Un triodo es un tubo de vacío amplificador electrónico (o válvula en inglés británico) que consta de tres electrodos dentro de una envoltura de vidrio evacuado: un filamento o cátodo calentado , una rejilla y una placa ( ánodo ). Desarrollado a partir del Audion 1906 de Lee De Forest , un tubo de vacío parcial que agregaba un electrodo de rejilla al diodo termoiónico ( válvula Fleming ), el triodo fue el primer amplificador electrónico práctico y el antepasado de otros tipos de tubos de vacío como eltetrodo y pentodo . Su invención fundó la era de la electrónica , haciendo posible la tecnología de radio amplificada y la telefonía de larga distancia . Los triodos se usaron ampliamente en dispositivos electrónicos de consumo como radios y televisores hasta la década de 1970, cuando los transistores los reemplazaron. Hoy en día, su principal uso restante es en amplificadores de RF de alta potencia en transmisores de radio y dispositivos de calentamiento de RF industriales. En los últimos años ha habido un resurgimiento en la demanda de triodos de baja potencia debido al renovado interés en los sistemas de audio de tipo tubo por parte de los audiófilos que prefieren el sonido agradable (cálido) distorsionado de la electrónica basada en tubos.
El nombre "triodo" fue acuñado por el físico británico William Eccles [1] [2] en algún momento alrededor de 1920, derivado del griego τρίοδοí, tríodos , de tri- (tres) y hodós (camino, camino), que originalmente significaba el lugar donde tres los caminos se encuentran.
Historia
Dispositivos precursores
Antes de que se inventaran las válvulas termoiónicas, Philipp Lenard utilizó el principio de control de la red mientras realizaba experimentos fotoeléctricos en 1902. [3]
El primer tubo de vacío utilizado en radio [4] [5] fue el diodo termoiónico o válvula Fleming , inventado por John Ambrose Fleming en 1904 como detector para receptores de radio . Era un bulbo de vidrio al vacío que contenía dos electrodos, un filamento calentado (cátodo) y una placa (ánodo).
Invención
Los triodos surgieron en 1906 cuando el ingeniero estadounidense Lee De Forest [6] y el físico austríaco Robert von Lieben [7] patentaron de forma independiente tubos que añadían un tercer electrodo, una rejilla de control , entre el filamento y la placa para controlar la corriente. [8] [9] El tubo de tres elementos parcialmente evacuado de Von Lieben, patentado en marzo de 1906, contenía un rastro de vapor de mercurio y estaba destinado a amplificar señales telefónicas débiles. [10] [11] [12] [7] A partir de octubre 1 906 [8] De Forest patentado un número de tres elemento de tubo diseña mediante la adición de un electrodo al diodo, al que llamó audiones , destinado a ser utilizado como detectores de radio . [13] [6] El que se convirtió en el diseño del triodo, en el que la rejilla estaba ubicada entre el filamento y la placa, fue patentado el 29 de enero de 1907. [14] [6] [15] Como el tubo de vacío de von Lieben , Los Audions de De Forest no se evacuaron por completo y contenían algo de gas a baja presión. [16] [17] El tubo de vacío de von Lieben no experimentó mucho desarrollo debido a su muerte siete años después de su invención, poco antes del estallido de la Primera Guerra Mundial . [18]
Audion de De Forest no vio mucho uso hasta que su capacidad de amplificación fue reconocida alrededor de 1912 por varios investigadores, [17] [19] que la utilizaron para construir los primeros receptores de radio amplificadores y osciladores electrónicos exitosos . [20] [21] Los múltiples usos de la amplificación motivaron su rápido desarrollo. En 1913, Harold Arnold en American Telephone and Telegraph Company , que había comprado los derechos del Audion a De Forest, e Irving Langmuir en General Electric , desarrollaron versiones mejoradas con mayor vacío , quien llamó a su tubo el "Pliotron", [17] [19] Estos fueron los primeros triodos de tubos de vacío . [16] El nombre "triodo" apareció más tarde, cuando se hizo necesario distinguirlo de otros tipos de tubos de vacío con más o menos elementos (por ejemplo , diodos , tetrodos , pentodos , etc.). Hubo largas demandas entre De Forest y von Lieben, y De Forest y la Compañía Marconi , que representaba a John Ambrose Fleming , el inventor del diodo. [22] [ cita requerida ] .
