Un triodo es un tubo de vacío amplificador electrónico (o válvula termoiónica en inglés británico) que consta de tres electrodos dentro de una envoltura de vidrio evacuada: un filamento o cátodo calentado , una rejilla y una placa ( ánodo ). Desarrollado a partir del Audion de Lee De Forest de 1906 , un tubo de vacío parcial que agregó un electrodo de rejilla al diodo termoiónico ( válvula Fleming ), el triodo fue el primer amplificador electrónico práctico y el antecesor de otros tipos de tubos de vacío como el tetrodo y el pentodo . Su invención ayudó a hacer posible la tecnología de radio amplificada y la telefonía de larga distancia . [1] Los triodos se usaron ampliamente en dispositivos electrónicos de consumo como radios y televisores hasta la década de 1970, cuando los transistores los reemplazaron. Hoy en día, su principal uso restante es en amplificadores de RF de alta potencia en transmisores de radio y dispositivos de calentamiento de RF industriales. En los últimos años ha habido un resurgimiento en la demanda de triodos de baja potencia debido al renovado interés en los sistemas de audio de tipo tubo por parte de los audiófilos que prefieren [ vago ] el sonido de la electrónica basada en tubos. [ cita requerida ]
El nombre "triodo" fue acuñado por el físico británico William Eccles [2] [3] alrededor de 1920, derivado del griego τρίοδος, tríodos , de tri- (tres) y hodós (camino, camino), que originalmente significaba el lugar donde se encuentran tres caminos.
Antes de que se inventaran las válvulas termoiónicas, Philipp Lenard utilizó el principio de control de rejilla mientras realizaba experimentos fotoeléctricos en 1902. [4]
El primer tubo de vacío utilizado en radio [5] [6] fue el diodo termoiónico o válvula Fleming , inventado por John Ambrose Fleming en 1904 como detector para receptores de radio . Se trataba de un bulbo de vidrio evacuado que contenía dos electrodos, un filamento calentado (cátodo) y una placa (ánodo).
Los triodos surgieron en 1906 cuando el ingeniero estadounidense Lee de Forest [7] y el físico austríaco Robert von Lieben [8] patentaron de forma independiente tubos que añadían un tercer electrodo, una rejilla de control , entre el filamento y la placa para controlar la corriente. [9] [10] El tubo de tres elementos parcialmente evacuado de von Lieben, patentado en marzo de 1906, contenía un rastro de vapor de mercurio y estaba destinado a amplificar señales telefónicas débiles. [11] [12] [13] [8] A partir de octubre de 1906 [9] De Forest patentó una serie de diseños de tubos de tres elementos añadiendo un electrodo al diodo, al que llamó Audions , destinados a ser utilizados como detectores de radio. [14] [7] El que se convirtió en el diseño del triodo, en el que la rejilla se encontraba entre el filamento y la placa, fue patentado el 29 de enero de 1907. [15] [7] [16] Al igual que el tubo de vacío de von Lieben, los Audions de De Forest estaban evacuados de forma incompleta y contenían algo de gas a baja presión. [17] [18] El tubo de vacío de von Lieben no vio mucho desarrollo debido a su muerte siete años después de su invención, poco antes del estallido de la Primera Guerra Mundial . [19]
El Audion de De Forest no tuvo mucho uso hasta que su capacidad de amplificación fue reconocida alrededor de 1912 por varios investigadores, [18] [1] quienes lo usaron para construir los primeros receptores de radio amplificadores y osciladores electrónicos exitosos . [20] [21] Los múltiples usos de la amplificación motivaron su rápido desarrollo. En 1913, Harold Arnold de la American Telephone and Telegraph Company , que había comprado los derechos del Audion a De Forest, e Irving Langmuir de General Electric , quien bautizó su tubo como "Pliotron", desarrollaron versiones mejoradas con mayor vacío. [18] [1] Estos fueron los primeros triodos de tubo de vacío . [17] El nombre "triodo" apareció más tarde, cuando se hizo necesario distinguirlo de otros tipos de tubos de vacío con más o menos elementos ( diodos , tetrodos , pentodos , etc.). Hubo largos litigios entre De Forest y von Lieben, y De Forest y la Compañía Marconi , que representaba a John Ambrose Fleming , el inventor del diodo. [22]
