las células de "memoria" utilizadas por las primeras computadoras y máquinas de descifrado de códigos . Los tiratrones también se utilizaron para el control del ángulo de fase de fuentes de alimentación de corriente alterna (CA) en cargadores de baterías y atenuadores de luz , pero generalmente tenían una capacidad de manejo de corriente mayor que el 885. El 885 es una variante de 2,5 voltios y 5 pines de el 884/6Q5.
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