Un tubo de vacío , un tubo de electrones , [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 la diferencia de potencial .
El tipo conocido como tubo termoiónico o válvula termoiónica utiliza el fenómeno de emisión termoiónica de electrones de un cátodo caliente y se utiliza para una serie de funciones electrónicas fundamentales como la amplificación de la señal y la rectificación de la corriente . Sin embargo, los tipos no termoiónicos, como un 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 se aceleran desde el cátodo al ánodo por el campo eléctrico en el tubo.
El tubo de vacío más simple, el diodo , inventado en 1904 por John Ambrose Fleming , contiene solo un cátodo emisor de electrones calentado y un ánodo. Los electrones solo pueden fluir en una dirección a través del dispositivo: desde el cátodo hasta el ánodo. Agregar una o más rejillas de control dentro del tubo permite que la corriente entre el cátodo y el ánodo sea controlada por 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 fundamentales para el desarrollo de la radio, la televisión, el radar, la grabación y reproducción de sonido , las redes telefónicas de larga distancia y las primeras computadoras analógicas y digitales . Aunque algunas aplicaciones habían utilizado tecnologías anteriores, como el transmisor de chispa para radio o 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 producir dispositivos de estado sólido , que son más pequeños, más eficientes, confiables, duraderos, más seguros y más económicos que los tubos termoiónicos. A partir de mediados de la década de 1960, los tubos termoiónicos fueron reemplazados por el transistor . Sin embargo, el tubo de rayos catódicos (CRT) siguió siendo la base de los monitores de televisión y osciloscopios hasta principios del siglo XXI. Los tubos termoiónicos todavía se usan en algunas aplicaciones, como el magnetrón que se usa en los hornos microondas, ciertos amplificadores de alta frecuencia y amplificadores que los entusiastas del audio prefieren por su sonido de tubo "más cálido" .
No todas las válvulas de circuitos electrónicos / tubos de electrones son tubos de vacío. Los tubos llenos de gas son dispositivos similares, pero que contienen un gas, generalmente a baja presión, que aprovechan los fenómenos relacionados con la descarga eléctrica en gases , generalmente sin calentador.
Clasificaciones [ editar ]
Una clasificación de los tubos de vacío termoiónicos es por el número de electrodos activos. Un dispositivo con dos elementos activos es un diodo , generalmente utilizado para la 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:
- por rango de frecuencia ( audio , radio, VHF , UHF , microondas )
- por potencia nominal (señal pequeña, potencia de audio, transmisión de radio de alta potencia)
- por tipo de cátodo / filamento (calentado indirectamente, calentado directamente) y tiempo de calentamiento (incluido "emisor brillante" o "emisor opaco")
- por diseño de curvas características (p. ej., corte pronunciado versus corte remoto en algunos pentodos)
- por aplicación (tubos receptores, tubos transmisores, amplificación o conmutación, rectificación, mezcla)
- parámetros especializados (larga duración, sensibilidad microfónica muy baja y amplificación de audio de bajo ruido, versiones resistentes o militares)
- funciones especializadas (detectores de luz o radiación, tubos de imágenes de video)
- tubos utilizados para mostrar información ( tubos Nixie , tubos de "ojo mágico" , pantallas fluorescentes de vacío , CRT )
Los tubos tienen diferentes funciones, como los tubos de rayos catódicos que crean un haz de electrones con fines de visualización (como el tubo de imagen de televisión), además de funciones más especializadas como la microscopía electrónica y la litografía por haz de electrones . Los tubos de rayos X también son tubos de vacío. Los fototubos y fotomultiplicadores dependen del flujo de electrones a través del vacío, aunque en esos casos la emisión de electrones del cátodo depende de la energía de los fotones en lugar de la emisión termoiónica . Dado que este tipo de "tubos de vacío" tienen funciones distintas de la amplificación y rectificación electrónicas, se describen en otra parte.
