Un tubo de vacío , tubo electrónico , [1] [2] [3] válvula (uso británico) o tubo (América del Norte) [4] es un dispositivo que controla el flujo de corriente eléctrica en un alto vacío entre electrodos a los que se ha aplicado una diferencia de potencial eléctrico.
El tipo conocido como tubo termoiónico o válvula termoiónica utiliza la emisión termoiónica de electrones desde un cátodo caliente para funciones electrónicas fundamentales como la amplificación de señales y la rectificación de corriente . Sin embargo, los tipos no termoiónicos, como el fototubo de vacío , logran la emisión de electrones a través del efecto fotoeléctrico y se utilizan para fines tales como la detección de intensidades de luz. En ambos tipos, los electrones son acelerados desde el cátodo hasta el ánodo por el campo eléctrico en el tubo.
El tubo de vacío más simple, el diodo (es decir, la válvula Fleming ), fue inventado en 1904 por John Ambrose Fleming . Contiene solo un cátodo emisor de electrones calentado y un ánodo. Los electrones pueden fluir en una sola dirección a través del dispositivo: del cátodo al ánodo. Agregar una o más rejillas de control dentro del tubo permite que la corriente entre el cátodo y el ánodo se controle mediante el voltaje en las rejillas. [5]
Estos dispositivos se convirtieron en un componente clave de los circuitos electrónicos durante la primera mitad del siglo XX. Fueron cruciales para el desarrollo de la radio , la televisión , el radar , la grabación y reproducción de sonido , las redes telefónicas de larga distancia y las computadoras analógicas y digitales tempranas . Aunque algunas aplicaciones habían utilizado tecnologías anteriores, como el transmisor de chispa para radio o las computadoras mecánicas para computación, fue la invención del tubo de vacío termoiónico lo que hizo que estas tecnologías se generalizaran y fueran prácticas, y creó la disciplina de la electrónica . [6]
En la década de 1940, la invención de los dispositivos semiconductores hizo posible la producción de dispositivos de estado sólido , que son más pequeños, más seguros, más fríos y más eficientes, fiables, duraderos y económicos que los tubos termoiónicos. A partir de mediados de la década de 1960, los tubos termoiónicos fueron sustituidos por el transistor . Sin embargo, el tubo de rayos catódicos (TRC) siguió siendo la base de los monitores de televisión y los osciloscopios hasta principios del siglo XXI.
Los tubos termoiónicos todavía se emplean en algunas aplicaciones, como el magnetrón utilizado en hornos microondas, ciertos amplificadores de alta frecuencia y amplificadores de audio de alta gama, que muchos entusiastas del audio prefieren por su sonido de tubo "más cálido" , y amplificadores para instrumentos musicales eléctricos como guitarras (para efectos deseados, como "saturarlos" para lograr un sonido o tono determinado).
No todas las válvulas de circuitos electrónicos o tubos electrónicos son tubos de vacío. Los tubos llenos de gas son dispositivos similares, pero que contienen un gas, normalmente a baja presión, que explotan fenómenos relacionados con la descarga eléctrica en gases , normalmente sin un calentador.
Una clasificación de los tubos de vacío termoiónicos es por el número de electrodos activos . Un dispositivo con dos elementos activos es un diodo , que se utiliza normalmente para rectificación . Los dispositivos con tres elementos son triodos , que se utilizan para amplificación y conmutación . Los electrodos adicionales crean tetrodos , pentodos , etc., que tienen múltiples funciones adicionales que son posibles gracias a los electrodos controlables adicionales.
Otras clasificaciones son:
Los tubos de vacío pueden tener otros componentes y funciones que los descritos anteriormente, y se describen en otras partes. Entre ellos se incluyen los tubos de rayos catódicos , que crean un haz de electrones con fines de visualización (como el tubo de imagen de televisión, en la microscopía electrónica y en la litografía por haz de electrones ); tubos de rayos X ; fototubos y fotomultiplicadores (que dependen del flujo de electrones a través de un vacío donde la emisión de electrones desde el cátodo depende de la energía de los fotones en lugar de la emisión termoiónica ).
Un tubo de vacío consta de dos o más electrodos en el vacío dentro de una envoltura hermética. La mayoría de los tubos tienen envolturas de vidrio con un sello de vidrio a metal basado en vidrios de borosilicato sellables Kovar , aunque se han utilizado envolturas de cerámica y metal (sobre bases aislantes). Los electrodos están unidos a cables que pasan a través de la envoltura a través de un sello hermético. La mayoría de los tubos de vacío tienen una vida útil limitada, debido a que el filamento o el calentador se queman u otros modos de falla, por lo que se fabrican como unidades reemplazables; los cables de los electrodos se conectan a las clavijas en la base del tubo que se enchufan en un zócalo de tubo . Los tubos eran una causa frecuente de falla en los equipos electrónicos y se esperaba que los consumidores pudieran reemplazar los tubos ellos mismos. Además de los terminales de la base, algunos tubos tenían un electrodo que terminaba en una tapa superior . La razón principal para hacer esto era evitar la resistencia de fuga a través de la base del tubo, particularmente para la entrada de rejilla de alta impedancia. [7] : 580 [8] Las bases se fabricaban comúnmente con aislamiento fenólico , que funciona mal como aislante en condiciones húmedas. Otras razones para usar una tapa superior incluyen mejorar la estabilidad al reducir la capacitancia de la rejilla al ánodo, [9] mejorar el rendimiento de alta frecuencia, mantener un voltaje de placa muy alto alejado de voltajes más bajos y acomodar un electrodo más del permitido por la base. Incluso hubo un diseño ocasional que tenía dos conexiones de tapa superior.
Los primeros tubos de vacío evolucionaron a partir de las bombillas incandescentes , que contenían un filamento sellado en una envoltura de vidrio evacuado. Cuando está caliente, el filamento de un tubo de vacío (un cátodo ) libera electrones en el vacío, un proceso llamado emisión termoiónica . Esto puede producir una corriente unidireccional controlable a través del vacío conocida como el efecto Edison . Un segundo electrodo, el ánodo o placa , atraerá esos electrones si está a un voltaje más positivo. El resultado es un flujo neto de electrones desde el filamento a la placa. Sin embargo, los electrones no pueden fluir en la dirección inversa porque la placa no se calienta y no emite electrones. El filamento tiene una doble función: emite electrones cuando se calienta; y, junto con la placa, crea un campo eléctrico debido a la diferencia de potencial entre ellos. Un tubo de este tipo con solo dos electrodos se denomina diodo y se usa para rectificación . Dado que la corriente solo puede pasar en una dirección, un diodo (o rectificador ) de este tipo convertirá la corriente alterna (CA) en CC pulsante. Por lo tanto, los diodos se pueden utilizar en una fuente de alimentación de CC , como demodulador de señales de radio moduladas en amplitud (AM) y para funciones similares.
Los primeros tubos utilizaban el filamento como cátodo; esto se denomina tubo "calentado directamente". La mayoría de los tubos modernos se "calientan indirectamente" mediante un elemento "calentador" dentro de un tubo de metal que es el cátodo. El calentador está aislado eléctricamente del cátodo circundante y simplemente sirve para calentar el cátodo lo suficiente para la emisión termoiónica de electrones. El aislamiento eléctrico permite que todos los calentadores de los tubos se alimenten desde un circuito común (que puede ser de corriente alterna sin inducir zumbidos) al tiempo que permite que los cátodos de los diferentes tubos funcionen a diferentes voltajes. HJ Round inventó el tubo calentado indirectamente alrededor de 1913. [10]
Los filamentos requieren una potencia constante y a menudo considerable, incluso cuando se amplifican señales a nivel de microvatios. La potencia también se disipa cuando los electrones del cátodo chocan contra el ánodo (placa) y lo calientan; esto puede ocurrir incluso en un amplificador inactivo debido a la corriente de reposo necesaria para garantizar la linealidad y la baja distorsión. En un amplificador de potencia, este calentamiento puede ser considerable y puede destruir el tubo si se lo lleva más allá de sus límites de seguridad. Dado que el tubo contiene vacío, los ánodos de la mayoría de los tubos de potencia pequeña y media se enfrían por radiación a través de la envoltura de vidrio. En algunas aplicaciones especiales de alta potencia, el ánodo forma parte de la envoltura de vacío para conducir el calor a un disipador de calor externo, generalmente enfriado por un ventilador o una camisa de agua.
Los klistrones y magnetrones suelen hacer funcionar sus ánodos (denominados colectores en los klistrones) a potencial de tierra para facilitar el enfriamiento, en particular con agua, sin aislamiento de alto voltaje. Estos tubos, en cambio, funcionan con altos voltajes negativos en el filamento y el cátodo.
Aparte de los diodos, se colocan electrodos adicionales entre el cátodo y la placa (ánodo). Estos electrodos se denominan rejillas, ya que no son electrodos sólidos, sino elementos dispersos a través de los cuales pueden pasar los electrones en su camino hacia la placa. El tubo de vacío se conoce entonces como triodo , tetrodo , pentodo , etc., según el número de rejillas. Un triodo tiene tres electrodos: el ánodo, el cátodo y una rejilla, y así sucesivamente. La primera rejilla, conocida como rejilla de control, (y a veces otras rejillas) transforma el diodo en un dispositivo controlado por voltaje : el voltaje aplicado a la rejilla de control afecta la corriente entre el cátodo y la placa. Cuando se mantiene negativa con respecto al cátodo, la rejilla de control crea un campo eléctrico que repele los electrones emitidos por el cátodo, reduciendo o incluso deteniendo así la corriente entre el cátodo y el ánodo. Mientras la rejilla de control sea negativa en relación con el cátodo, esencialmente no fluye corriente hacia él, pero un cambio de varios voltios en la rejilla de control es suficiente para hacer una gran diferencia en la corriente de placa, posiblemente cambiando la salida en cientos de voltios (dependiendo del circuito). El dispositivo de estado sólido que funciona más como el tubo pentodo es el transistor de efecto de campo de unión (JFET), aunque los tubos de vacío generalmente funcionan a más de cien voltios, a diferencia de la mayoría de los semiconductores en la mayoría de las aplicaciones.