El descubrimiento de la capacidad amplificadora del triodo en 1912 revolucionó la tecnología eléctrica, creando el nuevo campo de la electrónica , [1] la tecnología de dispositivos eléctricos activos ( amplificadores ). El triodo se aplicó inmediatamente a muchas áreas de comunicación. Durante la Primera Guerra Mundial, los equipos de radio bidireccionales de voz AM se hicieron posibles en 1917 (ver TM (triodo) ) que eran lo suficientemente simples como para que el piloto de un avión monoplaza pudiera usarlo mientras volaba. Los transmisores de radio de " onda continua " de triodo reemplazaron a los engorrosos e ineficientes transmisores de chispa de " onda amortiguada " , lo que permitió la transmisión de sonido por modulación de amplitud (AM). Los receptores de radio de triodo amplificador , que tenían el poder de impulsar altavoces , reemplazaron a las débiles radios de cristal , que debían escucharse con auriculares , lo que permitió que las familias escucharan juntas. Esto dio como resultado la evolución de la radio desde un servicio de mensajes comerciales al primer medio de comunicación de masas , con el comienzo de la radiodifusión alrededor de 1920. Los triodos hicieron posible el servicio telefónico transcontinental. Los repetidores de triodo de tubo de vacío , inventados en Bell Telephone después de su compra de los derechos de Audion, permitieron que las llamadas telefónicas viajaran más allá del límite no amplificado de aproximadamente 800 millas. La inauguración por parte de Bell de la primera línea telefónica transcontinental se celebró 3 años después, el 25 de enero de 1915. Otros inventos que fueron posibles gracias al triodo fueron la televisión , los sistemas de megafonía , los fonógrafos eléctricos y las películas sonoras .
El triodo sirvió como base tecnológica a partir de la cual se desarrollaron tubos de vacío posteriores, como el tetrodo ( Walter Schottky , 1916) y el pentodo (Gilles Holst y Bernardus Dominicus Hubertus Tellegen, 1926), que subsanaron algunas de las deficiencias del triodo que se detallan a continuación.
El triodo se utilizó ampliamente en la electrónica de consumo, como radios, televisores y sistemas de audio , hasta que fue reemplazado en la década de 1960 por el transistor , inventado en 1947, que puso fin a la "era del tubo de vacío" introducida por el triodo. Hoy en día, los triodos se utilizan principalmente en aplicaciones de alta potencia para las que los dispositivos semiconductores de estado sólido no son adecuados, como transmisores de radio y equipos de calefacción industrial. Sin embargo, más recientemente, el triodo y otros dispositivos de tubo de vacío han experimentado un resurgimiento y regreso en los equipos de audio y música de alta fidelidad. También siguen utilizándose como pantallas fluorescentes de vacío (VFD), que vienen en una variedad de implementaciones, pero todas son esencialmente dispositivos de triodo.
Todos los triodos tienen un electrodo de cátodo caliente calentado por un filamento , que libera electrones, y un electrodo de placa metálica plana (ánodo) al que se atraen los electrones, con una rejilla que consiste en una pantalla de cables entre ellos para controlar la corriente. Estos están sellados dentro de un recipiente de vidrio del que se ha extraído el aire a un alto vacío, aproximadamente 10 −9 atm. Dado que el filamento eventualmente se quema, el tubo tiene una vida útil limitada y está hecho como una unidad reemplazable; los electrodos están unidos a clavijas terminales que se enchufan en un zócalo. La vida útil operativa de un triodo es de aproximadamente 2000 horas para tubos pequeños y 10,000 horas para tubos de potencia.
Los triodos de baja potencia tienen una construcción concéntrica (ver dibujo a la derecha) , con la rejilla y el ánodo como cilindros circulares u ovalados que rodean el cátodo. El cátodo es un tubo metálico estrecho en el centro. Dentro del cátodo hay un filamento llamado "calentador" que consiste en una tira estrecha de alambre de tungsteno de alta resistencia , que calienta el cátodo al rojo vivo (800 - 1000 °C). Este tipo se llama " cátodo calentado indirectamente ". El cátodo está recubierto con una mezcla de óxidos alcalinotérreos como óxido de calcio y torio que reduce su función de trabajo para que produzca más electrones. La rejilla está construida con una hélice o pantalla de alambres delgados que rodean el cátodo. El ánodo es un cilindro o caja rectangular de chapa metálica que rodea la rejilla. Está ennegrecido para irradiar calor y a menudo está equipado con aletas que irradian calor. Los electrones viajan en dirección radial, desde el cátodo a través de la rejilla hasta el ánodo. Los elementos se mantienen en posición mediante aisladores de mica o cerámica y están sostenidos por cables rígidos unidos a la base, desde donde se sacan los electrodos hasta las clavijas de conexión. Un " captador ", una pequeña cantidad de metal de bario brillante evaporado en el interior del vidrio, ayuda a mantener el vacío al absorber el gas liberado en el tubo con el tiempo.