Descripción [ editar ]
Un tubo de vacío consta de dos o más electrodos en vacío dentro de un sobre hermético. La mayoría de los tubos tienen sobres de vidrio con un sello de vidrio a metal basado en vidrios de borosilicato sellables kovar , aunque se han utilizado sobres de cerámica y metal (sobre bases aislantes). Los electrodos están conectados a cables que atraviesan 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 del electrodo se conectan a las clavijas en la base del tubo que se conectan a un enchufe del tubo. Los tubos eran una causa frecuente de fallas en los equipos electrónicos y se esperaba que los consumidores pudieran reemplazarlos 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 fue evitar la resistencia a las fugas 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 de humedad. Otras razones para usar una tapa superior incluyen mejorar la estabilidad al reducir la capacitancia de la red al ánodo, [9]rendimiento mejorado de alta frecuencia, manteniendo un voltaje de placa muy alto lejos de voltajes más bajos y acomodando un electrodo más de lo que permite la base. Incluso había un diseño ocasional que tenía dos conexiones de tapa superior.
Los primeros tubos de vacío evolucionaron a partir de bombillas incandescentes , que contenían un filamento sellado en un sobre de vidrio al vacío. Cuando está caliente, el filamento libera electrones en el vacío, un proceso llamado emisión termoiónica , originalmente conocido como efecto Edison . Un segundo electrodo, el ánodo o placa , atraerá esos electrones si tiene 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 ( cátodo) 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 sólo dos electrodos se denomina diodo y se utiliza para la rectificación . Dado que la corriente solo puede pasar en una dirección, dicho diodo (o rectificador ) 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 de amplitud modulada (AM) y para funciones similares.
Los primeros tubos usaban el filamento como cátodo; esto se llama 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 CA sin inducir zumbidos) al tiempo que permite que los cátodos en 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 amplifican señales en el nivel de microvatios. La energía 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 las corrientes inactivas necesarias 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 conduce 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 mediana se enfrían mediante 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 soplador o camisa de agua.
Los klistrones y magnetrones a menudo operan sus ánodos (llamados colectores en klistrones) al potencial de tierra para facilitar el enfriamiento, particularmente con agua, sin aislamiento de alto voltaje. En cambio, estos tubos operan con altos voltajes negativos en el filamento y el cátodo.
A excepción 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 los electrones pueden pasar en su camino hacia la placa. El tubo de vacío se conoce como triodo , tetrodo , pentodo , etc., dependiendo del 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 en negativo con respecto al cátodo, la rejilla de control crea un campo eléctrico que repele los electrones emitidos por el cátodo, reduciendo o incluso deteniendo la corriente entre el cátodo y el ánodo. Siempre que la rejilla de control sea negativa en relación con el cátodo, esencialmente no fluye corriente hacia ella, sin embargo, un cambio de varios voltios en la rejilla de control es suficiente para hacer una gran diferencia en la corriente de la 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 suelen funcionar a más de cien voltios, a diferencia de la mayoría de los semiconductores en la mayoría de las aplicaciones.
Historia y desarrollo [ editar ]
El siglo XIX vio un aumento de la investigación con tubos de vacío, como los tubos de Geissler y Crookes . Los muchos científicos e inventores que experimentaron con tales tubos incluyen a Thomas Edison , Eugen Goldstein , Nikola Tesla y Johann Wilhelm Hittorf . Con la excepción de las primeras bombillas , estos tubos solo se utilizaron en investigaciones científicas o como novedades. Sin embargo, el trabajo preliminar establecido 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 , [11] fue el descubrimiento aparentemente independiente de Thomas Edison del fenómeno en 1883 lo que se hizo bien conocido. Aunque Edison era consciente de la propiedad unidireccional del flujo de corriente entre el filamento y el ánodo, su interés (y patente [12] ) se concentró en la sensibilidad de la corriente del ánodo a la corriente a través del filamento (y por lo tanto la temperatura del filamento). Nunca se hizo un uso práctico de esta propiedad (sin embargo, las primeras radios a menudo implementaban controles de volumen variando la corriente del filamento de los tubos amplificadores). Sólo años después, John Ambrose Flemingutilizó la propiedad rectificadora del tubo de diodo para detectar ( demodular ) señales de radio, una mejora sustancial en el detector de bigotes de gato temprano que ya se usaba para la rectificación.