En el siglo XIX se produjo un aumento de la investigación con tubos de vacío, como los tubos de Geissler y Crookes . Entre los muchos científicos e inventores que experimentaron con estos tubos se encuentran Thomas Edison , Eugen Goldstein , Nikola Tesla y Johann Wilhelm Hittorf . [11] Con la excepción de las primeras bombillas , estos tubos solo se utilizaban en la investigación científica o como novedades. Sin embargo, el trabajo preliminar realizado por estos científicos e inventores fue fundamental para el desarrollo de la tecnología de tubos de vacío posterior.
Aunque la emisión termoiónica fue reportada originalmente en 1873 por Frederick Guthrie , [12] fue el descubrimiento aparentemente independiente del fenómeno por parte de Thomas Edison en 1883, conocido como el efecto Edison , el que se hizo conocido. Aunque Edison era consciente de la propiedad unidireccional del flujo de corriente entre el filamento y el ánodo, su interés (y patente [13] ) se concentró en la sensibilidad de la corriente del ánodo a la corriente a través del filamento (y por lo tanto a la temperatura del filamento). Fue años después que John Ambrose Fleming aplicó la propiedad rectificadora del efecto Edison a la detección de señales de radio, como una mejora sobre el detector magnético . [14]
La amplificación por tubo de vacío se volvió práctica recién con la invención en 1907 de Lee de Forest del tubo " audión " de tres terminales, una forma rudimentaria de lo que luego se convertiría en el triodo . [15] Al ser esencialmente el primer amplificador electrónico , [16] tales tubos fueron fundamentales en la telefonía de larga distancia (como la primera línea telefónica de costa a costa en los EE. UU.) y en los sistemas de megafonía , e introdujeron una tecnología muy superior y versátil para su uso en transmisores y receptores de radio.
A finales del siglo XIX, la tecnología de radio o inalámbrica estaba en una etapa temprana de desarrollo y la Compañía Marconi se dedicaba al desarrollo y construcción de sistemas de comunicación por radio. Guglielmo Marconi nombró al físico inglés John Ambrose Fleming como asesor científico en 1899. Fleming había sido contratado como asesor científico de Edison Telephone (1879), como asesor científico de Edison Electric Light (1882), y también fue consultor técnico de Edison-Swan . [17] Una de las necesidades de Marconi era la mejora del detector , un dispositivo que extrae información de una frecuencia de radio modulada. Marconi había desarrollado un detector magnético , que respondía menos a las fuentes naturales de interferencia de radiofrecuencia que el coherer , pero el detector magnético solo proporcionaba una señal de frecuencia de audio a un receptor telefónico. Se necesitaba un detector confiable que pudiera impulsar un instrumento de impresión.
Como resultado de los experimentos realizados en bombillas de efecto Edison, [14] Fleming desarrolló un tubo de vacío al que denominó válvula de oscilación porque pasaba corriente en una sola dirección. [18] El cátodo era un filamento de lámpara de carbono, calentado al pasar corriente a través de él, que producía emisión termoiónica de electrones. Los electrones que habían sido emitidos desde el cátodo eran atraídos a la placa ( ánodo ) cuando la placa estaba a un voltaje positivo con respecto al cátodo. Los electrones no podían pasar en la dirección inversa porque la placa no estaba calentada y no era capaz de emitir electrones termoiónicos. Fleming presentó una patente para estos tubos, asignada a la empresa Marconi, en el Reino Unido en noviembre de 1904 y esta patente fue emitida en septiembre de 1905. [19] Más tarde conocida como la válvula Fleming , la válvula de oscilación fue desarrollada con el propósito de rectificar la corriente de radiofrecuencia como componente detector de circuitos receptores de radio. [14] [20]
Si bien no ofrecía ninguna ventaja sobre la sensibilidad eléctrica de los detectores de cristal , [21] la válvula Fleming ofrecía ventajas, particularmente en el uso a bordo, sobre la dificultad de ajuste del detector de cristal y la susceptibilidad del detector de cristal a desalojarse del ajuste por vibración o golpes. [22]
En el siglo XIX, los ingenieros de telégrafos y teléfonos reconocieron la necesidad de ampliar la distancia a la que se podían transmitir las señales. En 1906, Robert von Lieben presentó una patente para un tubo de rayos catódicos que utilizaba una bobina de deflexión magnética externa y estaba destinado a usarse como amplificador en equipos de telefonía. [23] Sin embargo, este tubo de deflexión magnética de von Lieben no fue un amplificador exitoso debido a la potencia utilizada por la bobina de deflexión. [24] Más tarde, von Lieben haría mejoras en los tubos de vacío de triodo .
A Lee de Forest se le atribuye la invención del tubo triodo en 1907 mientras experimentaba para mejorar su original (diodo) Audion . [25] Al colocar un electrodo adicional entre el filamento ( cátodo ) y la placa (ánodo), descubrió la capacidad del dispositivo resultante para amplificar señales. A medida que el voltaje aplicado a la rejilla de control (o simplemente "rejilla") se reducía del voltaje del cátodo a voltajes algo más negativos, se reduciría la cantidad de corriente del filamento a la placa. El campo electrostático negativo creado por la rejilla en las proximidades del cátodo inhibiría el paso de electrones emitidos y reduciría la corriente a la placa. Con el voltaje de la rejilla menor que el del cátodo, no podría pasar corriente continua del cátodo a la rejilla.
De este modo, un cambio de voltaje aplicado a la rejilla, que requiere muy poca potencia de entrada a la rejilla, podría producir un cambio en la corriente de placa y podría conducir a un cambio de voltaje mucho mayor en la placa; el resultado fue la amplificación de voltaje y potencia . En 1908, a De Forest se le concedió una patente ( patente estadounidense 879.532 ) para una versión de tres electrodos de su Audion original para su uso como amplificador electrónico en comunicaciones por radio. Esto finalmente se conoció como el triodo.
El dispositivo original de De Forest se fabricó con tecnología de vacío convencional. El vacío no era un "vacío duro", sino que dejaba una cantidad muy pequeña de gas residual. La física detrás del funcionamiento del dispositivo tampoco estaba resuelta. El gas residual causaba un resplandor azul (ionización visible) cuando el voltaje de la placa era alto (por encima de unos 60 voltios). En 1912, De Forest y John Stone Stone llevaron el Audion al departamento de ingeniería de AT&T para una demostración. El Dr. Harold D. Arnold de AT&T reconoció que el resplandor azul era causado por gas ionizado. Arnold recomendó que AT&T comprara la patente, y AT&T siguió su recomendación. Arnold desarrolló tubos de alto vacío que se probaron en el verano de 1913 en la red de larga distancia de AT&T. [26] Los tubos de alto vacío podían funcionar a altos voltajes de placa sin un resplandor azul.
El inventor finlandés Eric Tigerstedt mejoró significativamente el diseño original del triodo en 1914, mientras trabajaba en su proceso de sonido sobre película en Berlín, Alemania. La innovación de Tigerstedt fue hacer que los electrodos fueran cilindros concéntricos con el cátodo en el centro, lo que aumentó enormemente la recolección de electrones emitidos en el ánodo. [27]
Irving Langmuir, del laboratorio de investigación de General Electric ( Schenectady, Nueva York ), había mejorado la bomba de difusión de alto vacío de Wolfgang Gaede y la había utilizado para resolver la cuestión de la emisión y conducción termoiónica en el vacío. En consecuencia, General Electric comenzó a producir triodos de vacío duro (que recibieron la marca Pliotrons) en 1915. [28] Langmuir patentó el triodo de vacío duro, pero De Forest y AT&T afirmaron con éxito la prioridad e invalidaron la patente.
Los pliotrones fueron seguidos de cerca por el tipo francés " TM " y más tarde por el tipo inglés "R", que eran de uso generalizado por los militares aliados en 1916. Históricamente, los niveles de vacío en los tubos de vacío de producción normalmente variaban desde 10 μPa hasta 10 nPa (8 × 10 −8 Torr hasta 8 × 10 −11 Torr). [29]
El triodo y sus derivados (tetrodos y pentodos) son dispositivos de transconductancia , en los que la señal de control aplicada a la rejilla es un voltaje , y la señal amplificada resultante que aparece en el ánodo es una corriente . [30] Compare esto con el comportamiento del transistor de unión bipolar , en el que la señal de control es una corriente y la salida también es una corriente.
En el caso de los tubos de vacío, la transconductancia o conductancia mutua ( g m ) se define como el cambio en la corriente de placa (ánodo)/cátodo dividido por el cambio correspondiente en el voltaje de rejilla a cátodo, con un voltaje de placa (ánodo) a cátodo constante. Los valores típicos de g m para un tubo de vacío de pequeña señal son de 1 a 10 milisiemens. Es una de las tres "constantes" de un tubo de vacío, las otras dos son su ganancia μ y la resistencia de placa R p o R a . La ecuación de Van der Bijl define su relación de la siguiente manera:
La característica de funcionamiento no lineal del triodo provocó que los primeros amplificadores de audio a válvulas exhibieran distorsión armónica a volúmenes bajos. Al representar gráficamente la corriente de placa como una función del voltaje de red aplicado, se observó que había un rango de voltajes de red para los cuales las características de transferencia eran aproximadamente lineales.
Para utilizar este rango, se debía aplicar un voltaje de polarización negativo a la red para colocar el punto de operación de CC en la región lineal. Esto se denominó condición de reposo y la corriente de placa en este punto, "corriente de reposo". El voltaje de control se superpuso al voltaje de polarización, lo que dio como resultado una variación lineal de la corriente de placa en respuesta a la variación positiva y negativa del voltaje de entrada alrededor de ese punto.
Este concepto se denomina polarización de rejilla . Muchos de los primeros aparatos de radio tenían una tercera batería llamada "batería C" (sin relación con la pila C actual , para la que la letra indica su tamaño y forma). El terminal positivo de la batería C estaba conectado al cátodo de los tubos (o "tierra" en la mayoría de los circuitos) y cuyo terminal negativo suministraba este voltaje de polarización a las rejillas de los tubos.
Los circuitos posteriores, después de que se fabricaran tubos con calentadores aislados de sus cátodos, utilizaron polarización catódica , lo que evitó la necesidad de una fuente de alimentación negativa separada. Para la polarización catódica, se conecta una resistencia de valor relativamente bajo entre el cátodo y la tierra. Esto hace que el cátodo sea positivo con respecto a la rejilla, que está al potencial de tierra para CC.
Sin embargo, las baterías C siguieron estando incluidas en algunos equipos incluso cuando las baterías "A" y "B" habían sido reemplazadas por energía de la red eléctrica de CA. Esto fue posible porque estas baterías prácticamente no consumían corriente; por lo tanto, podían durar muchos años (a menudo más que todos los tubos) sin necesidad de reemplazarlas.