Adopción más amplia
El descubrimiento de la capacidad amplificadora del triodo en 1912 revolucionó la tecnología eléctrica, creando el nuevo campo de la electrónica , la tecnología de dispositivos eléctricos activos ( amplificadores ). El triodo se aplicó inmediatamente a muchas áreas de la comunicación. Los transmisores de radio triodo de " onda continua " reemplazaron a los engorrosos e ineficientes transmisores de chispa de " onda amortiguada " , permitiendo la transmisión de sonido por modulación de amplitud (AM). Los receptores de radio de triodo amplificador , que tenían el poder de activar altavoces , reemplazaron las radios de cristal débiles , que tenían que escucharse con auriculares , lo que permitía a las familias escuchar juntas. Esto resultó en la evolución de la radio de un servicio de mensajes comerciales al primer medio de comunicación masiva , con el comienzo de la radiodifusión alrededor de 1920. Los triodos hicieron posible el servicio telefónico transcontinental. Los repetidores de triodo de tubo de vacío , inventados en Bell Telephone después de la compra de los derechos de Audion, permitían que las llamadas telefónicas viajaran más allá del límite no amplificado de aproximadamente 800 millas. La inauguración por Bell de la primera línea telefónica transcontinental se celebró 3 años después, el 25 de enero de 1915. Otros inventos que hizo posible el triodo fueron la televisión , los sistemas de megafonía , los fonógrafos eléctricos y las películas parlantes .
El triodo sirvió como base tecnológica a partir de la cual se desarrollaron los tubos de vacío posteriores, como el tetrodo ( Walter Schottky , 1916) y el pentodo (Gilles Holst y Bernardus Dominicus Hubertus Tellegen, 1926), que subsanaron algunas de las deficiencias del triodo que se detallan a continuación.
El triodo fue muy utilizado en electrónica de consumo como radios, televisores y sistemas de audio hasta que fue reemplazado en la década de 1960 por el transistor , inventado en 1947, que puso fin a la "era del tubo de vacío" introducida por el triodo. Hoy en día, los triodos se utilizan principalmente en aplicaciones de alta potencia para las que los dispositivos semiconductores de estado sólido no son adecuados, como transmisores de radio y equipos de calefacción industrial. Sin embargo, más recientemente, el triodo y otros dispositivos de tubo de vacío han experimentado un resurgimiento y un regreso en los equipos de audio y música de alta fidelidad. También permanecen en uso como pantallas fluorescentes de vacío (VFD), que vienen en una variedad de implementaciones, pero todas son esencialmente dispositivos de triodo.
Construcción
Todos los triodos tienen un electrodo de cátodo caliente calentado por un filamento , que libera electrones, y un electrodo de placa metálica plana al que se atraen los electrones, con una rejilla que consiste en una pantalla de cables entre ellos para controlar la corriente. Estos están sellados dentro de un recipiente de vidrio del que se ha extraído el aire a un alto vacío, alrededor de 10-9 atm. Dado que el filamento eventualmente se quema, el tubo tiene una vida útil limitada y se fabrica como una unidad reemplazable; los electrodos están conectados a clavijas terminales que se conectan a un enchufe. La vida útil de funcionamiento de un triodo es de aproximadamente 2000 horas para tubos pequeños y 10,000 horas para tubos de potencia.