La amplificación por tubo de vacío se volvió práctica solo con la invención de Lee De Forest en 1907 del tubo de " audión " de tres terminales , una forma burda de lo que se convertiría en el triodo . [13] Siendo esencialmente el primer amplificador electrónico, [14] estos tubos fueron fundamentales en telefonía de larga distancia (como la primera línea telefónica de costa a costa en los EE. UU.) Y sistemas de megafonía , e introdujeron un sistema muy superior y versátil. tecnología para su uso en transmisores y receptores de radio. Podría decirse que la revolución de la electrónica del siglo XX comenzó con la invención del tubo de vacío triodo.
Diodos [ editar ]
El físico inglés John Ambrose Fleming trabajó como consultor de ingeniería para empresas como Edison Swan , [15] Edison Telephone y Marconi Company . En 1904, como resultado de experimentos realizados con bombillas de efecto Edison importadas de los Estados Unidos, desarrolló un dispositivo que llamó "válvula de oscilación" (porque pasa corriente en una sola dirección). El filamento calentado era capaz de emitir electrones termoiónicos que fluirían hacia la placa (o ánodo) cuando tenía un voltaje positivo con respecto al cátodo calentado. Los electrones, sin embargo, no podían pasar en la dirección inversa porque la placa no se calentó y, por lo tanto, no era capaz de emitir electrones termoiónicos.
Más tarde conocida como válvula Fleming , podría utilizarse como rectificador de corriente alterna y como detector de ondas de radio . Esto mejoró en gran medida el conjunto de cristales que rectificó la señal de radio utilizando un diodo de estado sólido temprano basado en un cristal y el llamado bigote de gato , un punto de contacto ajustable. A diferencia de los semiconductores modernos, un diodo de este tipo requería un ajuste minucioso del contacto con el cristal para que se rectificara.
El tubo era relativamente inmune a las vibraciones y, por lo tanto, era muy superior en el servicio a bordo, particularmente para los barcos de la armada con el impacto del fuego de armas que comúnmente derribaban a la delicada galena de su punto sensible (el tubo en general no era más sensible como detector de radio, pero estaba libre de ajustes). El tubo de diodo era una alternativa confiable para detectar señales de radio.
A medida que avanzaba la ingeniería electrónica, especialmente durante la Segunda Guerra Mundial, esta función de un diodo llegó a considerarse como un tipo de demodulación. Aunque firmemente establecido por la historia, el término "detector" no es descriptivo en sí mismo y debe considerarse obsoleto.
Los tubos de diodos de mayor potencia o los rectificadores de potencia encontraron su camino en las aplicaciones de suministro de energía hasta que finalmente fueron reemplazados primero por selenio y luego por rectificadores de silicio en la década de 1960.
Triodos [ editar ]
Originalmente, el único uso de tubos en circuitos de radio era para rectificación , no amplificación. En 1906, Robert von Lieben solicitó una patente [16] para un tubo de rayos catódicos que incluía desviación magnética. Esto podría usarse para amplificar señales de audio y fue diseñado para su uso en equipos de telefonía. Más tarde ayudaría a refinar el tubo de vacío triodo .
Sin embargo, a Lee De Forest se le atribuye la invención del tubo triodo en 1907 mientras experimentaba para mejorar su Audion original (diodo) . 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 redujo del voltaje del cátodo a voltajes algo más negativos, la cantidad de corriente desde el filamento a la placa se reduciría.
El campo electrostático negativo creado por la rejilla en la vecindad del cátodo inhibiría el paso de electrones emitidos y reduciría la corriente a la placa. Por lo tanto, una diferencia de pocos voltios en la red produciría un gran cambio en la corriente de la 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 de EE.UU. 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 fue un "vacío fuerte", sino que dejó una cantidad muy pequeña de gas residual. La física detrás del funcionamiento del dispositivo tampoco se resolvió. El gas residual causaría un resplandor azul (ionización visible) cuando el voltaje de la placa fuera alto (por encima de aproximadamente 60 voltios). En 1912, De Forest llevó el Audion a Harold Arnold en el departamento de ingeniería de AT&T. 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. [17] Los tubos de alto vacío podrían operar a altos voltajes de placa sin un resplandor azul.