Cuando se utilizaron por primera vez los triodos en los transmisores y receptores de radio, se descubrió que las etapas de amplificación sintonizadas tenían tendencia a oscilar a menos que su ganancia fuera muy limitada. Esto se debía a la capacitancia parásita entre la placa (la salida del amplificador) y la rejilla de control (la entrada del amplificador), conocida como capacitancia de Miller .
Finalmente, se desarrolló la técnica de neutralización, mediante la cual el transformador de RF conectado a la placa (ánodo) incluiría un devanado adicional en la fase opuesta. Este devanado se conectaría de nuevo a la red a través de un pequeño condensador y, cuando se ajustara correctamente, cancelaría la capacitancia de Miller. Esta técnica se empleó y condujo al éxito de la radio Neutrodyne durante la década de 1920. Sin embargo, la neutralización requería un ajuste cuidadoso y resultó insatisfactoria cuando se usaba en un amplio rango de frecuencias.
Para combatir los problemas de estabilidad del triodo como amplificador de radiofrecuencia debido a la capacitancia de rejilla a placa, el físico Walter H. Schottky inventó el tetrodo o tubo de rejilla de pantalla en 1919. [31] Demostró que la adición de un blindaje electrostático entre la rejilla de control y la placa podría resolver el problema. Este diseño fue refinado por Hull y Williams. [32] La rejilla añadida se conoció como rejilla de pantalla o rejilla de protección . La rejilla de pantalla se opera a un voltaje positivo significativamente menor que el voltaje de placa y se deriva a tierra con un condensador de baja impedancia en las frecuencias que se van a amplificar. [33] Esta disposición desacopla sustancialmente la placa y la rejilla de control , eliminando la necesidad de circuitos de neutralización en frecuencias de transmisión de onda media. La rejilla de pantalla también reduce en gran medida la influencia del voltaje de placa en la carga espacial cerca del cátodo, lo que permite que el tetrodo produzca una mayor ganancia de voltaje que el triodo en circuitos amplificadores. Si bien los factores de amplificación de los triodos típicos suelen oscilar entre menos de diez y alrededor de 100, los factores de amplificación de los tetrodos de 500 son comunes. En consecuencia, se hicieron posibles mayores ganancias de voltaje a partir de una única etapa de amplificación de tubo, lo que redujo la cantidad de tubos necesarios. Los tubos con rejilla de pantalla se comercializaron a fines de 1927. [34]
Sin embargo, la región útil de operación del tubo de rejilla de pantalla como amplificador estaba limitada a voltajes de placa mayores que el voltaje de la rejilla de pantalla, debido a la emisión secundaria de la placa. En cualquier tubo, los electrones golpean la placa con suficiente energía para causar la emisión de electrones desde su superficie. En un triodo, esta emisión secundaria de electrones no es importante ya que simplemente son recapturados por la placa. Pero en un tetrodo pueden ser capturados por la rejilla de pantalla ya que también está a un voltaje positivo, robándoles la corriente de placa y reduciendo la amplificación del tubo. Dado que los electrones secundarios pueden superar en número a los electrones primarios en un cierto rango de voltajes de placa, la corriente de placa puede disminuir con el aumento del voltaje de placa. Esta es la región del dinatrón [35] o la torcedura del tetrodo y es un ejemplo de resistencia negativa que puede causar inestabilidad. [36] Otra consecuencia indeseable de la emisión secundaria es que aumenta la corriente de pantalla, lo que puede hacer que la pantalla exceda su potencia nominal.
La región de resistencia negativa de la característica de la placa, que de otro modo no sería deseable, se aprovechó con el circuito oscilador dinatrón para producir un oscilador simple que solo requería la conexión de la placa a un circuito LC resonante para oscilar. El oscilador dinatrón funcionaba con el mismo principio de resistencia negativa que el oscilador de diodo túnel muchos años después.
La región dinatrón del tubo de rejilla de pantalla se eliminó agregando una rejilla entre la rejilla de pantalla y la placa para crear el pentodo . La rejilla supresora del pentodo generalmente estaba conectada al cátodo y su voltaje negativo en relación con el ánodo repelía los electrones secundarios para que fueran recolectados por el ánodo en lugar de la rejilla de pantalla. El término pentodo significa que el tubo tiene cinco electrodos. El pentodo fue inventado en 1926 por Bernard DH Tellegen [37] y generalmente se favoreció sobre el simple tetrodo. Los pentodos se fabrican en dos clases: aquellos con la rejilla supresora cableada internamente al cátodo (por ejemplo, EL84/6BQ5) y aquellos con la rejilla supresora cableada a un pin separado para el acceso del usuario (por ejemplo, 803, 837). Una solución alternativa para aplicaciones de energía es el tetrodo de haz o tubo de potencia de haz , que se analiza a continuación.
Los receptores superheterodinos requieren un oscilador local y un mezclador , combinados en la función de un único tubo convertidor de pentagrama . Para este fin se han utilizado varias alternativas, como la combinación de un triodo con un hexodo e incluso un octodo . Las rejillas adicionales incluyen rejillas de control (a un potencial bajo) y rejillas de pantalla (a un alto voltaje). Muchos diseños utilizan una rejilla de pantalla de este tipo como un ánodo adicional para proporcionar retroalimentación para la función del oscilador, cuya corriente se suma a la de la señal de radiofrecuencia entrante. El convertidor de pentagrama se convirtió así en ampliamente utilizado en los receptores de AM, incluida la versión de tubo en miniatura del " All American Five ". Los octodos, como el 7A8, rara vez se utilizaban en los Estados Unidos, pero eran mucho más comunes en Europa, particularmente en radios que funcionaban con baterías, donde el menor consumo de energía era una ventaja.
Para reducir aún más el coste y la complejidad de los equipos de radio, se pueden combinar dos estructuras separadas (triodo y pentodo, por ejemplo) en el bulbo de un solo tubo multisección . Un ejemplo temprano es el Loewe 3NF . Este dispositivo de la década de 1920 tiene tres triodos en una sola envoltura de vidrio junto con todos los condensadores y resistencias fijas necesarias para formar un receptor de radio completo. Como el conjunto Loewe tenía solo un zócalo de tubo, pudo superar sustancialmente a la competencia, ya que, en Alemania, se cobraba un impuesto estatal por el número de zócalos. Sin embargo, la confiabilidad se vio comprometida y los costos de producción del tubo fueron mucho mayores. En cierto sentido, estos eran similares a los circuitos integrados. En los Estados Unidos, Cleartron produjo brevemente el triple triodo "Multivalve" para su uso en el receptor Emerson Baby Grand. Este conjunto Emerson también tiene un solo zócalo de tubo, pero como utiliza una base de cuatro pines, las conexiones de elementos adicionales se realizan en una plataforma "mezzanine" en la parte superior de la base del tubo.
En 1940, los tubos multisección se habían vuelto comunes. Sin embargo, existían restricciones debido a patentes y otras consideraciones de licencia (consulte la Asociación Británica de Válvulas ). Las restricciones debido a la cantidad de pines externos (cables) a menudo obligaban a las funciones a compartir algunas de esas conexiones externas, como sus conexiones de cátodo (además de la conexión del calentador). El RCA Type 55 es un triodo de diodo doble utilizado como detector, rectificador de control automático de ganancia y preamplificador de audio en las primeras radios alimentadas por CA. Estos conjuntos a menudo incluyen la salida de audio de triodo dual 53. Otro tipo temprano de tubo multisección, el 6SN7 , es un "tríodo dual" que realiza las funciones de dos tubos triodo mientras ocupa la mitad de espacio y cuesta menos. El 12AX7 es un triodo dual "high mu" (alta ganancia de voltaje [38] [39] [40] ) en una carcasa en miniatura, y se usó ampliamente en amplificadores de señal de audio, instrumentos y amplificadores de guitarra .
La introducción de la base de tubo en miniatura (ver abajo) que puede tener 9 pines, más de los que estaban disponibles anteriormente, permitió la introducción de otros tubos de múltiples secciones, como el triodo-pentodo 6GH8 /ECF82, bastante popular en los receptores de televisión. El deseo de incluir aún más funciones en una sola envolvente dio como resultado el Compactron de General Electric que tiene 12 pines. Un ejemplo típico, el 6AG11, contiene dos triodos y dos diodos. [41]
Algunos tubos convencionales no entran en las categorías estándar; el 6AR8, el 6JH8 y el 6ME8 tienen varias rejillas comunes, seguidas de un par de electrodos de deflexión del haz que desvían la corriente hacia cualquiera de los dos ánodos. [42] A veces se los conocía como tubos de "haz de lámina" y se usaban en algunos televisores en color para la demodulación del color . El similar 7360 era popular como (de)modulador SSB balanceado . [43]
Un tetrodo de haz (o "tubo de potencia de haz") forma el flujo de electrones desde el cátodo en múltiples haces parcialmente colimados para producir una región de carga espacial de bajo potencial entre el ánodo y la rejilla de pantalla para devolver los electrones de emisión secundaria del ánodo al ánodo cuando el potencial del ánodo es menor que el de la rejilla de pantalla. [44] [45] La formación de haces también reduce la corriente de la rejilla de pantalla. En algunos tubos de potencia de haz simétricos cilíndricos, el cátodo está formado por tiras estrechas de material emisor que están alineadas con las aberturas de la rejilla de control, lo que reduce la corriente de la rejilla de control. [46] Este diseño ayuda a superar algunas de las barreras prácticas para diseñar tubos de potencia de alta potencia y alta eficiencia.
Las hojas de datos de los fabricantes a menudo utilizan los términos pentodo de haz o pentodo de potencia de haz en lugar de tubo de potencia de haz , y utilizan un símbolo gráfico de pentodo en lugar de un símbolo gráfico que muestre placas formadoras de haz. [47]
Los tubos de potencia Beam ofrecen las ventajas de una línea de carga más larga, menos corriente de pantalla, mayor transconductancia y menor distorsión armónica de tercer orden que los pentodos de potencia comparables. [48] [49] Los tubos de potencia Beam se pueden conectar como triodos para mejorar la calidad tonal del audio, pero en modo triodo ofrecen una salida de potencia significativamente reducida. [50]
Los tubos llenos de gas, como los tubos de descarga y los tubos de cátodo frío , no son tubos de vacío rígidos , aunque siempre están llenos de gas a una presión inferior a la atmosférica a nivel del mar. Los tipos como el tubo regulador de voltaje y el tiratrón se parecen a los tubos de vacío rígidos y encajan en los zócalos diseñados para tubos de vacío. Su distintivo resplandor naranja, rojo o violeta durante el funcionamiento indica la presencia de gas; los electrones que fluyen en el vacío no producen luz dentro de esa región. Estos tipos pueden seguir denominándose "tubos electrónicos", ya que realizan funciones electrónicas. Los rectificadores de alta potencia utilizan vapor de mercurio para lograr una caída de voltaje directo menor que los tubos de alto vacío.