Triodos de baja potencia
Los triodos de baja potencia tienen una construcción concéntrica (ver dibujo a la derecha) , con la rejilla y el ánodo como cilindros circulares u ovalados que rodean el cátodo. El cátodo es un tubo de metal estrecho en el centro. Dentro del cátodo hay un filamento llamado "calentador" que consiste en una tira estrecha de alambre de tungsteno de alta resistencia , que calienta el cátodo al rojo vivo (800 - 1000 ° C). Este tipo se denomina " cátodo calentado indirectamente ". El cátodo está recubierto con una mezcla de óxidos alcalinotérreos como el calcio y el óxido de torio que reduce su función de trabajo por lo que produce más electrones. La rejilla está construida con una hélice o pantalla de alambres delgados que rodean el cátodo. El ánodo es un cilindro o caja rectangular de chapa que rodea la rejilla. Está ennegrecido para irradiar calor y, a menudo, está equipado con aletas que irradian calor. Los electrones viajan en una dirección radial, desde el cátodo a través de la rejilla hasta el ánodo. Los elementos se mantienen en su posición mediante aisladores de mica o cerámica y están sostenidos por cables rígidos unidos a la base, donde los electrodos se llevan a los pines de conexión. Un " captador ", una pequeña cantidad de metal de bario brillante que se evapora en el interior del vidrio, ayuda a mantener el vacío al absorber el gas liberado en el tubo con el tiempo.
Triodos de alta potencia
Los triodos de alta potencia generalmente usan un filamento que sirve como cátodo (un cátodo calentado directamente) porque el recubrimiento de emisión en cátodos calentados indirectamente es destruido por el bombardeo de iones más alto en los tubos de potencia. Se utiliza con mayor frecuencia un filamento de tungsteno toriado , en el que el torio del tungsteno forma una monocapa en la superficie que aumenta la emisión de electrones. Por lo general, funcionan a temperaturas más altas que los cátodos calentados indirectamente. La envoltura del tubo a menudo está hecha de cerámica más duradera en lugar de vidrio, y todos los materiales tienen puntos de fusión más altos para resistir los niveles de calor más altos producidos. Los tubos con una disipación de potencia de ánodo superior a varios cientos de vatios suelen enfriarse activamente; el ánodo, hecho de cobre pesado, se proyecta a través de la pared del tubo y está unido a un gran disipador de calor externo de metal con aletas que se enfría mediante aire forzado o agua.
Tubos de faro
Un tipo de triodo de baja potencia para uso en frecuencias ultra altas (UHF), el tubo "faro", tiene una construcción plana para reducir la capacitancia entre electrodos y la inductancia del plomo , lo que le da la apariencia de un "faro". El cátodo, la rejilla y la placa en forma de disco forman planos en el centro del tubo, un poco como un sándwich con espacios entre las capas. El cátodo en la parte inferior está unido a los pines del tubo, pero la rejilla y la placa se llevan a terminales de baja inductancia en el nivel superior del tubo: la rejilla a un anillo de metal a la mitad y la placa a un botón de metal en el cima. Estos son un ejemplo de diseño de "sello de disco". Los ejemplos más pequeños prescinden de la base del pin octal que se muestra en la ilustración y dependen de los anillos de contacto para todas las conexiones, incluido el calentador y el cátodo de CC.
Además, el rendimiento de alta frecuencia está limitado por el tiempo de tránsito: el tiempo necesario para que los electrones viajen de cátodo a ánodo. Los efectos del tiempo de tránsito son complicados, pero un efecto simple es la conductancia de entrada, también conocida como carga de red. A frecuencias extremadamente altas, los electrones que llegan a la red pueden desfasarse con los que salen hacia el ánodo. Este desequilibrio de carga hace que la red muestre una reactancia mucho menor que su característica de "circuito abierto" de baja frecuencia.
Los efectos del tiempo de tránsito se reducen al reducir los espacios en el tubo. Los tubos como el 416B (un diseño de faro) y el 7768 (un diseño miniaturizado totalmente de cerámica) están especificados para funcionar a 4 GHz. Cuentan con espaciamientos rejilla-cátodo muy reducidos del orden de 0,1 mm.
