Un cátodo frío [1] es un cátodo que no se calienta eléctricamente mediante un filamento . [nota 1] Un cátodo puede considerarse "frío" si emite más electrones de los que puede suministrar solo la emisión termoiónica . Se utiliza en lámparas de descarga de gas , como lámparas de neón , tubos de descarga y algunos tipos de tubos de vacío . El otro tipo de cátodo es un cátodo caliente , que se calienta mediante una corriente eléctrica que pasa a través de un filamento . Un cátodo frío no necesariamente funciona a baja temperatura: a menudo se calienta a su temperatura de funcionamiento mediante otros métodos, como la corriente que pasa del cátodo al gas.
Un tubo de vacío de cátodo frío no depende del calentamiento externo de un electrodo para proporcionar la emisión termoiónica de electrones. Los primeros dispositivos de cátodo frío incluyeron el tubo Geissler y el tubo Plucker , y los primeros tubos de rayos catódicos . El estudio de los fenómenos en estos dispositivos condujo al descubrimiento del electrón.
Las lámparas de neón se utilizan tanto para producir luz como indicadores y para iluminación de usos especiales, como elementos de circuito que presentan resistencia negativa . La adición de un electrodo de activación a un dispositivo permitió que la descarga luminosa se iniciara mediante un circuito de control externo; Bell Laboratories desarrolló un dispositivo de cátodo frío con "tubo de activación" en 1936. [2]
Se desarrollaron muchos tipos de tubos de conmutación de cátodo frío, incluidos varios tipos de tiratrón , krytron , pantallas de cátodo frío ( tubo Nixie ) y otros. Los tubos reguladores de voltaje dependen del voltaje relativamente constante de una descarga luminiscente en un rango de corriente y se usaron para estabilizar los voltajes de la fuente de alimentación en instrumentos basados en tubos. Un decatrón es un tubo de cátodo frío con múltiples electrodos que se usa para contar. Cada vez que se aplica un pulso a un electrodo de control, una descarga luminiscente se mueve a un electrodo de paso; al proporcionar diez electrodos en cada tubo y colocarlos en cascada, se puede desarrollar un sistema de contador y observar el conteo por la posición de las descargas luminiscentes. Los tubos contadores se usaron ampliamente antes del desarrollo de los dispositivos contadores de circuitos integrados .
El tubo de flash es un dispositivo de cátodo frío lleno de gas xenón , que se utiliza para producir un pulso corto e intenso de luz para fotografía o para actuar como un estroboscopio para examinar el movimiento de piezas móviles.
Las lámparas de cátodo frío incluyen lámparas fluorescentes de cátodo frío (CCFL) y lámparas de neón . Las lámparas de neón dependen principalmente de la excitación de moléculas de gas para emitir luz; las CCFL utilizan una descarga en vapor de mercurio para desarrollar luz ultravioleta, que a su vez hace que un revestimiento fluorescente en el interior de la lámpara emita luz visible.
Las lámparas fluorescentes de cátodo frío se utilizaban para la retroiluminación de las pantallas LCD , por ejemplo, de los monitores de ordenador y de las pantallas de televisión.
En la industria de la iluminación, el término "cátodo frío" se refiere históricamente a tubos luminosos de más de 20 mm de diámetro y que funcionan con una corriente de 120 a 240 miliamperios. Estos tubos de mayor diámetro se utilizan a menudo para nichos interiores e iluminación general. [3] [4] El término "lámpara de neón" se refiere a tubos de menos de 15 mm de diámetro [ cita requerida ] y que normalmente funcionan a aproximadamente 40 miliamperios. Estas lámparas se utilizan habitualmente para carteles de neón.
El cátodo es el electrodo negativo. Cualquier lámpara de descarga de gas tiene un electrodo positivo (ánodo) y un electrodo negativo. Ambos electrodos actúan alternativamente como ánodo y cátodo cuando estos dispositivos funcionan con corriente alterna .
Un cátodo frío se distingue de un cátodo caliente que se calienta para inducir la emisión termoiónica de electrones . Los tubos de descarga con cátodos calientes tienen una envoltura llena de gas a baja presión y que contiene dos electrodos. Los dispositivos de cátodo caliente incluyen tubos de vacío comunes , lámparas fluorescentes , lámparas de descarga de alta presión y pantallas fluorescentes de vacío .
La superficie de los cátodos fríos puede emitir electrones secundarios en una proporción mayor que la unidad (ruptura). Un electrón que sale del cátodo chocará con moléculas de gas neutro. La colisión puede excitar la molécula, pero a veces liberará un electrón para crear un ion positivo. El electrón original y el electrón liberado continúan hacia el ánodo y pueden crear más iones positivos (ver avalancha de Townsend ). El resultado es que por cada electrón que sale del cátodo, se generan varios iones positivos que finalmente chocan contra el cátodo. Algunos iones positivos que chocan pueden generar un electrón secundario. La descarga es autosostenida cuando por cada electrón que sale del cátodo, suficientes iones positivos golpean el cátodo para liberar, en promedio, otro electrón. Los circuitos externos limitan la corriente de descarga. Las lámparas de descarga de cátodo frío utilizan voltajes más altos que las de cátodo caliente. El fuerte campo eléctrico resultante cerca del cátodo acelera los iones a una velocidad suficiente para crear electrones libres a partir del material del cátodo.