Los primeros tubos utilizaban una envoltura de metal o vidrio sobre una base aislante de baquelita . En 1938 se desarrolló una técnica para utilizar una construcción totalmente de vidrio [51] con los pines fusionados en la base de vidrio de la envoltura. Esto permitió el diseño de un perfil de tubo mucho más pequeño, conocido como tubo en miniatura, que tiene siete o nueve pines. Hacer tubos más pequeños redujo el voltaje en el que podían operar de manera segura y también redujo la disipación de potencia del filamento. Los tubos en miniatura se volvieron predominantes en aplicaciones de consumo, como receptores de radio y amplificadores de alta fidelidad. Sin embargo, los estilos más antiguos y más grandes continuaron utilizándose especialmente como rectificadores de mayor potencia , en etapas de salida de audio de mayor potencia y como tubos de transmisión.
Los tubos subminiatura, de un tamaño similar al de la mitad de un cigarrillo, se utilizaban en aplicaciones de consumo como amplificadores de audífonos. Estos tubos no tenían clavijas que se conectaran a un zócalo, sino que se soldaban en su lugar. El " tubo de bellota " (llamado así por su forma) también era muy pequeño, al igual que el nuvistor RCA de carcasa metálica de 1959, del tamaño de un dedal . El nuvistor se desarrolló para competir con los primeros transistores y funcionaba a frecuencias más altas que las que podían alcanzar estos últimos. Su pequeño tamaño permitía un funcionamiento especialmente a alta frecuencia; los nuvistores se utilizaban en transceptores de radio de aeronaves, sintonizadores de televisión UHF y algunos sintonizadores de radio FM HiFi (Sansui 500A) hasta que fueron reemplazados por transistores capaces de funcionar a alta frecuencia.
Los primeros tubos de vacío se parecían mucho a las bombillas incandescentes y fueron fabricados por fabricantes de lámparas, que tenían el equipo necesario para fabricar envolturas de vidrio y las bombas de vacío necesarias para evacuar las envolturas. De Forest utilizó la bomba de desplazamiento de mercurio de Heinrich Geissler , que dejaba un vacío parcial . El desarrollo de la bomba de difusión en 1915 y la mejora de Irving Langmuir llevaron al desarrollo de tubos de alto vacío. Después de la Primera Guerra Mundial, se establecieron fabricantes especializados que utilizaban métodos de construcción más económicos para satisfacer la creciente demanda de receptores de radiodifusión. Los filamentos de tungsteno desnudos funcionaban a una temperatura de alrededor de 2200 °C. El desarrollo de filamentos recubiertos de óxido a mediados de la década de 1920 redujo la temperatura de funcionamiento del filamento a un calor rojo opaco (alrededor de 700 °C), lo que a su vez redujo la distorsión térmica de la estructura del tubo y permitió un espaciado más cercano de los elementos del tubo. Esto a su vez mejoró la ganancia del tubo, ya que la ganancia de un triodo es inversamente proporcional al espaciado entre la rejilla y el cátodo. Los filamentos de tungsteno desnudos siguen utilizándose en pequeños tubos de transmisión, pero son frágiles y tienden a fracturarse si se manipulan bruscamente, por ejemplo, en los servicios postales. Estos tubos son más adecuados para equipos estacionarios donde no hay impactos ni vibraciones.
El deseo de alimentar equipos electrónicos mediante la red eléctrica de CA se enfrentó a una dificultad con respecto a la alimentación de los filamentos de los tubos, ya que estos también eran el cátodo de cada tubo. Alimentar los filamentos directamente desde un transformador de potencia introducía un zumbido de frecuencia de red (50 o 60 Hz) en las etapas de audio. La invención del "cátodo equipotencial" redujo este problema, ya que los filamentos se alimentaban mediante un devanado de transformador de CA equilibrado que tenía una toma central conectada a tierra.
Una solución superior, que permitía que cada cátodo "flotara" a un voltaje diferente, era la del cátodo calentado indirectamente: un cilindro de níquel recubierto de óxido actuaba como cátodo emisor de electrones y estaba aislado eléctricamente del filamento en su interior. Los cátodos calentados indirectamente permiten separar el circuito del cátodo del circuito del calentador. El filamento, que ya no estaba conectado eléctricamente a los electrodos del tubo, pasó a conocerse simplemente como "calentador" y también podía alimentarse con corriente alterna sin introducir ningún zumbido. [52] En la década de 1930, los tubos catódicos calentados indirectamente se generalizaron en los equipos que utilizaban corriente alterna. Los tubos catódicos calentados directamente siguieron utilizándose ampliamente en los equipos alimentados por batería, ya que sus filamentos requerían considerablemente menos energía que los calentadores necesarios con cátodos calentados indirectamente.
Los tubos diseñados para aplicaciones de audio de alta ganancia pueden tener cables calefactores retorcidos para cancelar los campos eléctricos parásitos, campos que podrían inducir un zumbido objetable en el material del programa.
Los calentadores pueden funcionar con corriente alterna (CA) o corriente continua (CC). La CC se utiliza a menudo cuando se requiere un nivel bajo de zumbido.
Los tubos de vacío utilizados como interruptores hicieron posible la computación electrónica por primera vez, pero el costo y el tiempo medio relativamente corto hasta el fallo de los tubos fueron factores limitantes. [53] "La sabiduría popular era que las válvulas, que, como las bombillas, contenían un filamento incandescente caliente, nunca podrían usarse satisfactoriamente en grandes cantidades, ya que no eran confiables y en una instalación grande demasiadas fallarían en muy poco tiempo". [54] Tommy Flowers , quien más tarde diseñó Colossus , "descubrió que, siempre que las válvulas estuvieran encendidas y se dejaran encendidas, podían funcionar de manera confiable durante períodos muy largos, especialmente si sus 'calentadores' funcionaban con una corriente reducida". [54] En 1934, Flowers construyó una instalación experimental exitosa usando más de 3000 tubos en pequeños módulos independientes; cuando un tubo fallaba, era posible apagar un módulo y mantener los demás en funcionamiento, reduciendo así el riesgo de que se produjera otro fallo de tubo; esta instalación fue aceptada por la Oficina de Correos (que operaba centrales telefónicas). Flowers también fue un pionero en el uso de válvulas como interruptores electrónicos muy rápidos (en comparación con los dispositivos electromecánicos) . Trabajos posteriores confirmaron que la falta de fiabilidad de las válvulas no era un problema tan grave como generalmente se creía; la ENIAC de 1946 , con más de 17.000 válvulas, tenía una falla de válvula (que tardaba 15 minutos en localizarse) en promedio cada dos días. La calidad de las válvulas fue un factor, y la desviación de personal capacitado durante la Segunda Guerra Mundial redujo la calidad general de las válvulas. [55] Durante la guerra, Colossus fue fundamental para descifrar los códigos alemanes. Después de la guerra, el desarrollo continuó con computadoras basadas en válvulas, incluidas las computadoras militares ENIAC y Whirlwind , la Ferranti Mark 1 (una de las primeras computadoras electrónicas disponibles comercialmente) y UNIVAC I , también disponible comercialmente.
Entre los avances que se hicieron con tubos subminiatura se encuentra la serie de máquinas Jaincomp, producida por la Jacobs Instrument Company de Bethesda (Maryland). Modelos como el Jaincomp-B empleaban tan solo 300 de esos tubos en una unidad del tamaño de un escritorio que ofrecía un rendimiento que rivalizaba con muchas de las máquinas que entonces eran del tamaño de una habitación. [56]
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Colossus I y su sucesor Colossus II (Mk2) fueron diseñados por Tommy Flowers y construidos por la Oficina General de Correos de Bletchley Park (BP) durante la Segunda Guerra Mundial para acelerar sustancialmente la tarea de descifrar el cifrado alemán de alto nivel Lorenz . Colossus reemplazó a una máquina anterior basada en lógica de relés e interruptores (la Heath Robinson ). Colossus era capaz de descifrar en cuestión de horas mensajes que antes habían tardado varias semanas; también era mucho más confiable. [54] Colossus fue el primer uso de tubos de vacío trabajando en conjunto a una escala tan grande para una sola máquina. [54]
Tommy Flowers (quien concibió el Colossus) escribió que la mayoría de los equipos de radio eran "transportados, tirados, encendidos y apagados y, en general, mal manejados. Pero yo había introducido válvulas en los equipos telefónicos en grandes cantidades antes de la guerra y sabía que si nunca las movías y nunca las encendías y apagabas, funcionarían para siempre". El Colossus era "así de confiable, extremadamente confiable". En su primer día en BP se planteó un problema con una solución conocida. Para asombro de BP (estación X), después de funcionar durante cuatro horas, con cada ejecución de media hora, la respuesta era la misma cada vez (el Robinson no siempre daba la misma respuesta). [57] [58] El Colossus I utilizó alrededor de 1600 válvulas, y el Colossus II alrededor de 2400 válvulas (algunas fuentes dicen 1500 (Mk I) y 2500 (Mk II); el Robinson utilizó alrededor de cien válvulas; algunas fuentes dicen menos). [59]
Para cumplir con los requisitos de fiabilidad de la computadora digital estadounidense Whirlwind de 1951, se produjeron tubos de "calidad especial" con una vida útil prolongada y, en particular, un cátodo de larga duración. El problema de la corta vida útil se atribuyó en gran medida a la evaporación del silicio , utilizado en la aleación de tungsteno para facilitar el trefilado del cable calefactor. El silicio forma ortosilicato de bario en la interfaz entre el manguito de níquel y el revestimiento de óxido de bario del cátodo . [7] : 301 Esta "interfaz del cátodo" es una capa de alta resistencia (con cierta capacitancia paralela) que reduce en gran medida la corriente del cátodo cuando el tubo se cambia al modo de conducción. [60] : 224 La eliminación del silicio de la aleación del cable calefactor (y el reemplazo más frecuente de las matrices de trefilado del cable ) permitió la producción de tubos que eran lo suficientemente fiables para el proyecto Whirlwind. Los tubos de níquel de alta pureza y los revestimientos del cátodo libres de materiales como silicatos y aluminio que pueden reducir la emisividad también contribuyen a una larga vida útil del cátodo.