El inventor finlandés Eric Tigerstedt mejoró significativamente el diseño del triodo original en 1914, mientras trabajaba en su proceso de sonido en película en Berlín, Alemania. La innovación de Tigerstedt fue hacer que los electrodos fueran cilindros concéntricos con el cátodo en el centro, aumentando así en gran medida la colección de electrones emitidos en el ánodo. [18]
Irving Langmuir en la General Electric laboratorio de investigación ( Schenectady, Nueva York ) había mejorado Wolfgang Gaede 's bomba de difusión de alto vacío y lo utilizó para resolver la cuestión de la emisión termoiónica y conducción en el vacío. En consecuencia, General Electric comenzó a producir triodos de vacío duro (que fueron marcados Pliotrons) en 1915. [19] 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 el tipo inglés 'R', que fueron de uso generalizado por los militares aliados en 1916. Históricamente, los niveles de vacío en los tubos de vacío de producción oscilaban típicamente entre 10 µPa y 10 nPa. [20]
El triodo y sus derivados (tetrodos y pentodos) son dispositivos de transconductancia , en los que la señal de control aplicada a la red es un voltaje y la señal amplificada resultante que aparece en el ánodo es una corriente . 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.
Para 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 la rejilla al voltaje del cátodo, con una placa constante (ánodo) al voltaje del cátodo. 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 la 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 hizo que los primeros amplificadores de audio a válvulas mostraran una distorsión armónica a volúmenes bajos. Al graficar la corriente de la placa en 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 tuvo que aplicar una tensión de polarización negativa a la red para colocar el punto de funcionamiento de CC en la región lineal. A esto se le llamó la condición inactiva, y la corriente de placa en este punto la "corriente inactiva". El voltaje de control se superpuso sobre el voltaje de polarización, lo que resultó en 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 llama sesgo de cuadrícula . Muchos de los primeros aparatos de radio tenían una tercera batería llamada "batería C" (no relacionada con la celda C actual , para la cual la letra denota 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 fabricaron tubos con calentadores aislados de sus cátodos, utilizaron polarización de cátodos , evitando la necesidad de una fuente de alimentación negativa separada. Para la polarización del cátodo, 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 red, que está a potencial de tierra para CC.
Sin embargo, las baterías C continuaron incluyéndose en algunos equipos incluso cuando las baterías "A" y "B" habían sido reemplazadas por energía de la red de CA. Eso fue posible porque esencialmente no hubo consumo de corriente en estas baterías; por lo tanto, podrían durar muchos años (a menudo más que todos los tubos) sin necesidad de reemplazarlos.
Cuando los triodos se utilizaron por primera vez en transmisores y receptores de radio, se descubrió que las etapas de amplificación sintonizadas tenían una tendencia a oscilar a menos que su ganancia fuera muy limitada. Esto se debió 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 volvería a conectar a la red a través de un pequeño condensador y, cuando se ajustara correctamente, cancelaría la capacitancia de Miller. Esta técnica fue empleada y condujo al éxito de la radio Neutrodyne durante la década de 1920. Sin embargo, la neutralización requirió un ajuste cuidadoso y resultó insatisfactoria cuando se usó en una amplia gama de frecuencias.
Tetrodos y pentodos [ editar ]
Para combatir los problemas de estabilidad y la ganancia de voltaje limitada debido al efecto Miller , el físico Walter H. Schottky inventó el tubo tetrodo en 1919. [21] Demostró que la adición de una segunda rejilla, ubicada entre la rejilla de control y la placa ( ánodo), conocida como la rejilla de la pantalla , podría resolver estos problemas. ("Pantalla" en este caso se refiere a "apantallamiento" o blindaje eléctrico, no a la construcción física: todos los electrodos de "rejilla" entre el cátodo y la placa son "pantallas" de algún tipo en lugar de electrodos sólidos, ya que deben permitir el paso de electrones directamente del cátodo a la placa). Se le aplicó un voltaje positivo ligeramente más bajo que el voltaje de la placa (ánodo),y fue pasado por alto(para altas frecuencias) a tierra con un condensador. Esta disposición desacopla el ánodo y la rejilla de control , eliminando esencialmente la capacitancia de Miller y sus problemas asociados. El voltaje constante de la pantalla también redujo la influencia del voltaje del ánodo en la carga espacial. Donde la relación entre el control de voltaje de la placa de la corriente de la placa y el control de la red de la corriente de la placa (factor de amplificación) comúnmente varía de menos de diez a quizás 100, los factores de amplificación de tetrodo excedieron fácilmente 500. En consecuencia, se hicieron posibles mayores ganancias de voltaje de un solo tubo, el número de tubos necesarios en muchos circuitos. Este tubo de dos rejillas se llama tetrodo , que significa cuatro electrodos activos, y era común en 1926.
