El voltaje requerido para iniciar y mantener la descarga depende de la presión y la composición del gas de relleno y la geometría del tubo. Aunque la envoltura suele ser de vidrio, los tubos de potencia suelen utilizar cerámica y los tubos militares suelen utilizar metal revestido de vidrio. Se encuentran dispositivos de tipo cátodo caliente y de cátodo frío .
Gases en uso
Hidrógeno
El hidrógeno se utiliza en tubos utilizados para cambios muy rápidos, por ejemplo, algunos tiratrones , decatrones y krytrones , donde se requieren bordes muy pronunciados. Los tiempos de acumulación y recuperación del hidrógeno son mucho más cortos que los de otros gases. [1] Los tiratrones de hidrógeno suelen ser de cátodo caliente. El hidrógeno (y el deuterio) se pueden almacenar en el tubo en forma de hidruro metálico , calentado con un filamento auxiliar; El hidrógeno calentando dicho elemento de almacenamiento se puede usar para reponer el gas limpio e incluso para ajustar la presión según sea necesario para una operación de tiratrón a un voltaje determinado. [2]
Deuterio
El deuterio se utiliza en lámparas ultravioleta para espectroscopia ultravioleta , en tubos generadores de neutrones y en tubos especiales (por ejemplo, crossatron ). Tiene un voltaje de ruptura más alto que el hidrógeno. En tubos de conmutación rápida se utiliza en lugar de hidrógeno donde se requiere un funcionamiento de alto voltaje. [3] A modo de comparación, el tiratrón CX1140 lleno de hidrógeno tiene una tensión nominal de ánodo de 25 kV, mientras que el CX1159 lleno de deuterio y por lo demás idéntico tiene 33 kV. Además, al mismo voltaje, la presión del deuterio puede ser mayor que la del hidrógeno, lo que permite mayores tasas de aumento de la corriente antes de que provoque una disipación excesiva del ánodo. Se pueden alcanzar potencias máximas significativamente mayores. Sin embargo, su tiempo de recuperación es aproximadamente un 40% más lento que el del hidrógeno. [2]
Los gases nobles se utilizan frecuentemente en tubos para muchos fines, desde iluminación hasta conmutación. En los tubos de conmutación se utilizan gases nobles puros. Los tiratrones llenos de gas noble tienen mejores parámetros eléctricos que los basados en mercurio. [3] Los electrodos sufren daños por iones de alta velocidad. Los átomos neutros del gas frenan los iones mediante colisiones y reducen la energía transferida a los electrodos por el impacto de los iones. Los gases con alto peso molecular, como por ejemplo el xenón, protegen mejor los electrodos que los más ligeros, como por ejemplo el neón. [4]
El helio se utiliza en láseres de helio-neón y en algunos tiratrones clasificados para altas corrientes y altos voltajes. El helio proporciona un tiempo de desionización tan corto como el hidrógeno, pero puede soportar voltajes más bajos, por lo que se usa con mucha menos frecuencia. [5]
El neón tiene un voltaje de ignición bajo y se usa frecuentemente en tubos de bajo voltaje. La descarga de neón emite una luz roja relativamente brillante; Por lo tanto, los tubos de conmutación llenos de neón también actúan como indicadores y brillan en rojo cuando están encendidos. Esto se aprovecha en los tubos decatrón , que actúan como contadores y visualizadores. Su luz roja se aprovecha en carteles de neón . Se utiliza en tubos fluorescentes de alta potencia y longitud corta, por ejemplo, tubos de iluminación industrial. Tiene una mayor caída de voltaje en comparación con el argón y el criptón. Su baja masa atómica proporciona sólo una pequeña protección a los electrodos contra iones acelerados; Se pueden utilizar placas o alambres de cribado adicionales para prolongar la vida útil del ánodo. En los tubos fluorescentes se utiliza en combinación con mercurio. [4]
El argón fue el primer gas utilizado en los tubos fluorescentes y todavía se utiliza con frecuencia debido a su bajo coste, alta eficiencia y voltaje de encendido muy bajo. En los tubos fluorescentes se utiliza en combinación con mercurio. [4] También se utilizó en los primeros tubos rectificadores ; Los primeros tiratrones se derivaron de tales tubos llenos de argón.