Estos espacios de rejilla muy reducidos también dan un factor de amplificación mucho más alto que los diseños axiales convencionales. El 7768 tiene un factor de amplificación de 225, comparado con 100 para el 6AV6 usado en radios domésticas y aproximadamente el máximo posible para un diseño axial.
La capacitancia de la red del ánodo no es especialmente baja en estos diseños. La capacitancia de la rejilla del ánodo 6AV6 es de 2 picofaradios (pF), el 7768 tiene un valor de 1,7 pF. El estrecho espacio entre electrodos utilizado en los tubos de microondas aumenta las capacitancias, pero este aumento se compensa con sus reducidas dimensiones generales en comparación con los tubos de baja frecuencia.
Operación
En el triodo, los electrones se liberan en el tubo desde el cátodo metálico al calentarlo, un proceso llamado emisión termoiónica . El cátodo se calienta al rojo vivo por una corriente separada que fluye a través de un filamento de metal delgado . En los triodos de alta potencia, el propio filamento es el cátodo, mientras que en la mayoría de los casos el filamento calienta un electrodo de cátodo separado. Prácticamente todo el aire se elimina del tubo, por lo que los electrones pueden moverse libremente. Se aplica al ánodo un voltaje de CC positivo, de 20 V a miles de voltios en los tubos de potencia. Los electrones negativos son atraídos por el ánodo cargado positivamente y fluyen a través de los espacios entre los cables de la rejilla hacia él, creando un flujo de electrones a través del tubo desde el cátodo al ánodo.
La magnitud de esta corriente se puede controlar mediante un voltaje aplicado entre el cátodo y la rejilla. La rejilla actúa como una puerta para los electrones. Un voltaje más negativo en la red repelerá algunos de los electrones, por lo que menos pasarán al ánodo, lo que reducirá la corriente del ánodo. Un voltaje positivo en la red atraerá más electrones del cátodo, por lo que llegarán más al ánodo, aumentando la corriente del ánodo. Por lo tanto, una señal de baja potencia variable (CA) aplicada a la red puede controlar una corriente de ánodo mucho más potente, lo que da como resultado una amplificación . La variación en el voltaje de la red causará variaciones proporcionales idénticas en la corriente del ánodo. Al colocar una resistencia de carga adecuada en el circuito del ánodo, la corriente variable provocará un voltaje variable a través de la resistencia que puede ser mucho mayor que las variaciones de voltaje de entrada, lo que da como resultado una ganancia de voltaje .
El triodo es un dispositivo normalmente "encendido"; y la corriente fluye al ánodo con voltaje cero en la red. La corriente del ánodo se reduce progresivamente a medida que la rejilla se vuelve más negativa con respecto al cátodo. Por lo general, se aplica un voltaje de CC constante ("polarización") a la red para establecer la corriente de CC a través del tubo, y el voltaje de señal variable se superpone a él. Un voltaje suficientemente negativo en la red (generalmente alrededor de 3-5 voltios en tubos pequeños como el 6AV6, pero hasta –130 voltios en los primeros dispositivos de potencia de audio como el '45), evitará que los electrones lleguen al ánodo, apagando la corriente del ánodo. A esto se le llama "voltaje de corte". Dado que por debajo del corte, la corriente del ánodo deja de responder al voltaje de la red, el voltaje en la red debe permanecer por encima del voltaje de corte para una amplificación fiel (lineal).
El triodo es similar en funcionamiento al JFET de canal n ; normalmente está encendido y exhibe una corriente de placa cada vez más baja a medida que la rejilla / compuerta se tira de manera cada vez más negativa en relación con la fuente / cátodo. El voltaje de corte es equivalente al voltaje de pinch-off del JFET (V p ) o VGS (apagado); es decir, el punto de voltaje en el que la corriente deja de fluir por completo. Sin embargo, esta similitud es limitada. La corriente del ánodo del triodo depende en gran medida del voltaje del ánodo y del voltaje de la red, lo que hace que aparezca como una fuente de voltaje en el circuito. La corriente de drenaje del JFET prácticamente no se ve afectada por el voltaje de drenaje, por lo que aparece como un dispositivo de corriente constante, similar en acción a un tubo tetrodo o pentodo. Tanto las válvulas JFET como las de tetrodo / pentodo ofrecen ganancias de voltaje mucho más altas que las de triodo.
