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 al vacío: un filamento calentado o cátodo , una rejilla y una placa ( ánodo ). Desarrollado a partir del Audion de 1906 de Lee De Forest , un tubo de vacío parcial que añadía un electrodo de rejilla al diodo termoiónico ( válvula Fleming ), el triodo fue el primer amplificador electrónico práctico y el antepasado de otros tipos de tubos de vacío como el tetrodo y pentodo . Su invención ayudó a hacer posible la tecnología de radio amplificada y la telefonía de larga distancia . [1] Los triodos se utilizaron 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 calefacción 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 válvula por parte de los audiófilos que prefieren [ vago ] el sonido de la electrónica basada en válvulas. [ cita necesaria ]
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 Tres caminos se encuentran.
Antes de que se inventaran las válvulas termoiónicas, Philipp Lenard utilizó el principio de control de red 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 . Era una bombilla de vidrio al vacío 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 austriaco 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 varios diseños de tubos de tres elementos añadiendo un electrodo al diodo, al que llamó Audions , destinado a ser utilizado como detectores de radio. . [14] [7] El que se convirtió en el diseño del triodo, en el que la rejilla estaba ubicada entre el filamento y la placa, fue patentado el 29 de enero de 1907. [15] [7] [16] Como el tubo de vacío von Lieben , Los Audions de De Forest no fueron evacuados por completo y contenían algo de gas a baja presión. [17] [18] El tubo de vacío de von Lieben no tuvo 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 utilizaron para construir los primeros receptores de radio amplificadores y osciladores electrónicos exitosos . [20] [21] Los numerosos usos de la amplificación motivaron su rápido desarrollo. En 1913, Harold Arnold de American Telephone and Telegraph Company desarrolló versiones mejoradas con mayor vacío , que había comprado los derechos del Audion a De Forest, e Irving Langmuir de General Electric , que llamó a su tubo "Pliotron" . [1] Estos fueron los primeros triodos de tubos 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 pleitos entre De Forest y von Lieben, y De Forest y la Marconi Company , 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 la comunicación. Los transmisores de radio triodo de " onda continua " reemplazaron a los engorrosos e ineficientes transmisores de vía de chispas de " onda amortiguada " , permitiendo la transmisión de sonido por modulación de amplitud (AM). Los receptores de radio de triodo amplificadores , que tenían el poder de accionar altavoces , reemplazaron a las débiles radios de cristal , que debían escucharse con auriculares , lo que permitía a las familias escuchar juntas. Esto dio lugar a la evolución de la radio desde un servicio de mensajes comerciales hasta el primer medio de comunicación de masas , con el inicio de la radiodifusión alrededor de 1920. Los triodos hicieron posible el servicio telefónico transcontinental. Los repetidores triodos de tubos de vacío , inventados en Bell Telephone después de la compra de los derechos de Audion, permitían que las llamadas telefónicas viajaran más allá del límite sin amplificar de aproximadamente 800 millas. La apertura por parte de Bell de la primera línea telefónica transcontinental se celebró tres años después, el 25 de enero de 1915. Otros inventos que el triodo hizo posibles 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 remediaron algunas de las deficiencias del triodo que se detallan a continuación.
El triodo fue muy utilizado en 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 de los tubos 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 válvulas de vacío han experimentado un resurgimiento y regreso en los equipos musicales y de audio de alta fidelidad. También siguen utilizándose como pantallas fluorescentes de vacío (VFD), que vienen en una variedad de implementaciones pero todas son esencialmente dispositivos triodos.
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 formada por una pantalla de cables entre ellos para controlar la corriente. Estos se sellan dentro de un recipiente de vidrio del cual se ha eliminado 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 se fabrica como una unidad reemplazable; los electrodos están conectados a clavijas terminales que se conectan a un enchufe. La vida útil de un triodo es de unas 2.000 horas para válvulas pequeñas y de 10.000 horas para válvulas 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 denomina " cátodo calentado indirectamente ". El cátodo está recubierto con una mezcla de óxidos alcalinotérreos como calcio y óxido de torio que reduce su función de trabajo por lo que produce 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 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 su posición mediante aisladores de mica o cerámica y están sostenidos por cables rígidos unidos a la base, desde donde se llevan los electrodos a las clavijas de conexión. Un " captador ", una pequeña cantidad de bario metálico brillante evaporado en el interior del vidrio, ayuda a mantener el vacío absorbiendo el gas liberado en el tubo con el tiempo.