El criptón se puede utilizar en lámparas fluorescentes en lugar de argón; en esa aplicación reduce las pérdidas totales de energía en los electrodos de aproximadamente un 15% a un 7%. Sin embargo, la caída de tensión por longitud de lámpara es menor que con el argón, lo que puede compensarse con un diámetro de tubo más pequeño. Las lámparas llenas de criptón también requieren un voltaje de arranque más alto; Esto se puede aliviar utilizando, por ejemplo, una mezcla de argón-criptón del 25 % al 75 %. En los tubos fluorescentes se utiliza en combinación con mercurio. [4]
El xenón en estado puro tiene un alto voltaje de ruptura, lo que lo hace útil en tubos de conmutación de alto voltaje. El xenón también se utiliza como componente de mezclas de gases cuando se requiere la producción de radiación ultravioleta, por ejemplo en pantallas de plasma , normalmente para excitar un fósforo . La longitud de onda producida es más larga que la del argón y el criptón y penetra mejor en el fósforo. Para reducir el voltaje de ionización se utiliza neón-xenón o helio-xenón; Por encima de 350 Torr (47 kPa ), el helio tiene un voltaje de ruptura más bajo que el neón y viceversa. En concentraciones del 1% o menos de xenón, el efecto Penning se vuelve significativo en tales mezclas, ya que la mayor parte de la ionización del xenón se produce por colisión con átomos excitados del otro gas noble; con más de unos pocos porcentajes de xenón, la descarga ioniza el xenón directamente debido a que la mayor parte de la energía de los electrones se gasta en la ionización directa del xenón. [6]
El radón , pese a ser un gas noble, es peligrosamente radiactivo y su isótopo más estable tiene una vida media inferior a cuatro días. [7] En consecuencia, no se utiliza comúnmente en dispositivos electrónicos.
Los vapores de mercurio se utilizan para aplicaciones con alta corriente, por ejemplo, luces, válvulas de arco de mercurio , ignitrones . Se utiliza mercurio debido a su alta presión de vapor y bajo potencial de ionización. El mercurio mezclado con un gas inerte se utiliza cuando las pérdidas de energía en el tubo deben ser bajas y la vida útil del tubo debe ser larga. En las mezclas de mercurio y gas inerte, la descarga inicialmente es transportada principalmente por el gas inerte; el calor liberado sirve para evaporar suficiente mercurio para alcanzar la presión de vapor deseada. Los rectificadores de bajo voltaje (cientos de voltios) utilizan vapor de mercurio saturado en combinación con una pequeña cantidad de gas inerte, lo que permite el arranque en frío de los tubos. Los rectificadores de alto voltaje (kilovoltios y más) utilizan vapor de mercurio puro a baja presión, lo que requiere mantener la temperatura máxima del tubo. El mercurio líquido sirve como depósito de mercurio, reponiendo los vapores que se consumen durante la descarga. Se puede utilizar vapor de mercurio insaturado, pero como no se puede reponer, la vida útil de dichos tubos es menor. [1] La fuerte dependencia de la presión de vapor de la temperatura del mercurio limita los entornos en los que pueden operar los tubos a base de mercurio. En las lámparas de mercurio de baja presión, existe una presión de mercurio óptima para la máxima eficiencia. Los fotones emitidos por átomos de mercurio ionizados pueden ser absorbidos por átomos no ionizados cercanos y reirradiados o el átomo se desexcita de forma no radiativa; por lo tanto, una presión de mercurio demasiado alta provoca pérdidas de luz. Una presión de mercurio demasiado baja provoca que haya muy pocos átomos presentes para ionizarse e irradiar fotones. La temperatura óptima para las lámparas de mercurio de baja presión es de aproximadamente 42 °C, cuando la presión de vapor saturado de mercurio (presente como una gota de aproximadamente 1 mg de mercurio líquido en el tubo, como depósito que compensa las pérdidas por limpieza) alcanza este óptimo. En las lámparas destinadas a funcionar a temperaturas ambiente más altas y en un rango de temperatura más amplio, el mercurio está presente en forma de amalgama con, por ejemplo, bismuto e indio ; la presión de vapor sobre la amalgama es menor que sobre el mercurio líquido. [8] El mercurio se utiliza en tubos fluorescentes como fuente de luz visible y ultravioleta para excitar el fósforo ; en esa aplicación se suele utilizar junto con argón, o en algunos casos con criptón o neón. Los iones de mercurio se desionizan lentamente, lo que limita la velocidad de conmutación de los tiratrones llenos de mercurio. El bombardeo de iones con iones de mercurio, incluso de energías relativamente bajas, también destruye gradualmente los cátodos recubiertos de óxido. [2]
El aire se puede utilizar en algunas aplicaciones poco exigentes.