El primer "tubo de ordenador" de este tipo fue el pentodo 7AK7 de Sylvania de 1948 (que sustituyó al 7AD7, que se suponía que era de mejor calidad que el 6AG7 estándar, pero demostró ser demasiado poco fiable). [61] : 59 Los ordenadores fueron los primeros dispositivos de tubo que hicieron funcionar los tubos en corte (suficiente tensión de red negativa para que dejen de conducir) durante periodos de tiempo bastante prolongados. Hacer funcionar en corte con el calentador encendido acelera el envenenamiento del cátodo y la corriente de salida del tubo se reducirá en gran medida cuando se cambie al modo de conducción. [60] : 224 Los tubos 7AK7 mejoraron el problema del envenenamiento del cátodo, pero eso por sí solo no fue suficiente para lograr la fiabilidad requerida. [61] : 60 Otras medidas incluyeron apagar el voltaje del calentador cuando no se requería que los tubos condujeran durante períodos prolongados, encender y apagar el voltaje del calentador con una rampa lenta para evitar un choque térmico en el elemento calentador, [60] : 226 y realizar pruebas de estrés en los tubos durante períodos de mantenimiento fuera de línea para provocar una falla temprana de las unidades débiles. [61] : 60–61
Otro tubo de computadora de uso común fue el 5965 , también denominado E180CC. Este, según un memorando del MIT para el Proyecto Whirwind , fue desarrollado para IBM por General Electric , principalmente para su uso en las calculadoras IBM 701 , y fue designado como un tubo de triodo de uso general. [62]
Los tubos desarrollados para Whirlwind se utilizaron posteriormente en el gigantesco sistema informático de defensa aérea SAGE . A finales de los años 50, era habitual que los tubos de señal pequeña de calidad especial duraran cientos de miles de horas si se utilizaban de forma conservadora. Esta mayor fiabilidad también hizo posible la instalación de amplificadores en el medio de los cables submarinos .
Cuando las válvulas funcionan, se produce una cantidad considerable de calor, tanto por el filamento (calentador) como por la corriente de electrones que bombardea la placa. En los amplificadores de potencia, esta fuente de calor es mayor que el calentamiento del cátodo. Algunos tipos de válvulas permiten el funcionamiento con los ánodos a una temperatura roja opaca; en otros tipos, la temperatura roja indica una sobrecarga grave.
Los requisitos de eliminación de calor pueden cambiar significativamente la apariencia de los tubos de vacío de alta potencia. Los amplificadores y rectificadores de audio de alta potencia requerían envolventes más grandes para disipar el calor. Los tubos de transmisión podían ser mucho más grandes aún.
El calor escapa del dispositivo por la radiación del cuerpo negro desde el ánodo (placa) como radiación infrarroja y por convección del aire sobre la envoltura del tubo. [63] : 10 La convección no es posible dentro de la mayoría de los tubos ya que el ánodo está rodeado de vacío.
Los tubos que generan relativamente poco calor, como los tubos de 1,4 voltios calentados directamente por filamento diseñados para su uso en equipos alimentados por batería, suelen tener ánodos metálicos brillantes. 1T4, 1R5 y 1A7 son ejemplos. Los tubos llenos de gas, como los tiratrones, también pueden utilizar un ánodo metálico brillante, ya que el gas presente en el interior del tubo permite la convección del calor desde el ánodo hasta el recinto de vidrio.
El ánodo suele recibir un tratamiento para que su superficie emita más energía infrarroja. Los tubos amplificadores de alta potencia están diseñados con ánodos externos que se pueden enfriar por convección, aire forzado o circulación de agua. El 8974, de 80 kg y 1,25 MW, refrigerado por agua , es uno de los tubos comerciales más grandes disponibles en la actualidad.
En un tubo refrigerado por agua, el voltaje del ánodo aparece directamente en la superficie del agua de refrigeración, por lo que es necesario que el agua sea un aislante eléctrico para evitar fugas de alto voltaje a través del agua de refrigeración hacia el sistema del radiador. El agua que se suministra normalmente tiene iones que conducen la electricidad; se requiere agua desionizada , un buen aislante. Estos sistemas suelen tener un monitor de conductancia del agua incorporado que apagará el suministro de alta tensión si la conductancia se vuelve demasiado alta.
La rejilla de la pantalla también puede generar un calor considerable. Además de la disipación de la placa, se indican límites para la disipación de la rejilla de la pantalla en el caso de los dispositivos de potencia. Si se superan, es probable que falle el tubo.
La mayoría de los tubos modernos tienen envolturas de vidrio, pero también se han utilizado metal, cuarzo fundido ( sílice ) y cerámica . Una primera versión del 6L6 utilizaba una envoltura de metal sellada con perlas de vidrio, mientras que en versiones posteriores se utilizó un disco de vidrio fundido al metal. El metal y la cerámica se utilizan casi exclusivamente para válvulas de potencia con una disipación superior a 2 kW. El nuvistor era un tubo receptor moderno que utilizaba un encapsulado de metal y cerámica muy pequeño.
Los elementos internos de los tubos siempre han estado conectados a circuitos externos a través de pines en su base que se enchufan en un zócalo. Los tubos subminiatura se producían utilizando cables conductores en lugar de zócalos, sin embargo, estos estaban restringidos a aplicaciones bastante especializadas. Además de las conexiones en la base del tubo, muchos de los primeros triodos conectaban la rejilla utilizando una tapa de metal en la parte superior del tubo; esto reduce la capacitancia parásita entre la rejilla y los cables de la placa. Las tapas de los tubos también se usaban para la conexión de la placa (ánodo), particularmente en tubos de transmisión y tubos que usaban un voltaje de placa muy alto.
Los tubos de alta potencia, como los tubos de transmisión, tienen paquetes diseñados para mejorar la transferencia de calor. En algunos tubos, la envoltura metálica también es el ánodo. El 4CX1000A es un tubo de ánodo externo de este tipo. Se sopla aire a través de una serie de aletas unidas al ánodo, enfriándolo. Los tubos de potencia que utilizan este esquema de enfriamiento están disponibles hasta una disipación de 150 kW. Por encima de ese nivel, se utiliza refrigeración por agua o vapor de agua. El tubo de mayor potencia disponible actualmente es el Eimac 4CM2500KG, un tetrodo de potencia con refrigeración por agua forzada capaz de disipar 2,5 megavatios. [65] En comparación, el transistor de potencia más grande solo puede disipar alrededor de 1 kilovatio.
El nombre genérico "válvula [termiónica]" utilizado en el Reino Unido deriva del flujo de corriente unidireccional permitido por el dispositivo más antiguo, el diodo termoiónico que emitía electrones desde un filamento calentado, por analogía con una válvula antirretorno en una tubería de agua. [66] Los nombres estadounidenses "tubo de vacío", "tubo de electrones" y "tubo termoiónico" simplemente describen una envoltura tubular que ha sido evacuada ("vacío"), tiene un calentador y controla el flujo de electrones.
En muchos casos, los fabricantes y los militares dieron a las válvulas designaciones que no decían nada sobre su propósito (por ejemplo, 1614). En los primeros tiempos, algunos fabricantes usaban nombres patentados que podían transmitir alguna información, pero solo sobre sus productos; el KT66 y el KT88 eran "tetrodos sin dobleces". Más tarde, las válvulas de consumo recibieron nombres que transmitían alguna información, y varios fabricantes solían usar el mismo nombre de forma genérica. En los EE. UU., las designaciones de la Asociación de Fabricantes de Televisión y Radio Electrónica (RETMA) comprenden un número, seguido de una o dos letras, y un número. El primer número es el voltaje del calentador (redondeado); las letras designan una válvula en particular pero no dicen nada sobre su estructura; y el número final es el número total de electrodos (sin distinguir, por ejemplo, entre una válvula con muchos electrodos o dos conjuntos de electrodos en una sola envoltura, un triodo doble, por ejemplo). Por ejemplo, el 12AX7 es un triodo doble (dos juegos de tres electrodos más un calentador) con un calentador de 12,6 V (que, por cierto, también se puede conectar para que funcione con 6,3 V). El "AX" designa las características de esta válvula. Válvulas similares, pero no idénticas, son las 12AD7, 12AE7...12AT7, 12AU7, 12AV7, 12AW7 (poco frecuente), 12AY7 y la 12AZ7.
Un sistema ampliamente utilizado en Europa, conocido como la designación de tubo Mullard-Philips , también extendido a los transistores, utiliza una letra, seguida de una o más letras adicionales y un número. El designador de tipo especifica el voltaje o la corriente del calentador (una letra), las funciones de todas las secciones del tubo (una letra por sección), el tipo de zócalo (primer dígito) y el tubo en particular (dígitos restantes). Por ejemplo, el ECC83 (equivalente al 12AX7) es un triodo doble (CC) de 6,3 V (E) con una base en miniatura (8). En este sistema, los tubos de calidad especial (por ejemplo, para uso en computadoras de larga duración) se indican moviendo el número inmediatamente después de la primera letra: el E83CC es un equivalente de calidad especial del ECC83, el E55L es un pentodo de potencia sin equivalente de consumo.
Algunos tubos especiales se construyen con gases particulares en su envoltura. Por ejemplo, los tubos reguladores de voltaje contienen varios gases inertes como argón , helio o neón , que se ionizan a voltajes predecibles. El tiratrón es un tubo especial lleno de gas a baja presión o vapor de mercurio. Al igual que los tubos de vacío, contiene un cátodo caliente y un ánodo, pero también un electrodo de control que se comporta de manera similar a la rejilla de un triodo. Cuando el electrodo de control inicia la conducción, el gas se ioniza, después de lo cual el electrodo de control ya no puede detener la corriente; el tubo "se engancha" en la conducción. Al eliminar el voltaje del ánodo (placa), el gas se desioniza, restaurando su estado no conductor.