Los triodos de alta potencia generalmente utilizan un filamento que sirve como cátodo (un cátodo calentado directamente) porque el recubrimiento de emisión en los cátodos calentados indirectamente se destruye por el bombardeo de iones superiores en los tubos de potencia. Se utiliza con mayor frecuencia un filamento de tungsteno torio , en el que el torio añadido al tungsteno se difunde hacia la superficie y forma una monocapa que aumenta la emisión de electrones. A medida que la monocapa se elimina mediante bombardeo iónico, se renueva continuamente mediante más torio que se difunde a la superficie. Estos generalmente funcionan a temperaturas más altas que los cátodos calentados indirectamente. La envoltura del tubo suele estar hecha de cerámica más duradera que de vidrio, y todos los materiales tienen puntos de fusión más altos para soportar niveles de calor más altos producidos. Los tubos con una disipación de potencia del ánodo superior a varios cientos de vatios suelen enfriarse activamente; El ánodo, hecho de cobre pesado, se proyecta a través de la pared del tubo y está unido a un gran disipador de calor externo de metal 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 del cable , 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 las clavijas 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 mitad de camino y la placa a un botón de metal en la parte superior. arriba. Estos son un ejemplo de diseño de "sello de disco". Los ejemplos más pequeños prescinden de la base de clavija octal 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 necesario para que los electrones viajen 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 red. A frecuencias extremadamente altas, los electrones que llegan a la rejilla pueden desfasarse de los que salen hacia el ánodo. Este desequilibrio de carga hace que la red muestre una reactancia mucho menor que su característica de "circuito abierto" de baja frecuencia.
Los efectos del tiempo de tránsito se reducen mediante espacios reducidos en el tubo. Tubos como el 416B (un diseño de Lighthouse) y el 7768 (un diseño miniaturizado totalmente cerámico) están especificados para funcionar a 4 GHz. Presentan distancias entre rejilla y cátodo muy reducidas, del orden de 0,1 mm.
Estos espacios 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 red anódica no es especialmente baja en estos diseños. La capacitancia de la red de ánodo del 6AV6 es de 2 picofaradios (pF), el 7768 tiene un valor de 1,7 pF. El estrecho espacio entre electrodos utilizado 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 menor frecuencia.
En el triodo, los electrones se liberan dentro del tubo desde el cátodo metálico calentándolo, un proceso llamado emisión termoiónica . El cátodo se calienta al rojo vivo mediante una corriente separada que fluye a través de un fino filamento metálico . En algunos tubos, el filamento mismo es el cátodo, mientras que en la mayoría de los tubos hay un filamento separado que calienta el cátodo pero está eléctricamente aislado 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. En el ánodo hay un voltaje de CC positivo, que puede ser tan bajo como 20 V o hasta miles de voltios en algunos tubos transmisores. 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, creando un flujo de electrones a través del tubo desde el cátodo al ánodo.
La magnitud de esta corriente puede controlarse mediante un voltaje aplicado a la red (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 pasarán 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, aumentando la corriente del ánodo. Por lo tanto, una señal de CA de entrada en la red de unos pocos voltios (o menos), incluso con una impedancia muy alta (ya que esencialmente no fluye corriente a través de la red) puede controlar una corriente de ánodo mucho más potente, lo que resulta en amplificación . Cuando se usa en su región lineal, la variación en el voltaje de la red causará 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 causará un voltaje variable a través de esa resistencia que puede ser mucho mayor que las variaciones del voltaje de entrada, lo que resulta en una ganancia de voltaje .