Sin embargo, el tetrodo tenía un nuevo problema. En cualquier tubo, los electrones golpean el ánodo con suficiente energía para provocar la emisión de electrones desde su superficie. En un triodo, esta llamada emisión secundaria de electrones no es importante, ya que simplemente son capturados nuevamente por el ánodo (placa) más positivo. Pero en un tetrodo pueden ser capturados por la rejilla de la pantalla (actuando así también como un ánodo) ya que también está a un alto voltaje, robándoles así la corriente de la placa y reduciendo la amplificación del dispositivo. Dado que los electrones secundarios pueden superar en número a los electrones primarios, en el peor de los casos, particularmente cuando el voltaje de la placa cae por debajo del voltaje de la pantalla, la corriente de la placa puede disminuir al aumentar el voltaje de la placa. Este es el llamado "tetrode kink" y es un ejemplo de resistencia negativa.que en sí mismo puede causar inestabilidad. [22] La resistencia negativa, de otro modo indeseable, se aprovechó para producir un circuito oscilador simple que solo requería la conexión de la placa a un circuito LC resonante para oscilar; esto fue efectivo en un amplio rango de frecuencias. El llamado oscilador dynatron operó así con el mismo principio de resistencia negativa que el oscilador de diodo túnel muchos años después. Otra consecuencia indeseable de la emisión secundaria es que, en casos extremos, puede fluir suficiente carga a la rejilla de la pantalla para sobrecalentarla y destruirla. Los tetrodos posteriores tenían ánodos tratados para reducir las emisiones secundarias; los anteriores, como el pentodo de corte afilado tipo 77 conectado como un tetrodo, producían mejores dinatrones.
La solución fue agregar otra rejilla entre la rejilla de la pantalla y el ánodo principal, llamada rejilla supresora (ya que suprimió la corriente de emisión secundaria hacia la rejilla de la pantalla). Esta rejilla se mantuvo en el voltaje del cátodo (o "tierra") y su voltaje negativo (en relación con el ánodo) electrones secundarios repelidos electrostáticamente para que después de todo fueran recogidos por el ánodo. Este tubo de tres rejillas se llama pentodo , que significa cinco electrodos. El pentodo fue inventado en 1926 por Bernard DH Tellegen [23]y se convirtió en general favorecido sobre el simple tetrode. Los pentodos se fabrican en dos clases: aquellos con la rejilla supresora conectada internamente al cátodo (por ejemplo, EL84 / 6BQ5) y aquellos con la rejilla supresora conectada 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.
Tubos multifunción y multisección [ editar ]
Los receptores superheterodinos requieren un oscilador local y un mezclador , combinados en la función de un solo tubo convertidor pentagrid . Para este propósito se han utilizado diversas alternativas, como utilizar una combinación de un triodo con un hexodo e incluso un octodo . Las rejillas adicionales incluyen rejillas de control (a bajo potencial) y rejillas de pantalla.(a alto voltaje). Muchos diseños utilizan una rejilla de pantalla 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 pentagrid se volvió ampliamente utilizado en receptores AM, incluida la versión de tubo en miniatura del " All American Five ". Los octodos, como el 7A8, rara vez se usaban 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 costo 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 fijos necesarios para hacer un receptor de radio completo. Como el conjunto de Loewe tenía solo un casquillo de tubo, pudo rebajar sustancialmente a la competencia, ya que, en Alemania, el impuesto estatal se recaudaba por el número de casquillos. Sin embargo, la confiabilidad se vio comprometida y los costos de producción del tubo fueron mucho mayores. En cierto sentido, eran similares a los circuitos integrados. En los Estados Unidos, Cleartron produjo brevemente el triodo triple "Multivalve" para su uso en el receptor Emerson Baby Grand. Este conjunto de Emerson también tiene un enchufe de un solo tubo, pero debido a que utiliza una base de cuatro clavijas, las conexiones de los elementos adicionales se realizan en una plataforma "entrepiso" en la parte superior de la base del tubo.
