El tubo de salida inductivo ( IOT ) o klystrode es una variedad de tubo de vacío de haz lineal , similar a un klystron , que se utiliza como amplificador de potencia para ondas de radio de alta frecuencia. Evolucionó en la década de 1980 para cumplir con los crecientes requisitos de eficiencia de los amplificadores de RF de alta potencia en transmisores de radio. [1] El uso comercial principal de IOT es en transmisores de televisión UHF , [2] donde han reemplazado principalmente a los klistrones debido a su mayor eficiencia (35% a 40%) y menor tamaño. Los IOT también se utilizan en aceleradores de partículas. . Son capaces de producir una potencia de salida de hasta aproximadamente 30 kW continuos y 7 MW en pulsos y ganancias de 20 a 23 dB a frecuencias de hasta aproximadamente un gigahercio . [2]
Historia
El tubo de salida inductivo (IOT) fue inventado en 1938 por Andrew V. Haeff . Posteriormente se emitió una patente para el IOT a Andrew V. Haeff y se asignó a Radio Corporation of America (RCA). Durante la Feria Mundial de Nueva York de 1939, el IOT se utilizó en la transmisión de las primeras imágenes de televisión desde el Empire State Building al recinto ferial. RCA vendió un pequeño IOT comercialmente por un corto tiempo, con el número de tipo 825. Pronto se volvió obsoleto por los desarrollos más nuevos, y la tecnología permaneció más o menos inactiva durante años.
El tubo de salida inductivo ha resurgido en los últimos veinte años después de haberse descubierto que posee características particularmente adecuadas (linealidad de banda ancha) para la transmisión de televisión digital y televisión digital de alta definición .
En una investigación realizada antes de la transición de la transmisión de televisión analógica a la digital, se descubrió que la interferencia electromagnética de los rayos, la transmisión de energía de CA de alto voltaje, los rectificadores de CA y los balastos utilizados en la iluminación fluorescente, afectaron en gran medida a los canales de VHF de banda baja (en América del Norte). , canales 2, 3, 4, 5 y 6), lo que dificulta o imposibilita su uso para la televisión digital. Estos canales de bajo número fueron a menudo las primeras emisoras de televisión en una ciudad determinada y, a menudo, eran operaciones importantes y vitales que no tenían más remedio que trasladarse a UHF. Al hacerlo, convirtió a la televisión digital moderna en un medio predominantemente UHF, y los IOT se han convertido en el tubo de salida elegido para la sección de salida de potencia de esos transmisores.
La potencia de salida de los IOT modernos del siglo XXI es órdenes de magnitud más alta que los primeros IOT producidos por el RCA en 1940-1941, pero el principio fundamental de funcionamiento sigue siendo básicamente el mismo. Los IOT desde la década de 1970 se han diseñado con software de computadora de modelado electromagnético que ha mejorado enormemente su rendimiento electrodinámico.
Cómo funciona
Debido a la presencia en todos los hogares del tubo de imagen de televisión convencional ( tubo de rayos catódicos ), puede ser útil pensar en sus principios de funcionamiento. Aunque el IOT no produce una salida de fósforo brillante, internamente muchos principios son los mismos.
Los IOT se han descrito como un cruce entre un klystron y un triodo , de ahí el nombre comercial de Eimac para ellos, Klystrode . Tienen un cañón de electrones como un klystron, pero con una rejilla de control delante como un triodo, con un espaciado muy reducido de alrededor de 0,1 mm. El voltaje de RF de alta frecuencia en la red permite que los electrones pasen en grupos. De alta tensión de DC en un ánodo cilíndrico acelera el haz de electrones modulada a través de un pequeño tubo de deriva como un klistrón. Este tubo de deriva evita el reflujo de radiación electromagnética. El haz de electrones agrupado pasa a través del ánodo hueco hacia una cavidad resonante, similar a la cavidad de salida de un klistrón, y golpea un electrodo colector. Como en un klistrón, cada manojo pasa a la cavidad en un momento en que el campo eléctrico lo desacelera, transformando la energía cinética del haz en energía potencial del campo de RF, amplificando la señal. La energía electromagnética oscilante en la cavidad es extraída por una línea de transmisión coaxial. Un campo magnético axial evita que la carga espacial se extienda por el haz. El electrodo colector tiene un potencial más bajo que el ánodo (colector deprimido) que recupera parte de la energía del haz, aumentando la eficiencia. [1] [2]