Algunos tiratrones pueden transportar grandes corrientes para su tamaño físico. Un ejemplo es el tipo miniatura 2D21, que a menudo se ve en las máquinas de discos de la década de 1950 como interruptores de control para relés . [67] Una versión de cátodo frío del tiratrón, que utiliza un depósito de mercurio como cátodo, se llama ignitrón ; algunos pueden conmutar miles de amperios. Los tiratrones que contienen hidrógeno tienen un retraso de tiempo muy constante entre su pulso de encendido y la conducción completa; se comportan de manera muy similar a los rectificadores modernos controlados por silicio , también llamados tiristores debido a su similitud funcional con los tiratrones. Los tiratrones de hidrógeno se han utilizado durante mucho tiempo en transmisores de radar.
Un tubo especializado es el krytron , que se utiliza para la conmutación rápida de alto voltaje. Los krytrons se utilizan para iniciar las detonaciones que se utilizan para hacer estallar un arma nuclear ; los krytrons están fuertemente controlados a nivel internacional.
Los tubos de rayos X se utilizan en la obtención de imágenes médicas, entre otros usos. Los tubos de rayos X que se utilizan para un funcionamiento continuo en equipos de fluoroscopia y de obtención de imágenes por TC pueden utilizar un cátodo enfocado y un ánodo giratorio para disipar las grandes cantidades de calor que se generan. Estos se encuentran alojados en una carcasa de aluminio llena de aceite para proporcionar refrigeración.
El tubo fotomultiplicador es un detector de luz extremadamente sensible que utiliza el efecto fotoeléctrico y la emisión secundaria , en lugar de la emisión termoiónica, para generar y amplificar señales eléctricas. Los equipos de diagnóstico por imagen de medicina nuclear y los contadores de centelleo líquido utilizan conjuntos de tubos fotomultiplicadores para detectar el centelleo de baja intensidad debido a la radiación ionizante .
El tubo Ignatron se utilizó en equipos de soldadura por resistencia a principios de la década de 1970. El Ignatron tenía un cátodo, un ánodo y un encendedor. La base del tubo se llenaba con mercurio y el tubo se utilizaba como un interruptor de corriente muy alta. Se colocaba un gran potencial de corriente entre el ánodo y el cátodo del tubo, pero solo se permitía que condujera cuando el encendedor en contacto con el mercurio tenía suficiente corriente para vaporizar el mercurio y completar el circuito. Debido a que se utilizaba en soldadura por resistencia, había dos Ignatrons para las dos fases de un circuito de CA. Debido al mercurio en la parte inferior del tubo, eran extremadamente difíciles de enviar. Estos tubos finalmente fueron reemplazados por SCR (rectificadores controlados por silicio).
Las baterías proporcionaban los voltajes requeridos por los tubos en los primeros aparatos de radio. Generalmente se necesitaban tres voltajes diferentes, utilizando tres baterías diferentes designadas como batería A , B y C. La batería "A" o batería LT (baja tensión) proporcionaba el voltaje del filamento. Los calentadores de tubo fueron diseñados para baterías de plomo-ácido de una, dos o tres celdas , dando voltajes nominales de calentador de 2 V, 4 V o 6 V. En las radios portátiles, a veces se usaban baterías secas con calentadores de 1,5 o 1 V. La reducción del consumo de filamento mejoró la vida útil de las baterías. En 1955, hacia el final de la era de los tubos, se habían desarrollado tubos que usaban solo 50 mA hasta tan solo 10 mA para los calentadores. [68]
El alto voltaje aplicado al ánodo (placa) lo proporcionaba la batería "B" o la fuente de alimentación o batería HT (alta tensión). Estas generalmente eran de construcción de celdas secas y venían típicamente en versiones de 22,5, 45, 67,5, 90, 120 o 135 voltios. Después de que el uso de baterías B se dejó de usar y se utilizó energía de línea rectificada para producir el alto voltaje que necesitaban las placas de los tubos, el término "B+" persistió en los EE. UU. para referirse a la fuente de alto voltaje. La mayor parte del resto del mundo de habla inglesa se refiere a esta fuente simplemente como HT (alta tensión).
Los primeros equipos utilizaban una batería de polarización de red o batería "C" que se conectaba para proporcionar un voltaje negativo . Dado que no fluye corriente a través de la conexión de red de un tubo, estas baterías no consumían corriente y duraban más, generalmente limitadas por su propia vida útil. La alimentación de la batería de polarización de red rara vez, o nunca, se desconectaba cuando la radio estaba apagada. Incluso después de que las fuentes de alimentación de CA se volvieran comunes, algunos equipos de radio continuaron construyéndose con baterías C, ya que casi nunca necesitaban ser reemplazadas. Sin embargo, se diseñaron circuitos más modernos utilizando polarización de cátodo , eliminando la necesidad de un tercer voltaje de suministro de energía; esto se volvió práctico con los tubos que usaban calentamiento indirecto del cátodo junto con el desarrollo del acoplamiento de resistencia/capacitador que reemplazó a los transformadores entre etapas anteriores.
La "batería C" para polarización es una designación que no tiene relación con el tamaño de la batería " celda C " .
El reemplazo de la batería era un gasto operativo importante para los primeros usuarios de receptores de radio. El desarrollo del eliminador de batería y, en 1925, los receptores sin batería que funcionaban con energía doméstica redujeron los costos operativos y contribuyeron a la creciente popularidad de la radio. Una fuente de alimentación que utilizaba un transformador con varios devanados, uno o más rectificadores (que podían ser tubos de vacío) y grandes condensadores de filtro proporcionaban los voltajes de corriente continua requeridos desde la fuente de corriente alterna.
Como medida de reducción de costes, especialmente en receptores de consumo de gran volumen, todos los calentadores de tubo se podían conectar en serie a través de la fuente de alimentación de CA utilizando calentadores que requerían la misma corriente y con un tiempo de calentamiento similar. En uno de esos diseños, una toma en la cadena de calentadores de tubo suministraba los 6 voltios necesarios para la luz del dial. Al derivar el alto voltaje de un rectificador de media onda conectado directamente a la red de CA, se eliminó el pesado y costoso transformador de potencia. Esto también permitió que dichos receptores funcionaran con corriente continua, un diseño de receptor denominado CA/CC . Muchos fabricantes de radios AM de consumo estadounidenses de la época utilizaban un circuito prácticamente idéntico, al que se le dio el apodo de All American Five .
Cuando la tensión de red se encontraba en el rango de 100 a 120 V, esta tensión limitada resultó adecuada únicamente para receptores de baja potencia. Los receptores de televisión requerían un transformador o podían utilizar un circuito de duplicación de tensión . Cuando se utilizaba una tensión de red nominal de 230 V, los receptores de televisión también podían prescindir de un transformador de potencia.
Las fuentes de alimentación sin transformador requerían precauciones de seguridad en su diseño para limitar el riesgo de descargas eléctricas para los usuarios, como gabinetes con aislamiento eléctrico y un enclavamiento que uniera el cable de alimentación a la parte posterior del gabinete, de modo que el cable de alimentación se desconectara necesariamente si el usuario o el técnico de servicio abría el gabinete. Un cable tramposo era un cable de alimentación que terminaba en el enchufe especial utilizado por el enclavamiento de seguridad; los técnicos de servicio podían entonces alimentar el dispositivo con los voltajes peligrosos expuestos.
Para evitar el retraso del calentamiento, los receptores de televisión de "encendido instantáneo" pasaban una pequeña corriente de calentamiento por sus tubos incluso cuando el aparato estaba apagado. Al encenderlo, se suministraba corriente de calentamiento completa y el aparato funcionaba casi inmediatamente.
Un problema de fiabilidad de los tubos con cátodos de óxido es la posibilidad de que el cátodo se "envenene " lentamente con moléculas de gas de otros elementos del tubo, lo que reduce su capacidad de emitir electrones. Los gases atrapados o las fugas lentas de gas también pueden dañar el cátodo o provocar una fuga de corriente en la placa (ánodo) debido a la ionización de las moléculas de gas libre. La dureza del vacío y la selección adecuada de los materiales de construcción son las principales influencias en la vida útil del tubo. Según el material, la temperatura y la construcción, el material de la superficie del cátodo también puede difundirse sobre otros elementos. Los calentadores resistivos que calientan los cátodos pueden romperse de forma similar a los filamentos de las lámparas incandescentes , pero rara vez lo hacen, ya que funcionan a temperaturas mucho más bajas que las lámparas.
El modo de falla del calentador es típicamente una fractura relacionada con la tensión del alambre de tungsteno o en un punto de soldadura y generalmente ocurre después de acumular muchos ciclos térmicos (encendido y apagado). El alambre de tungsteno tiene una resistencia muy baja cuando está a temperatura ambiente. Se puede incorporar un dispositivo de coeficiente de temperatura negativo, como un termistor , en el suministro del calentador del equipo o se puede emplear un circuito de aumento gradual para permitir que el calentador o los filamentos alcancen la temperatura de funcionamiento de manera más gradual que si se encienden en una función de paso. Las radios de bajo costo tenían tubos con calentadores conectados en serie, con un voltaje total igual al de la línea (red eléctrica). Algunos receptores fabricados antes de la Segunda Guerra Mundial tenían calentadores en serie con un voltaje total menor que el de la red eléctrica. Algunos tenían un cable de resistencia que recorría la longitud del cable de alimentación para reducir el voltaje a los tubos. Otros tenían resistencias en serie hechas como tubos normales; se llamaban tubos de balasto.
Después de la Segunda Guerra Mundial, los tubos destinados a ser utilizados en cadenas de calentadores en serie fueron rediseñados para que todos tuvieran el mismo tiempo de calentamiento ("controlado"). Los diseños anteriores tenían constantes de tiempo térmico bastante diferentes. La etapa de salida de audio, por ejemplo, tenía un cátodo más grande y se calentaba más lentamente que los tubos de menor potencia. El resultado fue que los calentadores que se calentaban más rápido también tenían temporalmente una resistencia mayor, debido a su coeficiente de temperatura positivo. Esta resistencia desproporcionada hizo que funcionaran temporalmente con voltajes de calentador muy superiores a sus valores nominales y acortó su vida útil.
Otro problema importante de fiabilidad es el causado por las fugas de aire en el tubo. Normalmente, el oxígeno del aire reacciona químicamente con el filamento o cátodo caliente, arruinándolo rápidamente. Los diseñadores desarrollaron diseños de tubos que sellaban de forma fiable. Por eso, la mayoría de los tubos se construían de vidrio. Se habían desarrollado aleaciones de metal (como Cunife y Fernico ) y vidrios para bombillas que se expandían y contraían en cantidades similares a medida que cambiaba la temperatura. Esto facilitó la construcción de una envoltura aislante de vidrio, al tiempo que se pasaban cables de conexión a través del vidrio hasta los electrodos.