Los triodos de alta potencia suelen utilizar un filamento que actúa como cátodo (un cátodo calentado directamente) porque el revestimiento de emisión de los cátodos calentados indirectamente se destruye por el bombardeo de iones más intenso en los tubos de potencia. El filamento de tungsteno toriado es el más utilizado, en el que el torio añadido al tungsteno se difunde a la superficie y forma una monocapa que aumenta la emisión de electrones. A medida que la monocapa se elimina por el bombardeo de iones, se renueva continuamente mediante la difusión de más torio a la superficie. Estos suelen funcionar a temperaturas más altas que los cátodos calentados indirectamente. La envoltura del tubo suele estar hecha de cerámica más duradera en lugar de vidrio, y todos los materiales tienen puntos de fusión más altos para soportar los mayores niveles de calor producidos. Los tubos con una disipación de potencia del ánodo de más de varios cientos de vatios suelen estar refrigerados de forma activa; el ánodo, hecho de cobre pesado, sobresale a través de la pared del tubo y está unido a un gran disipador de calor metálico externo con aletas que se enfría mediante aire forzado o agua.
Un tipo de triodo de baja potencia para uso en frecuencias ultraaltas (UHF), el tubo "faro", tiene una construcción plana para reducir la capacitancia entre electrodos y la inductancia de los conductores , lo que le da la apariencia de un "faro". El cátodo, la rejilla y la placa en forma de disco forman planos en el centro del tubo, un poco como un sándwich con espacios entre las capas. El cátodo en la parte inferior está unido a los pines del tubo, pero la rejilla y la placa se llevan a terminales de baja inductancia en el nivel superior del tubo: la rejilla a un anillo de metal a la mitad y la placa a un botón de metal en la parte superior. Estos son un ejemplo de diseño de "sello de disco". Los ejemplos más pequeños prescinden de la base de pines octales que se muestra en la ilustración y dependen de anillos de contacto para todas las conexiones, incluido el calentador y el cátodo de CC.
Además, el rendimiento de alta frecuencia está limitado por el tiempo de tránsito: el tiempo que necesitan los electrones para viajar del cátodo al ánodo. Los efectos del tiempo de tránsito son complicados, pero un efecto simple es la conductancia de entrada, también conocida como carga de la rejilla. A frecuencias extremadamente altas, los electrones que llegan a la rejilla pueden desfasarse con respecto a los que salen hacia el ánodo. Este desequilibrio de carga hace que la rejilla presente una reactancia mucho menor que su característica de "circuito abierto" de baja frecuencia.
Los efectos del tiempo de tránsito se reducen mediante la reducción de los espacios en el tubo. Los tubos como el 416B (un diseño de Lighthouse) y el 7768 (un diseño miniaturizado totalmente cerámico) están especificados para funcionar a 4 GHz. Presentan espacios entre rejilla y cátodo muy reducidos, del orden de 0,1 mm.
Estos espaciados de rejilla muy reducidos también proporcionan un factor de amplificación mucho mayor que los diseños axiales convencionales. El 7768 tiene un factor de amplificación de 225, en comparación con 100 para el 6AV6 utilizado en radios domésticas y aproximadamente el máximo posible para un diseño axial.
La capacitancia de la rejilla del ánodo no es especialmente baja en estos diseños. La capacitancia de la rejilla del ánodo del 6AV6 es de 2 picofaradios (pF), mientras que la del 7768 es de 1,7 pF. El espaciado reducido entre electrodos que se utiliza en los tubos de microondas aumenta las capacitancias, pero este aumento se ve compensado por sus dimensiones generales reducidas en comparación con los tubos de frecuencias más bajas.