Dos diferencias con el klystron le otorgan un menor costo y una mayor eficiencia. Primero, el klystron usa modulación de velocidad para crear agrupamiento; su corriente de haz es constante. Requiere un tubo de deriva de varios pies de largo para permitir que los electrones se agrupen. En contraste, el IOT usa modulación de corriente como un triodo ordinario; La mayor parte del agrupamiento se realiza mediante la rejilla, por lo que el tubo puede ser mucho más corto, lo que lo hace menos costoso de construir y montar, y menos voluminoso. En segundo lugar, dado que el klystron tiene corriente de haz durante todo el ciclo de RF, solo puede funcionar como un amplificador de clase A ineficiente , mientras que la rejilla del IOT permite modos de funcionamiento más versátiles. La cuadrícula se puede polarizar para que la corriente del haz se pueda cortar durante parte del ciclo, lo que le permite operar en el modo más eficiente de clase B o AB. [1] [2]
La frecuencia más alta que se puede alcanzar en un IOT está limitada por el espacio entre la rejilla y el cátodo. Los electrones deben acelerarse fuera del cátodo y pasar la rejilla antes de que el campo eléctrico de RF cambie de dirección. El límite superior de frecuencia es de aproximadamente 1300 MHz . La ganancia del IOT es de 20–23 dB frente a 35–40 dB para un klystron. La ganancia más baja no suele ser un problema porque a 20 dB los requisitos de potencia de accionamiento (1% de la potencia de salida) están dentro de las capacidades de los económicos amplificadores UHF de estado sólido. [1]
Avances recientes
Las últimas versiones de IOT logran eficiencias aún mayores (60% -70%) mediante el uso de un colector deprimido de múltiples etapas (MSDC). La versión de un fabricante se llama Constant Efficiency Amplifier (CEA), mientras que otro fabricante comercializa su versión como ESCIOT (Energy Saving Collector IOT). Las dificultades de diseño iniciales de los MSDCIOT se superaron mediante el uso de aceite de transformador de alto dieléctrico recirculante como medio combinado de refrigerante y aislamiento para evitar la formación de arcos y la erosión entre las etapas del colector poco espaciadas y para proporcionar un enfriamiento confiable del colector de bajo mantenimiento durante la vida útil del tubo . Las versiones anteriores de MSDC tenían que enfriarse por aire (potencia limitada) o utilizar agua desinonizada que tenía que ser filtrada, intercambiada regularmente y no proporcionaba protección contra la congelación o la corrosión.
Desventajas
La radiación térmica del cátodo calienta la rejilla. Como resultado, el material del cátodo de baja función de trabajo se evapora y se condensa en la rejilla. Esto eventualmente conduce a un corto entre el cátodo y la rejilla, ya que el material que se acumula en la rejilla estrecha el espacio entre éste y el cátodo. Además, el material del cátodo emisivo en la rejilla provoca una corriente de rejilla negativa (flujo de electrones inverso de la rejilla al cátodo). Esto puede inundar la fuente de alimentación de la red si esta corriente inversa es demasiado alta, cambiando el voltaje de la red (polarización) y, en consecuencia, el punto de funcionamiento del tubo. Los IOT actuales están equipados con cátodos recubiertos que funcionan a temperaturas de funcionamiento relativamente bajas y, por lo tanto, tienen tasas de evaporación más lentas, lo que minimiza este efecto.
Como la mayoría de los tubos de haz lineal que tienen cavidades de sintonización externas, los IOT son vulnerables a la formación de arcos y deben protegerse con detectores de arco ubicados en las cavidades de salida que activan un circuito de palanca basado en un tiratrón de hidrógeno o una descarga de chispas activada en el suministro de alto voltaje. [1] El propósito del circuito de palanca es descargar instantáneamente la carga eléctrica masiva almacenada en el suministro de haz de alto voltaje antes de que esta energía pueda dañar el conjunto del tubo durante una cavidad, colector o arco catódico no controlado. [1]
Ver también
- Láser de electrones libres
Referencias
- ↑ a b c d e f Whitaker, Jerry C. (2005). El Manual de Electrónica, 2ª Ed . Prensa CRC. págs. 488–489. ISBN 1420036661.
- ^ a b c d Sisodia, ML (2006). Dispositivos activos de microondas: vacío y estado sólido . New Age International. págs. 3.47–3.49. ISBN 8122414478.
enlaces externos
- http://www.bext.com/iot-an-old-dream-now-come-true/
- http://www.ebu.ch/departments/technical/trev/trev_273-heppinstall.pdf [ enlace muerto permanente ]
- http://www.davidsarnoff.org/kil-chapter03.html
- http://www.allaboutcircuits.com/vol_3/chpt_13/11.html
- http://www.harris.com/view_pressrelease.asp?act=lookup&pr_id=2037
- http://epaper.kek.jp/p95/ARTICLES/TAQ/TAQ02.PDF