Aplicaciones
Aunque el relé telefónico tipo G de SG Brown (que usaba un mecanismo de "auricular" magnético que accionaba un elemento de micrófono de carbono) era capaz de proporcionar amplificación de potencia y había estado en uso desde 1914, era un dispositivo puramente mecánico con un rango de frecuencia y una fidelidad limitados. Se adaptaba solo a un rango limitado de frecuencias de audio, esencialmente frecuencias de voz. [23]
El triodo fue el primer dispositivo no mecánico que proporcionó ganancia de potencia en las frecuencias de audio y radio, e hizo que la radio fuera práctica. Los triodos se utilizan para amplificadores y osciladores. Muchos tipos se utilizan solo a niveles de potencia y frecuencia de bajos a moderados. Se pueden usar triodos grandes refrigerados por agua como amplificador final en transmisores de radio, con clasificaciones de miles de vatios. Los tipos especializados de triodo (tubos de "faro", con baja capacitancia entre elementos) proporcionan una ganancia útil en las frecuencias de microondas.
Los tubos de vacío son obsoletos en la electrónica de consumo comercializada en masa , habiendo sido superados por dispositivos de estado sólido basados en transistores menos costosos . Sin embargo, más recientemente, los tubos de vacío han regresado un poco. Los triodos continúan utilizándose en ciertos transmisores y amplificadores de RF de alta potencia . Si bien los defensores de los tubos de vacío afirman su superioridad en áreas como las aplicaciones de audio profesional y de gama alta , el MOSFET de estado sólido tiene características de rendimiento similares. [24]
Caracteristicas
En las hojas de datos de triodo, generalmente se dan las características que vinculan la corriente del ánodo (I a ) con el voltaje del ánodo (V a ) y el voltaje de la red (V g ). Desde aquí, un diseñador de circuitos puede elegir el punto de operación del triodo en particular.
En la característica de ejemplo que se muestra en la imagen, si se selecciona un voltaje de ánodo V a de 200 V y una polarización de voltaje de red de -1 voltio, estará presente una corriente de placa (ánodo) de 2.25 mA (usando la curva amarilla en el gráfico ). Cambiar el voltaje de la red cambiará la corriente de la placa; mediante la elección adecuada de una resistencia de carga de placa, se obtiene la amplificación.
En el amplificador de triodo de clase A , se conectaría una resistencia de ánodo entre el ánodo y la fuente de voltaje positivo. Por ejemplo, con R un = 10000 ohmios, la caída de tensión en que sería
V Ra = I a × R a = 22.5 V si se elige una corriente de ánodo de I a = 2.25 mA.
Si la amplitud del voltaje de entrada (en la red) cambia de −1,5 V a −0,5 V (diferencia de 1 V), la corriente del ánodo cambiará de 1,2 a 3,3 mA (ver imagen). Esto cambiará la caída de voltaje de la resistencia de 12 a 33 V (una diferencia de 21 V).
Dado que el voltaje de la red cambia de -1,5 V a -0,5 V, y el voltaje de la resistencia del ánodo cae de 12 a 33 V, se produjo una amplificación de la señal. El factor de amplificación es 21: amplitud de la tensión de salida dividida por la amplitud de la tensión de entrada.
Ver también
- Hanso Idzerda
- Lista de tubos de vacío
Referencias
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enlaces externos
- Les lampes radio - Una página francesa sobre válvulas termoiónicas. De particular interés es el video de 17 minutos que muestra la producción manual de triodos.
- Tutorial de válvula de triodo