En el triodo, los electrones se liberan en el tubo desde el cátodo metálico al calentarlo, un proceso llamado emisión termoiónica . El cátodo se calienta al rojo vivo mediante una corriente separada que fluye a través de un filamento metálico delgado . En algunos tubos, el filamento en sí es el cátodo, mientras que en la mayoría de los tubos hay un filamento separado que calienta el cátodo pero está aislado eléctricamente de él. El interior del tubo está bien evacuado para que los electrones puedan viajar entre el cátodo y el ánodo sin perder energía en colisiones con moléculas de gas. Un voltaje de CC positivo, que puede ser tan bajo como 20 V o hasta miles de voltios en algunos tubos de transmisión, está presente en el ánodo. Los electrones negativos son atraídos por el ánodo (o "placa") cargado positivamente, y fluyen a través de los espacios entre los cables de la rejilla hacia él, creando un flujo de electrones a través del tubo desde el cátodo hasta el ánodo.
La magnitud de esta corriente se puede controlar mediante un voltaje aplicado en la rejilla (en relación con el cátodo). La rejilla actúa como una puerta para los electrones. Un voltaje más negativo en la rejilla repelerá más electrones, por lo que menos llegarán al ánodo, lo que reducirá la corriente del ánodo. Un voltaje menos negativo en la rejilla permitirá que más electrones del cátodo lleguen al ánodo, lo que aumentará la corriente del ánodo. Por lo tanto, una señal de CA de entrada en la rejilla de unos pocos voltios (o menos), incluso a una impedancia muy alta (ya que esencialmente no fluye corriente a través de la rejilla) puede controlar una corriente del ánodo mucho más potente, lo que da como resultado una amplificación . Cuando se usa en su región lineal, la variación en el voltaje de la rejilla provocará una variación aproximadamente proporcional en la corriente del ánodo; esta relación se llama transconductancia . Si se inserta una resistencia de carga adecuada en el circuito del ánodo, aunque la transconductancia se reduce algo, la corriente variable del ánodo provocará un voltaje variable a través de esa resistencia que puede ser mucho mayor que las variaciones de voltaje de entrada, lo que da como resultado una ganancia de voltaje .
El triodo es un dispositivo que normalmente está "encendido" y la corriente fluye hacia el ánodo con voltaje cero en la rejilla. La corriente del ánodo se reduce progresivamente a medida que la rejilla se vuelve más negativa en relación con el cátodo. Por lo general, se aplica un voltaje de CC constante ("polarización") a la rejilla junto con el voltaje de señal variable superpuesto sobre ella. Esa polarización es necesaria para que los picos positivos de la señal nunca lleven la rejilla a un estado positivo con respecto al cátodo, lo que daría como resultado una corriente de rejilla y un comportamiento no lineal. Un voltaje suficientemente negativo en la rejilla (generalmente alrededor de 3-5 voltios en tubos pequeños como el 6AV6, pero hasta -130 voltios en los primeros dispositivos de potencia de audio como el '45), evitará que los electrones pasen al ánodo, apagando la corriente del ánodo. Esto se llama "voltaje de corte". Dado que más allá del corte la corriente del ánodo deja de responder al voltaje de la red, el voltaje en la red debe permanecer por encima del voltaje de corte para una amplificación fiel (lineal) y también para no exceder el voltaje del cátodo.
El triodo es algo similar en su funcionamiento al JFET de canal n ; normalmente está encendido y exhibe una corriente de placa/drenaje cada vez más baja a medida que la rejilla/puerta se tira cada vez más negativamente en relación con la fuente/cátodo. El voltaje de corte corresponde al voltaje de estrangulamiento del JFET (V p ) o VGS(off); es decir, el punto de voltaje en el que la corriente de salida esencialmente llega a cero. Sin embargo, esta similitud es limitada. La corriente de ánodo del triodo depende en gran medida del voltaje del ánodo, así como del voltaje de la rejilla, lo que limita la ganancia de voltaje . Debido a que, en contraste, la corriente de drenaje del JFET prácticamente no se ve afectada por el voltaje de drenaje, aparece como un dispositivo de corriente constante, similar en acción a un tubo tetrodo o pentodo (alta impedancia de salida dinámica). Tanto los JFET como las válvulas tetrodo/pentodo son capaces de lograr ganancias de voltaje mucho mayores que el triodo, que rara vez supera los 100. Sin embargo, la ganancia de potencia , o la potencia de salida obtenida a partir de un cierto voltaje de entrada de CA, suele ser de mayor interés. Cuando estos dispositivos se utilizan como seguidores de cátodo (o seguidores de fuente ), todos tienen una "ganancia" de voltaje de poco menos de 1, pero con una gran ganancia de corriente .