En 1940, los tubos multisección se habían convertido en algo común. Sin embargo, existían limitaciones debido a las patentes y otras consideraciones de licencia (ver Asociación Británica de Válvulas ). Las restricciones debidas 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 Tipo 55 es un triodo de doble diodo utilizado como detector, rectificador de control automático de ganancia y preamplificador de audio en las primeras radios con alimentación de CA. Estos conjuntos suelen incluir la salida de audio 53 de doble triodo. Otro tipo temprano de tubo de múltiples secciones, el 6SN7, es un "triodo dual" que realiza las funciones de dos tubos de triodo mientras ocupa la mitad de espacio y cuesta menos. El 12AX7 es un triodo dual "high mu" (ganancia de alto voltaje [24] [25] [26] ) en una caja en miniatura, y se volvió ampliamente utilizado en amplificadores de señales de audio, instrumentos y amplificadores de guitarra .
La introducción de la base de tubo en miniatura (ver más abajo) que puede tener 9 pines, más que los disponibles anteriormente, permitió introducir 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 un sobre dio como resultado el Compactron de General Electric que tiene 12 pines. Un ejemplo típico, el 6AG11, contiene dos triodos y dos diodos.
Algunos tubos convencionales no entran en categorías estándar; los 6AR8, 6JH8 y 6ME8 tienen varias rejillas comunes, seguidas de un par de electrodos de desviación del haz que desvían la corriente hacia cualquiera de los dos ánodos. A veces se les conocía como tubos de "haz de láminas" y se utilizaban en algunos televisores en color para la demodulación del color . El 7360 similar fue popular como un (des) modulador SSB balanceado .
Tubos de potencia de haz [ editar ]
El tubo de potencia del haz suele ser un tetrodo con la adición de electrodos formadores de haz, que toman el lugar de la rejilla supresora. Estas placas en ángulo (no confundir con el ánodo) enfocan la corriente de electrones en ciertos puntos del ánodo que pueden resistir el calor generado por el impacto de cantidades masivas de electrones, al mismo tiempo que proporcionan un comportamiento de pentodo. El posicionamiento de los elementos en un tubo de potencia de haz utiliza un diseño llamado "geometría de distancia crítica", que minimiza la "torsión del tetrodo", placa para controlar la capacitancia de la red, la corriente de la red de la pantalla y la emisión secundaria del ánodo, lo que aumenta la conversión de potencia. eficiencia. La rejilla de control y la rejilla de la pantalla también están enrolladas con el mismo paso o número de cables por pulgada. Los devanados de los cables de la rejilla de control y de la pantalla están alineados de modo que la rejilla de la pantalla esté en la "sombra" de la rejilla de control. Las dos rejillas se colocan de modo que la rejilla de control cree "láminas" de electrones que pasan entre los cables de la rejilla de la pantalla.
La alineación de los cables de la red también ayuda a reducir la corriente de la pantalla, que representa energía desperdiciada. Este diseño ayuda a superar algunas de las barreras prácticas para diseñar tubos de potencia de alta potencia y alta eficiencia. Los ingenieros de EMI Cabot Bull y Sidney Rodda desarrollaron el diseño que se convirtió en el 6L6 , el primer tubo de potencia de haz popular, introducido por RCA en 1936 y más tarde tubos correspondientes en Europa, el KT66 , KT77 y KT88 fabricados por la subsidiaria Marconi-Osram Valve de GEC ( el KT que significa "Kinkless Tetrode").
El "funcionamiento en pentodo" de los tubos de potencia de haz se describe a menudo en los manuales y hojas de datos de los fabricantes, lo que genera cierta confusión en la terminología. Si bien no son estrictamente pentodos, su comportamiento eléctrico general es similar.
Las variaciones del diseño 6L6 todavía se utilizan ampliamente en los amplificadores de guitarra a válvulas, lo que la convierte en una de las familias de dispositivos electrónicos más longevas de la historia. Se utilizan estrategias de diseño similares en la construcción de grandes tetrodos de potencia cerámicos utilizados en transmisores de radio.