Cuando un tubo de vacío se sobrecarga o se hace funcionar más allá de su capacidad de disipación de diseño, su ánodo (placa) puede brillar en rojo. En los equipos de consumo, una placa incandescente es universalmente una señal de un tubo sobrecargado. Sin embargo, algunos tubos de transmisión grandes están diseñados para funcionar con sus ánodos al rojo vivo, naranja o, en casos excepcionales, al blanco.
Se solían fabricar versiones de "calidad especial" de los tubos estándar, diseñadas para mejorar el rendimiento en algún aspecto, como un cátodo de mayor vida útil, una construcción con bajo nivel de ruido, robustez mecánica mediante filamentos reforzados, baja microfonía, para aplicaciones en las que el tubo pasará gran parte del tiempo apagado, etc. La única forma de conocer las características particulares de una pieza de calidad especial es leyendo la hoja de datos. Los nombres pueden reflejar el nombre estándar (12AU7==>12AU7A, su equivalente ECC82==>E82CC, etc.) o ser absolutamente cualquier cosa (los equivalentes estándar y de calidad especial del mismo tubo incluyen 12AU7, ECC82, B329, CV491, E2163, E812CC, M8136, CV4003, 6067, VX7058, 5814A y 12AU7A). [69]
La válvula con la vida útil más larga registrada fue la de una válvula pentodo de Mazda AC/P (número de serie 4418) en funcionamiento en el transmisor principal de Irlanda del Norte de la BBC en Lisnagarvey. La válvula estuvo en servicio desde 1935 hasta 1961 y tuvo una vida útil registrada de 232.592 horas. La BBC mantenía registros meticulosos de la vida útil de sus válvulas y las devolvía periódicamente a sus almacenes centrales de válvulas. [70] [71]
Un tubo de vacío necesita un vacío extremadamente alto (o vacío duro , de la terminología de rayos X [72] ) para evitar las consecuencias de generar iones positivos dentro del tubo. Los átomos de gas residual se ionizan cuando son golpeados por un electrón y pueden afectar negativamente al cátodo, reduciendo la emisión. [73] Grandes cantidades de gas residual pueden crear una descarga luminiscente visible entre los electrodos del tubo y causar un sobrecalentamiento de los electrodos, produciendo más gas, dañando el tubo y posiblemente otros componentes debido al exceso de corriente. [74] [75] [76] Para evitar estos efectos, la presión residual dentro del tubo debe ser lo suficientemente baja para que el camino libre medio de un electrón sea mucho más largo que el tamaño del tubo (por lo que es poco probable que un electrón golpee un átomo residual y habrá muy pocos átomos ionizados presentes). Los tubos de vacío comerciales se vacían en la fabricación a aproximadamente 0,000001 mmHg (1,0 × 10 −6 Torr; 130 μPa; 1,3 × 10 −6 mbar; 1,3 × 10 −9 atm). [77] [78]
Para evitar que los gases comprometan el vacío del tubo, los tubos modernos se construyen con captadores , que suelen ser metales que se oxidan rápidamente, siendo el bario el más común. [78] [79] Para los tubos de vidrio, mientras se evacúa la envoltura del tubo, las partes internas excepto el captador se calientan mediante calentamiento por inducción de radiofrecuencia para desprender cualquier gas restante de las partes metálicas. Luego, el tubo se sella y el canal o bandeja del captador, para los captadores flash, se calienta a una temperatura alta, nuevamente mediante calentamiento por inducción de radiofrecuencia, lo que hace que el material del captador se vaporice y reaccione con cualquier gas residual. El vapor se deposita en el interior de la envoltura de vidrio, dejando un parche metálico de color plateado que continúa absorbiendo pequeñas cantidades de gas que pueden filtrarse en el tubo durante su vida útil. Se tiene mucho cuidado con el diseño de la válvula para garantizar que este material no se deposite en ninguno de los electrodos de trabajo. Si un tubo desarrolla una fuga grave en la envoltura, este depósito se vuelve de color blanco a medida que reacciona con el oxígeno atmosférico . Los tubos transmisores y especializados de gran tamaño suelen utilizar materiales captadores más exóticos, como el circonio . Los primeros tubos captadores utilizaban captadores basados en fósforo, y estos tubos son fácilmente identificables, ya que el fósforo deja un depósito característico de color naranja o arco iris en el vidrio. El uso del fósforo duró poco y fue reemplazado rápidamente por los captadores de bario superiores. A diferencia de los captadores de bario, el fósforo no absorbía más gases una vez que se había encendido.
Los captadores actúan combinándose químicamente con gases residuales o infiltrados, pero no pueden contrarrestar los gases inertes (no reactivos). Un problema conocido, que afecta principalmente a válvulas con envolturas grandes, como tubos de rayos catódicos y tubos de cámara como iconoscopios , orticones y orticones de imagen, proviene de la infiltración de helio. [ cita requerida ] El efecto aparece como un funcionamiento deficiente o ausente, y como un brillo difuso a lo largo del flujo de electrones dentro del tubo. Este efecto no se puede rectificar (a menos que se vuelva a evacuar y se vuelva a sellar), y es responsable de que los ejemplos funcionales de dichos tubos se vuelvan cada vez más raros. Los tubos sin usar ("New Old Stock") también pueden presentar infiltración de gas inerte, por lo que no hay garantía a largo plazo de que estos tipos de tubos sobrevivan en el futuro.
Los tubos de transmisión de gran tamaño tienen filamentos de tungsteno carbonizado que contienen una pequeña traza (entre el 1% y el 2%) de torio . En el exterior de la capa carbonizada del cable se forma una capa (molecular) extremadamente fina de átomos de torio que, cuando se calienta, actúa como una fuente eficiente de electrones. El torio se evapora lentamente de la superficie del cable, mientras que nuevos átomos de torio se difunden hacia la superficie para reemplazarlos. Estos cátodos de tungsteno toriado suelen ofrecer una vida útil de decenas de miles de horas. El escenario de fin de vida útil para un filamento de tungsteno toriado es cuando la capa carbonizada se ha convertido en su mayor parte en otra forma de carburo de tungsteno y la emisión comienza a disminuir rápidamente; nunca se ha encontrado que una pérdida completa de torio sea un factor en el fin de la vida útil de un tubo con este tipo de emisor. WAAY-TV en Huntsville, Alabama, logró 163.000 horas (18,6 años) de servicio con un klistrón de cavidad externa Eimac en el circuito visual de su transmisor; esta es la vida útil más larga documentada para este tipo de tubo. [80] Se ha dicho [ ¿quién? ] que los transmisores con tubos de vacío son más capaces de sobrevivir a los impactos de rayos que los transmisores de transistores. Si bien se creía comúnmente que los tubos de vacío eran más eficientes que los circuitos de estado sólido en niveles de potencia de RF superiores a aproximadamente 20 kilovatios, este ya no es el caso, especialmente en el servicio de onda media (transmisión AM) donde los transmisores de estado sólido en casi todos los niveles de potencia tienen una eficiencia mensurablemente mayor. Los transmisores de transmisión FM con amplificadores de potencia de estado sólido de hasta aproximadamente 15 kW también muestran una mejor eficiencia energética general que los amplificadores de potencia basados en tubos.
Cathodes in small "receiving" tubes are coated with a mixture of barium oxide and strontium oxide, sometimes with addition of calcium oxide or aluminium oxide. An electric heater is inserted into the cathode sleeve and insulated from it electrically by a coating of aluminum oxide. This complex construction causes barium and strontium atoms to diffuse to the surface of the cathode and emit electrons when heated to about 780 degrees Celsius.
A catastrophic failure is one that suddenly makes the vacuum tube unusable. A crack in the glass envelope will allow air into the tube and destroy it. Cracks may result from stress in the glass, bent pins or impacts; tube sockets must allow for thermal expansion, to prevent stress in the glass at the pins. Stress may accumulate if a metal shield or other object presses on the tube envelope and causes differential heating of the glass. Glass may also be damaged by high-voltage arcing.
Tube heaters may also fail without warning, especially if exposed to over voltage or as a result of manufacturing defects. Tube heaters do not normally fail by evaporation like lamp filaments since they operate at much lower temperature. The surge of inrush current when the heater is first energized causes stress in the heater and can be avoided by slowly warming the heaters, gradually increasing current with a NTC thermistor included in the circuit. Tubes intended for series-string operation of the heaters across the supply have a specified controlled warm-up time to avoid excess voltage on some heaters as others warm up. Directly heated filament-type cathodes as used in battery-operated tubes or some rectifiers may fail if the filament sags, causing internal arcing. Excess heater-to-cathode voltage in indirectly heated cathodes can break down the insulation between elements and destroy the heater.
Arcing between tube elements can destroy the tube. An arc can be caused by applying voltage to the anode (plate) before the cathode has come up to operating temperature, or by drawing excess current through a rectifier, which damages the emission coating. Arcs can also be initiated by any loose material inside the tube, or by excess screen voltage. An arc inside the tube allows gas to evolve from the tube materials, and may deposit conductive material on internal insulating spacers.[81]
Tube rectifiers have limited current capability and exceeding ratings will eventually destroy a tube.
Degenerative failures are those caused by the slow deterioration of performance over time.
Overheating of internal parts, such as control grids or mica spacer insulators, can result in trapped gas escaping into the tube; this can reduce performance. A getter is used to absorb gases evolved during tube operation but has only a limited ability to combine with gas. Control of the envelope temperature prevents some types of gassing. A tube with an unusually high level of internal gas may exhibit a visible blue glow when plate voltage is applied. The getter (being a highly reactive metal) is effective against many atmospheric gases but has no (or very limited) chemical reactivity to inert gases such as helium. One progressive type of failure, especially with physically large envelopes such as those used by camera tubes and cathode-ray tubes, comes from helium infiltration.[citation needed] The exact mechanism is not clear: the metal-to-glass lead-in seals are one possible infiltration site.
Gas and ions within the tube contribute to grid current which can disturb operation of a vacuum-tube circuit. Another effect of overheating is the slow deposit of metallic vapors on internal spacers, resulting in inter-element leakage.