Aunque el relé telefónico tipo G de SG Brown (que utilizaba un mecanismo de "auricular" magnético que accionaba un elemento de micrófono de carbono) podía proporcionar amplificación de potencia y se utilizaba desde 1914, era un dispositivo puramente mecánico con un rango de frecuencia y una fidelidad limitados. Era adecuado únicamente para un rango limitado de frecuencias de audio, esencialmente frecuencias de voz. [23]
El triodo fue el primer dispositivo no mecánico que proporcionó ganancia de potencia en frecuencias de audio y radio, y que hizo que la radio fuera práctica. Los triodos se utilizan para amplificadores y osciladores . Muchos tipos se utilizan solo en niveles de frecuencia y potencia bajos a moderados. Los triodos grandes refrigerados por agua se pueden utilizar como amplificador final en transmisores de radio, con potencias nominales de miles de vatios. Los tipos especializados de triodo (tubos "faro", con baja capacitancia entre elementos) proporcionan una ganancia útil en frecuencias de microondas.
Los tubos de vacío han quedado obsoletos en la electrónica de consumo comercializada en masa , habiendo sido superados por dispositivos de estado sólido basados en transistores menos costosos . Sin embargo, más recientemente, los tubos de vacío han estado volviendo a estar de moda. Los triodos siguen utilizándose en ciertos amplificadores y transmisores de RF de alta potencia . Si bien los defensores de los tubos de vacío afirman su superioridad en áreas como aplicaciones de audio de alta gama y profesionales , el MOSFET de estado sólido tiene características de rendimiento similares. [24]
En las hojas de datos de triodo, generalmente se dan las características que vinculan la corriente del ánodo (I a ) con el voltaje del ánodo (V a ) y el voltaje de la red (V g ). A partir de aquí, un diseñador de circuitos puede elegir el punto de operación del triodo en particular. Luego, el voltaje de salida y la amplificación del triodo se pueden evaluar gráficamente dibujando una línea de carga en el gráfico.
En la característica de ejemplo que se muestra en la imagen, supongamos que deseamos operar con un voltaje de ánodo en reposo V a de 200 V y una polarización de voltaje de red de −1 V. Esto implica una corriente de placa (ánodo) en reposo de 2,2 mA (usando la curva amarilla en el gráfico). En un amplificador de triodo de clase A , se podría colocar una resistencia de ánodo (conectada entre el ánodo y la fuente de alimentación positiva). Si elegimos R a = 10000 Ω, la caída de voltaje en él sería V + − V a = I a × R a = 22 V para la corriente de ánodo elegida de I a = 2,2 mA. Por lo tanto, necesitamos un voltaje de fuente de alimentación V + = 222 V para obtener V a = 200 V en el ánodo.
Ahora supongamos que aplicamos a la tensión de polarización de −1 V una señal de 1 V pico a pico, de modo que la tensión de la rejilla varíe entre −0,5 V y −1,5 V. Cuando V g = −0,5 V, la corriente del ánodo aumentará a 3,1 mA, lo que reducirá la tensión del ánodo a V a = V + − 10 kΩ × 3,1 mA = 191 V (curva naranja). Cuando V g = −1,5 V, la corriente del ánodo disminuirá a 1,4 mA, lo que aumentará la tensión del ánodo a V a = V + − 10 kΩ × 1,4 mA = 208 V (curva verde). Por lo tanto, una señal de 1 V pico a pico en la entrada (rejilla) provoca un cambio de tensión de salida de aproximadamente 17 V.
De esta manera se obtiene la amplificación de la tensión de la señal. La relación entre estos dos cambios, el factor de amplificación de la tensión (o mu ) es 17 en este caso. También es posible utilizar triodos como seguidores de cátodo en los que no hay amplificación de la tensión pero sí una enorme reducción de la impedancia dinámica ; en otras palabras, la corriente se amplifica en gran medida (como también ocurre en la configuración de cátodo común descrita anteriormente). La amplificación de la tensión o de la corriente da como resultado la amplificación de la potencia, el propósito general de un tubo amplificador (después de todo, tanto la corriente como la tensión se pueden aumentar disminuyendo la otra simplemente utilizando un transformador, un dispositivo pasivo).