El nitrógeno a una presión relativamente alta tiende a usarse en los pararrayos , debido a su corto tiempo de acumulación, lo que brinda a los tubos un tiempo de respuesta rápido a las sobretensiones. [1]
Los halógenos y los vapores de alcohol absorben la radiación ultravioleta y tienen una alta afinidad electrónica. Cuando se añaden a gases inertes, apagan la descarga; esto se aprovecha, por ejemplo, en los tubos Geiger-Müller . [1]
Gases aislantes
En casos especiales (p. ej., interruptores de alto voltaje), se necesitan gases con buenas propiedades dieléctricas y voltajes de ruptura muy altos. Se prefieren los elementos altamente electronegativos , por ejemplo, los halógenos , ya que se recombinan rápidamente con los iones presentes en el canal de descarga. Una de las opciones más populares es el hexafluoruro de azufre , utilizado en aplicaciones especiales de alto voltaje. Otras opciones comunes son el nitrógeno seco presurizado y los halocarbonos .
Física y tecnología de tubos de gas.
Características voltaje-corriente de una descarga eléctrica en neón a 1 Torr (130 Pa), con dos electrodos planos separados por 50 cm. A: pulsos aleatorios por radiación cósmica B: corriente de saturación C: descarga de Townsend de avalancha D: descarga de Townsend autosostenida E: región inestable: descarga de corona F: descarga de brillo subnormal G: descarga de brillo normal H: descarga de brillo anormal I: inestable región: transición de arco incandescente J: arco eléctrico K: arco eléctrico La región AD se llama descarga oscura; hay algo de ionización, pero la corriente es inferior a 10 microamperios y no se produce una cantidad significativa de radiación. La región DG exhibe una resistencia diferencial negativa. La región FH es una región de descarga luminosa; el plasma emite un tenue resplandor que ocupa casi todo el volumen del tubo; la mayor parte de la luz es emitida por átomos neutros excitados. La región IK es una región de descarga de arco; el plasma se concentra en un canal estrecho a lo largo del centro del tubo; se produce una gran cantidad de radiación.
El mecanismo fundamental es la descarga de Townsend, que es la multiplicación sostenida del flujo de electrones por el impacto de iones cuando se alcanza un valor crítico de intensidad del campo eléctrico para la densidad del gas. A medida que aumenta el campo eléctrico, se encuentran varias fases de descarga, como se muestra en el gráfico adjunto. El gas utilizado influye dramáticamente en los parámetros del tubo. El voltaje de ruptura depende de la composición del gas y de la distancia de los electrodos; las dependencias se describen mediante la ley de Paschen .
Presion del gas
La presión del gas puede oscilar entre 0,001 y 1000 Torr (0,13 a 130 000 Pa); lo más común es que se utilicen presiones entre 1 y 10 torr. [1] La presión del gas influye en los siguientes factores: [1]
Vida útil del tubo (los tubos de menor presión tienden a tener una vida útil más corta debido al consumo de gas).
pulverización catódica , reducida a presiones más altas
Por encima de cierto valor, cuanto mayor sea la presión del gas, mayor será el voltaje de encendido. Los tubos de iluminación de alta presión pueden requerir un impulso de unos pocos kilovoltios para encenderse cuando están fríos, cuando la presión del gas es baja. Después del calentamiento, cuando el compuesto volátil utilizado para la emisión de luz se vaporiza y la presión aumenta, el reinicio de la descarga requiere un voltaje significativamente más alto o una reducción de la presión interna enfriando la lámpara. [8] Por ejemplo, muchas lámparas de vapor de sodio no se pueden volver a encender inmediatamente después de apagarlas; deben enfriarse antes de poder volver a encenderse.
El gas tiende a consumirse durante el funcionamiento del tubo, mediante varios fenómenos denominados colectivamente limpieza . Los átomos o moléculas del gas se adsorben en las superficies de los electrodos. En los tubos de alto voltaje, los iones acelerados pueden penetrar en los materiales de los electrodos. Las nuevas superficies, formadas por pulverización catódica de los electrodos y depositadas, por ejemplo, en las superficies internas del tubo, también adsorben fácilmente gases. Los gases no inertes también pueden reaccionar químicamente con los componentes del tubo. El hidrógeno puede difundirse a través de algunos metales. [1]
Para eliminar el gas en los tubos de vacío se utilizan captadores . Para reabastecer gas a tubos llenos de gas, se emplean rellenadores . Lo más habitual es que los reponedores se utilicen con hidrógeno; en el tubo está presente un filamento hecho de un metal absorbente de hidrógeno (por ejemplo, circonio o titanio), y controlando su temperatura se ajusta la proporción de hidrógeno absorbido y desorbido, lo que da como resultado el control de la presión de hidrógeno en el tubo. El filamento metálico actúa como almacenamiento de hidrógeno. Este enfoque se utiliza, por ejemplo, en tiratrones de hidrógeno o tubos de neutrones. El uso de vapor de mercurio saturado permite utilizar un charco de mercurio líquido como gran almacenamiento de material; los átomos perdidos durante la limpieza se reponen automáticamente mediante la evaporación de más mercurio. Sin embargo, la presión en el tubo depende en gran medida de la temperatura del mercurio, que debe controlarse cuidadosamente. [1]
Los rectificadores grandes utilizan vapor de mercurio saturado con una pequeña cantidad de gas inerte. El gas inerte favorece la descarga cuando el tubo está frío.