El triodo es un dispositivo normalmente "encendido"; y la corriente fluye hacia el ánodo con voltaje cero en la red. 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 ("bias") a la red junto con el voltaje de señal variable superpuesto a él. Esa polarización es necesaria para que los picos positivos de la señal nunca hagan que la red sea positiva con respecto al cátodo, lo que daría como resultado una corriente de red y un comportamiento no lineal. Un voltaje suficientemente negativo en la red (generalmente alrededor de 3 a 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 lleguen a la red. 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), además de no exceder el voltaje del cátodo.
El triodo tiene un funcionamiento algo similar al JFET de canal n ; normalmente está encendido y muestra una corriente de placa/drenaje cada vez más baja a medida que la rejilla/compuerta se vuelve cada vez más negativa en relación con la fuente/cátodo. El voltaje de corte corresponde al voltaje de corte del JFET (V p ) o VGS (apagado); es decir, el punto de tensión en el que la corriente de salida llega esencialmente a cero. Sin embargo, esta similitud es limitada. La corriente del ánodo del triodo depende en gran medida del voltaje del ánodo y del voltaje de la red, lo que limita la ganancia de voltaje . Debido a que, por el contrario, 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 las válvulas JFET como las de tetrodo/pentodo son capaces de generar ganancias de voltaje mucho más altas que el triodo, que rara vez excede 100. Sin embargo, la ganancia de potencia o la potencia de salida obtenida de un determinado 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 ganancia de corriente grande .
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 había estado en uso ya en 1914, era un dispositivo puramente mecánico con rango de frecuencia y fidelidad limitados. Sólo era adecuado para una gama limitada 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, e hizo que la radio fuera práctica. Los triodos se utilizan para amplificadores y osciladores . Muchos tipos se utilizan sólo a niveles de potencia y frecuencia bajos a moderados. Se pueden utilizar grandes triodos refrigerados por agua como amplificador final en transmisores de radio, con potencias de miles de vatios. Los tipos especializados de triodos (tubos "faro", con baja capacitancia entre elementos) proporcionan una ganancia útil en frecuencias de microondas.
Los tubos de vacío están obsoletos en la electrónica de consumo comercializada masivamente , habiendo sido superados por dispositivos de estado sólido basados en transistores menos costosos . Sin embargo, más recientemente, los tubos de vacío han regresado. Los triodos se siguen utilizando 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 profesional y de alta gama , el MOSFET de estado sólido tiene características de rendimiento similares. [24]
En las hojas de datos de los triodos, 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 ). Desde aquí, un diseñador de circuitos puede elegir el punto de funcionamiento 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 operarlo con un voltaje de ánodo inactivo V a de 200 V y una polarización de voltaje de red de −1 V. Esto implica una corriente de placa inactiva (ánodo) de 2,2 mA (usando el curva amarilla en el gráfico). En un amplificador 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 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 alimentación V + = 222 V para obtener Va = 200 V en el ánodo.
Ahora supongamos que aplicamos al voltaje de polarización de −1 V una señal de 1 V pico-pico, de modo que el voltaje de la red varía entre −0,5 V y −1,5 V. Cuando V g = −0,5 V, la corriente del ánodo aumentará a 3,1 mA, reduciendo el voltaje 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, elevando el voltaje del ánodo a Va = V + − 10 kΩ × 1,4 mA = 208 V (curva verde). Por lo tanto, una señal pico-pico de 1 V en la entrada (red) provoca un cambio de voltaje de salida de aproximadamente 17 V.
De este modo se obtiene una amplificación de voltaje de la señal. La relación de estos dos cambios, el factor de amplificación de voltaje (o mu ), es 17 en este caso. También es posible utilizar triodos como seguidores de cátodos en los que no hay amplificación de voltaje pero sí una enorme reducción de la impedancia dinámica ; en otras palabras, la corriente se amplifica enormemente (como también ocurre en la configuración de cátodo común descrita anteriormente). Amplificar el voltaje o la corriente da como resultado una amplificación de potencia, el propósito general de un tubo amplificador (después de todo, la corriente o el voltaje por sí solos podrían aumentarse disminuyendo el otro simplemente usando un transformador, un dispositivo pasivo).