Otro mecanismo para generar electrones libres a partir de una superficie metálica fría es la emisión de electrones de campo . Se utiliza en algunos tubos de rayos X , el microscopio electrónico de campo (FEM) y las pantallas de emisión de campo (FED).
Los cátodos fríos a veces tienen un revestimiento de tierras raras para mejorar la emisión de electrones. Algunos tipos contienen una fuente de radiación beta para iniciar la ionización del gas que llena el tubo. [5] En algunos tubos, la descarga luminiscente alrededor del cátodo suele minimizarse; en su lugar, hay una denominada columna positiva que llena el tubo. [6] [7] [nota 2] Algunos ejemplos son la lámpara de neón y los tubos Nixie . Los tubos Nixie también son pantallas de neón de cátodo frío que son dispositivos de visualización en línea, pero no en el plano.
Los dispositivos de cátodo frío suelen utilizar una fuente de alimentación de alto voltaje compleja con algún mecanismo para limitar la corriente. Aunque la creación de la carga espacial inicial y el primer arco de corriente a través del tubo puede requerir un voltaje muy alto, una vez que el tubo comienza a calentarse, la resistencia eléctrica disminuye, aumentando así la corriente eléctrica a través de la lámpara. Para compensar este efecto y mantener el funcionamiento normal, el voltaje de suministro se reduce gradualmente. En el caso de los tubos con un gas ionizante, el gas puede convertirse en un plasma muy caliente y la resistencia eléctrica se reduce en gran medida. Si se opera con una fuente de alimentación simple sin limitación de corriente, esta reducción de la resistencia provocaría daños en la fuente de alimentación y un sobrecalentamiento de los electrodos del tubo.
Los cátodos fríos se utilizan en rectificadores de cátodo frío, como las válvulas de arco de mercurio y crossatron , y en amplificadores de cátodo frío, como en la contabilidad automática de mensajes y otras aplicaciones de conmutación de pseudochispa . Otros ejemplos incluyen los tubos thyratron , krytron , sprytron e ignitron .
Una aplicación común de cátodo frío es en letreros de neón y otros lugares donde la temperatura ambiente es probable que caiga muy por debajo del punto de congelación. La Torre del Reloj, el Palacio de Westminster (Big Ben) utiliza iluminación de cátodo frío detrás de las caras del reloj donde el encendido continuo y la falta de encendido en clima frío serían indeseables. Las lámparas fluorescentes de cátodo frío (CCFL) grandes se han producido en el pasado y todavía se utilizan hoy cuando se requieren fuentes de luz lineales con forma y de larga duración. A partir de 2011 [update], las CCFL en miniatura se utilizaron ampliamente como retroiluminación para pantallas de cristal líquido de computadoras y televisores . La vida útil de las CCFL varía en los televisores LCD según las subidas de voltaje transitorias y los niveles de temperatura en los entornos de uso.
Debido a su eficiencia, la tecnología CCFL se ha extendido a la iluminación de habitaciones. Los costos son similares a los de la iluminación fluorescente tradicional , [ aclaración necesaria ] pero con varias ventajas: tiene una larga vida, la luz emitida es más agradable a la vista [ aclaración ] , las bombillas se encienden instantáneamente a plena potencia y también son regulables. [8]
En sistemas que utilizan corriente alterna pero sin estructuras de ánodo separadas , los electrodos se alternan como ánodos y cátodos, y los electrones que chocan entre sí pueden causar un calentamiento localizado sustancial, a menudo hasta alcanzar el rojo intenso . El electrodo puede aprovechar este calentamiento para facilitar la emisión termoiónica de electrones cuando actúa como cátodo. ( Las lámparas fluorescentes de encendido instantáneo emplean este aspecto; comienzan como dispositivos de cátodo frío, pero pronto el calentamiento localizado de los cátodos de alambre de tungsteno fino hace que funcionen en el mismo modo que las lámparas de cátodo caliente ).
Este aspecto es problemático en el caso de las luces de fondo utilizadas en las pantallas de TV LCD . Las nuevas regulaciones de eficiencia energética propuestas en muchos países requerirán una luz de fondo variable; la luz de fondo variable también mejora el rango de contraste percibido, lo cual es deseable para los televisores LCD. Sin embargo, las CCFL están estrictamente limitadas en el grado en que se pueden atenuar, tanto porque una corriente de plasma más baja reducirá la temperatura del cátodo, causando un funcionamiento errático, como porque hacer funcionar el cátodo a una temperatura demasiado baja acorta drásticamente la vida de las lámparas. [ cita requerida ] Se están realizando muchas investigaciones para abordar este problema, pero los fabricantes de alta gama ahora están recurriendo a los LED blancos de alta eficiencia como una mejor solución. [ cita requerida ]