Las características de corriente-voltaje de la válvula de arco de mercurio dependen en gran medida de la temperatura del mercurio líquido. La caída de voltaje en la polarización directa disminuye desde aproximadamente 60 voltios a 0 °C hasta algo por encima de 10 voltios a 50 °C y luego permanece constante; el voltaje de ruptura de polarización inversa ("arco de retorno") cae dramáticamente con la temperatura, de 36 kV a 60 °C a 12 kV a 80 °C e incluso menos a temperaturas más altas. Por lo tanto, el rango de funcionamiento suele estar entre 18 y 65 °C. [10]
Pureza del gas
El gas del tubo debe mantenerse puro para mantener las propiedades deseadas; Incluso una pequeña cantidad de impurezas puede cambiar drásticamente los valores del tubo. La presencia de gases no inertes aumenta generalmente las tensiones de ruptura y de combustión. La presencia de impurezas se puede observar mediante cambios en el color del brillo del gas. El aire que se filtra al interior del tubo introduce oxígeno, que es altamente electronegativo e inhibe la producción de avalanchas de electrones. Esto hace que la secreción luzca pálida, lechosa o rojiza. Los rastros de vapores de mercurio brillan de forma azulada, oscureciendo el color original del gas. El vapor de magnesio tiñe la descarga de verde. Para evitar la desgasificación de los componentes del tubo durante el funcionamiento, se requiere un horneado antes de llenarlos con gas y sellarlos. Para los tubos de alta calidad se requiere una desgasificación exhaustiva; Incluso tan solo 10 −8 torr (≈1 μPa) de oxígeno es suficiente para cubrir los electrodos con una capa de óxido monomolecular en pocas horas. Los gases no inertes pueden eliminarse mediante captadores adecuados . Para los tubos que contienen mercurio se deben utilizar captadores que no formen amalgamas con el mercurio (p. ej. circonio , pero no bario ). La pulverización catódica se puede utilizar intencionalmente para obtener gases no inertes; Algunos tubos de referencia utilizan cátodos de molibdeno para este fin. [1]
Los gases inertes puros se utilizan cuando la diferencia entre la tensión de encendido y la tensión de combustión debe ser elevada, por ejemplo en tubos de conmutación. Los tubos para indicación y estabilización, donde la diferencia tiene que ser menor, tienden a llenarse con mezclas de Penning ; la menor diferencia entre los voltajes de encendido y de combustión permite utilizar voltajes de alimentación más bajos y resistencias en serie más pequeñas. [1]
Tubos llenos de gas para iluminación y visualización.
Los dispositivos históricos especializados de tubos llenos de gas de baja presión incluyen el tubo Nixie (usado para mostrar números) y el Decatron (usado para contar o dividir pulsos, con visualización como función secundaria).
Las lámparas de azufre recientemente desarrolladas también son tubos llenos de gas cuando están calientes.
Tubos llenos de gas en electrónica.
Dado que el voltaje de ignición depende de la concentración de iones, que puede caer a cero después de un largo período de inactividad, muchos tubos están preparados para la disponibilidad de iones:
ópticamente, por luz ambiental o por una lámpara incandescente de 2 vatios, o por una descarga luminosa en la misma envolvente,
radiactivamente, añadiendo tritio al gas o recubriendo la envoltura interior,
eléctricamente, con un electrodo de mantenimiento o cebador
Dispositivos de energía
Algunos ejemplos importantes incluyen los tubos tiratrón , krytrón e ignitrón , que se utilizan para conmutar corrientes de alto voltaje. Un tipo especializado de tubo lleno de gas llamado tubo de descarga de gas (GDT) se fabrica para su uso como protector contra sobretensiones para limitar las sobretensiones en circuitos eléctricos y electrónicos.