Tubes on standby for long periods, with heater voltage applied, may develop high cathode interface resistance and display poor emission characteristics. This effect occurred especially in pulse and digital circuits, where tubes had no plate current flowing for extended times. Tubes designed specifically for this mode of operation were made.
Cathode depletion is the loss of emission after thousands of hours of normal use. Sometimes emission can be restored for a time by raising heater voltage, either for a short time or a permanent increase of a few percent. Cathode depletion was uncommon in signal tubes but was a frequent cause of failure of monochrome television cathode-ray tubes.[82] Usable life of this expensive component was sometimes extended by fitting a boost transformer to increase heater voltage.
Vacuum tubes may develop defects in operation that make an individual tube unsuitable in a given device, although it may perform satisfactorily in another application. Microphonics refers to internal vibrations of tube elements which modulate the tube's signal in an undesirable way; sound or vibration pick-up may affect the signals, or even cause uncontrolled howling if a feedback path (with greater than unity gain) develops between a microphonic tube and, for example, a loudspeaker. Leakage current between AC heaters and the cathode may couple into the circuit, or electrons emitted directly from the ends of the heater may also inject hum into the signal. Leakage current due to internal contamination may also inject noise.[83] Some of these effects make tubes unsuitable for small-signal audio use, although unobjectionable for other purposes. Selecting the best of a batch of nominally identical tubes for critical applications can produce better results.
Tube pins can develop non-conducting or high resistance surface films due to heat or dirt. Pins can be cleaned to restore conductance.
Vacuum tubes can be tested outside of their circuitry using a vacuum tube tester.
Most small signal vacuum tube devices have been superseded by semiconductors, but some vacuum tube electronic devices are still in common use. The magnetron is the type of tube used in all microwave ovens. In spite of the advancing state of the art in power semiconductor technology, the vacuum tube still has reliability and cost advantages for high-frequency RF power generation.
Some tubes, such as magnetrons, traveling-wave tubes, Carcinotrons, and klystrons, combine magnetic and electrostatic effects. These are efficient (usually narrow-band) RF generators and still find use in radar, microwave ovens and industrial heating. Traveling-wave tubes (TWTs) are very good amplifiers and are even used in some communications satellites. High-powered klystron amplifier tubes can provide hundreds of kilowatts in the UHF range.
The cathode-ray tube (CRT) is a vacuum tube used particularly for display purposes. Although there are still many televisions and computer monitors using cathode-ray tubes, they are rapidly being replaced by flat panel displays whose quality has greatly improved even as their prices drop. This is also true of digital oscilloscopes (based on internal computers and analog-to-digital converters), although traditional analog scopes (dependent upon CRTs) continue to be produced, are economical, and preferred by many technicians.[84] At one time many radios used "magic eye tubes", a specialized sort of CRT used in place of a meter movement to indicate signal strength or input level in a tape recorder. A modern indicator device, the vacuum fluorescent display (VFD) is also a sort of cathode-ray tube.[85][86][87]
The X-ray tube is a type of cathode-ray tube that generates X-rays when high voltage electrons hit the anode.[88][89]
Gyrotrons or vacuum masers, used to generate high-power millimeter band waves, are magnetic vacuum tubes in which a small relativistic effect, due to the high voltage, is used for bunching the electrons. Gyrotrons can generate very high powers (hundreds of kilowatts).,[90][91] Free-electron lasers, used to generate high-power coherent light and even X-rays, are highly relativistic vacuum tubes driven by high-energy particle accelerators. Thus, these are sorts of cathode-ray tubes.[92][93]
A photomultiplier is a phototube whose sensitivity is greatly increased through the use of electron multiplication. This works on the principle of secondary emission, whereby a single electron emitted by the photocathode strikes a special sort of anode known as a dynode causing more electrons to be released from that dynode. Those electrons are accelerated toward another dynode at a higher voltage, releasing more secondary electrons; as many as 15 such stages provide a huge amplification. Despite great advances in solid-state photodetectors (e.g. Single-photon avalanche diode), the single-photon detection capability of photomultiplier tubes makes this vacuum tube device excel in certain applications. Such a tube can also be used for detection of ionizing radiation as an alternative to the Geiger–Müller tube (itself not an actual vacuum tube). Historically, the image orthicon TV camera tube widely used in television studios prior to the development of modern CCD arrays also used multistage electron multiplication.
For decades, electron-tube designers tried to augment amplifying tubes with electron multipliers in order to increase gain, but these suffered from short life because the material used for the dynodes "poisoned" the tube's hot cathode. (For instance, the interesting RCA 1630 secondary-emission tube was marketed, but did not last.) However, eventually, Philips of the Netherlands developed the EFP60 tube that had a satisfactory lifetime and was used in at least one product, a laboratory pulse generator. By that time, however, transistors were rapidly improving, making such developments superfluous.
One variant called a "channel electron multiplier" does not use individual dynodes but consists of a curved tube, such as a helix, coated on the inside with material with good secondary emission. One type had a funnel of sorts to capture the secondary electrons. The continuous dynode was resistive, and its ends were connected to enough voltage to create repeated cascades of electrons. The microchannel plate consists of an array of single stage electron multipliers over an image plane; several of these can then be stacked. This can be used, for instance, as an image intensifier in which the discrete channels substitute for focusing.
Tektronix made a high-performance wideband oscilloscope CRT with a channel electron multiplier plate behind the phosphor layer. This plate was a bundled array of a huge number of short individual c.e.m. tubes that accepted a low-current beam and intensified it to provide a display of practical brightness. (The electron optics of the wideband electron gun could not provide enough current to directly excite the phosphor.)
Although vacuum tubes have been largely replaced by solid-state devices in most amplifying, switching, and rectifying applications, there are certain exceptions. In addition to the special functions noted above, tubes still[update] have some niche applications.
In general, vacuum tubes are much less susceptible than corresponding solid-state components to transient overvoltages, such as mains voltage surges or lightning, the electromagnetic pulse effect of nuclear explosions,[94] or geomagnetic storms produced by giant solar flares.[95] This property kept them in use for certain military applications long after more practical and less expensive solid-state technology was available for the same applications, as for example with the MiG-25.[94]
Vacuum tubes are practical alternatives to solid-state devices in generating high power at radio frequencies in applications such as industrial radio frequency heating, particle accelerators, and broadcast transmitters. This is particularly true at microwave frequencies where such devices as the klystron and traveling-wave tube provide amplification at power levels unattainable using current[update] semiconductor devices. The household microwave oven uses a magnetron tube to efficiently generate hundreds of watts of microwave power. Solid-state devices such as gallium nitride are promising replacements, but are very expensive and in early stages of development.
In military applications, a high-power vacuum tube can generate a 10–100 megawatt signal that can burn out an unprotected receiver's frontend. Such devices are considered non-nuclear electromagnetic weapons; they were introduced in the late 1990s by both the U.S. and Russia.[citation needed]
Tube amplifiers remain commercially viable in three niches where their warm sound, performance when overdriven, and ability to replicate prior-era tube-based recording are prized: audiophile equipment, musical instrument amplifiers, and devices used in recording studios.[96]
Many guitarists prefer using valve amplifiers to solid-state models, often due to the way they tend to distort when overdriven.[97] Any amplifier can only accurately amplify a signal to a certain volume; past this limit, the amplifier will begin to distort the signal. Different circuits will distort the signal in different ways; some guitarists prefer the distortion characteristics of vacuum tubes. Most popular vintage models use vacuum tubes.[citation needed]
The cathode-ray tube was the dominant display technology for televisions and computer monitors at the start of the 21st century. However, rapid advances and falling prices of LCD flat panel technology soon took the place of CRTs in these devices.[98] By 2010, most CRT production had ended.[99]
In the early years of the 21st century there has been renewed interest in vacuum tubes, this time with the electron emitter formed on a flat silicon substrate, as in integrated circuit technology. This subject is now called vacuum nanoelectronics.[100] The most common design uses a cold cathode in the form of a large-area field electron source (for example a field emitter array). With these devices, electrons are field-emitted from a large number of closely spaced individual emission sites.
Such integrated microtubes may find application in microwave devices including mobile phones, for Bluetooth and Wi-Fi transmission, and in radar and satellite communication.[citation needed] As of 2012[update], they were being studied for possible applications in field emission display technology, but there were significant production problems.
As of 2014, NASA's Ames Research Center was reported to be working on vacuum-channel transistors produced using CMOS techniques.[101]
When a cathode is heated and reaches an operating temperature around 1,050 K (780 °C; 1,430 °F), free electrons are driven from its surface. These free electrons form a cloud in the empty space between the cathode and the anode, known as the space charge. This space charge cloud supplies the electrons that create the current flow from the cathode to the anode. As electrons are drawn to the anode during the operation of the circuit, new electrons will boil off the cathode to replenish the space charge.[102] The space charge is an example of an electric field.
All tubes with one or more control grids are controlled by an AC (Alternating Current) input voltage applied to the control grid, while the resulting amplified signal appears at the anode as a current. Due to the high voltage placed on the anode, a relatively small anode current can represent a considerable increase in energy over the value of the original signal voltage. The space charge electrons driven off the heated cathode are strongly attracted by the positive anode. The control grid(s) in a tube mediate this current flow by combining the small AC signal current with the grid's slightly negative value. When the signal sine (AC) wave is applied to the grid, it rides on this negative value, driving it both positive and negative as the AC signal wave changes.
This relationship is shown with a set of Plate Characteristics curves, (see example above,) which visually display how the output current from the anode (Ia) can be affected by a small input voltage applied on the grid (Vg), for any given voltage on the plate(anode) (Va).
Every tube has a unique set of such characteristic curves. The curves graphically relate the changes to the instantaneous plate current driven by a much smaller change in the grid-to-cathode voltage (Vgk) as the input signal varies.
The V-I characteristic depends upon the size and material of the plate and cathode.[103]Express the ratio between voltage plate and plate current.[104]
Size of electrostatic field is the size between two or more plates in the tube.
The electronics age may be said to have been ushered in with the invention of the vacuum diode valve in 1902 by the Briton John Fleming (himself coining the word 'electronics'), the immediate application being in the field of radio.
Amplification factor or voltage gain is the amount the signal at the control grid is increased in amplitude after passing through the tube, which is also referred to as the Greek letter μ (mu) or voltage gain (Vg) of the tube.
The maximum anode dissipation rating is 2500 kilowatts.
