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 ocurre cuando el gas se ioniza, lo que produce 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 de forma lineal.
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 precedieron a los tubos de vacío, como la bombilla "Tungar " rellena de argón de General Electric y el rectificador de piscina de mercurio de Cooper-Hewitt , también proporcionaron una influencia. Irving Langmuir y GS Meikle de GE suelen citarse como los primeros investigadores en estudiar 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 derivó 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. Un tiratrón, por otro lado, se llena intencionalmente con gas para 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 se puede modular en cualquier momento, mientras que un tiratrón se llena de plasma y continúa conduciendo mientras exista un voltaje entre el ánodo y el cátodo. Un interruptor de pseudochispa funciona en un régimen similar de la curva de Paschen como un tiratrón y a veces se lo 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 de vidrio o cerámica hermética 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, ya que la rejilla repele los electrones emitidos por el cátodo. La corriente de electrones limitada por la carga espacial fluye desde el cátodo a través de la rejilla de control hacia el ánodo si la rejilla se hace positiva en relación con el cátodo. Una corriente limitada por la 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 estar ionizado . Este proceso de recuperación tarda entre 25 y 75 μs y limita las tasas de repetición del tiratrón a unos pocos kHz . [ 3]
Los tiratrones de baja potencia ( tubos de relé y tubos disparadores ) se fabricaron para controlar lámparas incandescentes, relés electromecánicos o solenoides, para contadores bidireccionales, para realizar varias funciones en calculadoras Dekatron , para detectores de umbral de voltaje en temporizadores RC , etc. Los tiratrones incandescentes se optimizaron para una alta salida de luz de descarga de gas o incluso se fosforecieron y se usaron como registros de desplazamiento con visualización automática en pantallas de matriz de puntos de texto arrastrado 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. El voltaje en la rejilla controla el voltaje de ruptura y, por lo tanto, el período de oscilación. Los osciladores de relajación del tiratrón se utilizaron en inversores de potencia y circuitos de barrido de osciloscopios .
Un tiratrón en miniatura, el triodo 6D4, encontró un uso adicional como una potente fuente de ruido , cuando funcionaba como un diodo (rejilla atada al cátodo) en un campo magnético transversal. [5] Suficientemente filtrado para la "planitud" (" ruido blanco ") en una banda de interés, dicho ruido se utilizó para probar receptores de radio, servosistemas y ocasionalmente en computación analógica como una fuente de valor aleatorio .
El tiratrón en miniatura RK61/2 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 con autoextinción en receptores de control por radio , [6] y fue el principal desarrollo técnico que condujo al desarrollo en tiempos de guerra de armas radiocontroladas y al desarrollo paralelo del modelado radiocontrolado como pasatiempo. [7]
Algunos de los primeros televisores, en particular los modelos británicos, utilizaban tiratrones para osciladores verticales (de cuadro) y horizontales (de línea). [8]
Los tiratrones de potencia media se utilizan en los controladores de motores de máquinas herramienta, donde los tiratrones, que funcionan como rectificadores controlados por fase, se utilizan en el regulador de inducido de la herramienta (de cero a "velocidad base", modo de "par constante") y en el regulador de campo de la herramienta (de "velocidad base" a aproximadamente el doble de la "velocidad base", modo de "potencia constante"). Entre los ejemplos se incluye el torno Monarch Machine Tool 10EE, que utilizó tiratrones desde 1949 hasta que los dispositivos de estado sólido los reemplazaron en 1984. [9]
Los tiratrones de alta potencia todavía se fabrican y son capaces de operar hasta decenas de kiloamperios (kA) y decenas de kilovoltios (kV). Las aplicaciones modernas incluyen controladores de pulsos para equipos de radar pulsado, láseres de gas de alta energía , dispositivos de radioterapia , aceleradores de partículas y en 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 , conectando a tierra la fuente de alto voltaje entrante durante el tiempo que tarda un disyuntor en abrirse y los componentes reactivos en drenar sus cargas almacenadas. Esto se denomina comúnmente circuito de palanca .
Los tiratrones han sido reemplazados en la mayoría de las aplicaciones de potencia baja y media por dispositivos semiconductores correspondientes 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 sigue estando dentro del dominio del tiratrón.
Las variaciones de la idea del tiratrón son el critrón , el sprytrón , el ignitrón y el disparador de chispa , todos ellos utilizados todavía hoy en aplicaciones especiales, como armas nucleares (critrón) y transmisión de energía CA/CC-CA (ignitrón).
El 885 es un pequeño tubo 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 celdas 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 las fuentes de alimentación de corriente alterna (CA) en cargadores de baterías y reguladores de luz , pero estos generalmente tenían una capacidad de manejo de corriente mayor que el 885. El 885 es una variante de 2,5 voltios y 5 pines del 884/6Q5.
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