Había lámparas de neón especiales además de los tubos nixie:
Indicador de sintonización temprana Tuneon , un tubo de vidrio con un ánodo de alambre corto y un cátodo de alambre largo que brilla parcialmente; La longitud del resplandor es proporcional a la corriente del tubo.
Se llenaron con un gas inerte puro, como el neón , porque las mezclas hacían que la salida dependiera de la temperatura. Su voltaje de combustión era inferior a 200 V, pero necesitaban cebado óptico mediante una lámpara incandescente de 2 vatios y un aumento de voltaje en el rango de 5 kV para el encendido.
Un tiratrón en miniatura encontró un uso adicional como fuente de ruido, cuando se opera como diodo en un campo magnético transversal. [12]
La pulverización catódica se aprovecha en el Time Totalizer , un medidor del tiempo transcurrido basado en un coulómetro de vapor metálico donde el metal pulverizado se deposita en un elemento colector cuya resistencia, por lo tanto, disminuye lentamente. [13]
Trignitron, nombre comercial de un tubo de mercurio para piscinas utilizado en soldadoras eléctricas.
Capacitron, un tubo de mercurio para piscinas
Corotron, un nombre comercial para un regulador de derivación lleno de gas, generalmente contiene pequeñas cantidades de materiales radiactivos para establecer el voltaje regulado.
Plasmatron , un tubo catódico caliente con corriente anódica controlada
Tacitron, un tiratrón de bajo ruido con flujo de corriente interrumpible
Krytron , un tubo rápido de conmutación de cátodo frío
Referencias
^ abcdefghij Hajo Lorens van der Horst, Capítulo 2: La construcción de un tubo de descarga de gas Archivado el 25 de diciembre de 2010 en el libro Wayback Machine 1964 Philips Gas-Discharge Tubes
^ abc CA Pirrie y H. Menown "La evolución del tiratrón de hidrógeno", Marconi Applied Technologies Ltd, Chelmsford, Reino Unido
^ ab "Dispositivos de conmutación de potencia por impulsos: descripción general"
^ abcd "La lámpara fluorescente: rellenos de gas". Lamptech.co.uk. Recuperado el 17 de mayo de 2011.
^ Tiratrón varios. Cdvandt.org. Recuperado el 17 de mayo de 2011.
^ Po-Cheng Chen, Yu-Ting Chien, "Descarga de gas y experimentos para panel de pantalla de plasma", Aviso de pieza de compilación del Centro de información técnica de defensa ADP011307
^ Keller, Cornelio; Lobo, Walter; Shani, Jashovam. "Radionucleidos, 2. Elementos radiactivos y radionucleidos artificiales". Enciclopedia de química industrial de Ullmann . Weinheim: Wiley-VCH. doi :10.1002/14356007.o22_o15. ISBN 978-3527306732.
^ ab Manual de optoelectrónica, volumen 1 de John Dakin, Robert GW Brown, p. 52, Prensa CRC, 2006 ISBN 0-7503-0646-7
^ Rectificador de piscina de mercurio controlado por superficie (PDF) . vol. 28. Instituto de Ingenieros de Radio. Febrero de 1940. p. 52 . Consultado el 16 de julio de 2023 .
^ Datos de referencia para ingenieros: radio, electrónica, computadoras y comunicaciones por Wendy Middleton, Mac E. Van Valkenburg, págs. 16–42, Newnes, 2002 ISBN 0-7506-7291-9
^ "Ficha técnica del triodo de gas subminiatura tipo RK61" (PDF) . Compañía Raytheon . Consultado el 20 de marzo de 2017 .
^ "Hoja de datos del tiratrón triodo miniatura 6D4" (PDF) . Sylvania . Consultado el 25 de mayo de 2013 .
^ "Hoja de datos del totalizador de tiempo subminiatura 7414" (PDF) . Corporación Bendix . 14 de marzo de 1959 . Consultado el 23 de octubre de 2017 .
^ Hajo Lorens van der Horst Capítulo 8: Tubos especiales Archivado el 25 de diciembre de 2010 en el libro Wayback Machine 1964 Philips Gas-Discharge Tubes
enlaces externos
Wikimedia Commons tiene medios relacionados con el tubo de descarga de gas y las lámparas de descarga de gas .
Dispositivos de conmutación de potencia por impulsos: descripción general (tubos de conmutación llenos de gas y de vacío)
Medición de radiación, detector lleno de gas Archivado el 16 de diciembre de 2011 en la Wayback Machine.