Los tubos de potencia de haz se pueden conectar como triodos para mejorar la calidad tonal del audio, pero en el modo triodo ofrecen una salida de potencia significativamente reducida.
Tubos llenos de gas [ editar ]
Los tubos llenos de gas , como los tubos de descarga y los tubos de cátodo frío, no son tubos de vacío duros , aunque siempre están llenos de gas a una presión atmosférica inferior al nivel del mar. Los tipos como el tubo regulador de voltaje y el tiratrón se asemejan a tubos de vacío rígidos y encajan en enchufes 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 todavía pueden denominarse "tubos de electrones", ya que realizan funciones electrónicas. Los rectificadores de alta potencia utilizan vapor de mercurio para lograr una caída de voltaje directa más baja que los tubos de alto vacío.
Tubos en miniatura [ editar ]
Los primeros tubos usaban 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 [27] con las clavijas fusionadas en la base de vidrio del sobre. Esto se utilizó en el diseño de un contorno de tubo mucho más pequeño, conocido como tubo en miniatura, que tiene siete o nueve pines. Hacer los tubos más pequeños redujo el voltaje donde podían operar con seguridad y también redujo la disipación de energía 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 antiguos más grandes continuaron utilizándose especialmente como rectificadores de mayor potencia , en etapas de salida de audio de mayor potencia y como tubos de transmisión.
Tubos subminiatura [ editar ]
En una de las primeras computadoras digitales de propósito general , la Jaincomp-B, producida por Jacobs Instrument Company, se usaron tubos subminiatura con un tamaño aproximadamente del de medio cigarrillo , [28] [a] y aplicaciones para el consumidor como audición -amplificadores de ayuda. Estos tubos no tenían clavijas que se conectaran a un enchufe, pero estaban soldados en su lugar. El " tubo de bellota " (llamado así por su forma) también era muy pequeño, al igual que el nuvistor RCA con 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 hacerlo esos primeros transistores. El pequeño tamaño soportó especialmente la operación de alta frecuencia; Los nuvistores se utilizaron en transceptores de radio de aviones, sintonizadores de televisión UHF y algunos sintonizadores de radio FM de alta fidelidad (Sansui 500A) hasta que fueron reemplazados por transistores capaces de alta frecuencia.
Mejoras en la construcción y el rendimiento [ editar ]
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 sobres de vidrio y las bombas de vacío necesarias para evacuar los recintos. De Forest utilizó la bomba de desplazamiento de mercurio de Heinrich Geissler , que dejó un vacío parcial . El desarrollo de la bomba de difusión en 1915 y la mejora de Irving Langmuircondujo 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 operaron 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 apagado (alrededor de 700 ° C), que a su vez redujo la distorsión térmica de la estructura del tubo y permitió un espaciamiento 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 espacio entre la rejilla y el cátodo. Los filamentos desnudos de tungsteno se siguen utilizando en pequeños tubos de transmisión, pero son frágiles y tienden a fracturarse si se manipulan con brusquedad, por ejemplo, en los servicios postales. Estos tubos son los más adecuados para equipos estacionarios donde no hay impacto ni vibración. Con el tiempo, los tubos de vacío se hicieron mucho más pequeños.
Cátodos calentados indirectamente [ editar ]
El deseo de alimentar equipos electrónicos utilizando 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. La alimentación de los filamentos directamente desde un transformador de potencia introdujo zumbidos de frecuencia de red (50 o 60 Hz) en las etapas de audio. La invención del "cátodo equipotencial" redujo este problema, con los filamentos siendo alimentados por un devanado de transformador de potencia CA equilibrado que tiene una toma central conectada a tierra.
Una solución superior, y 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 un cátodo emisor de electrones y estaba eléctricamente aislado del filamento en su interior. . Los cátodos calentados indirectamente permiten que el circuito del cátodo se separe del circuito del calentador. El filamento, que ya no está conectado eléctricamente a los electrodos del tubo, pasó a ser conocido simplemente como un "calentador" y también podría ser alimentado por CA sin la introducción de zumbidos. [29]En la década de 1930, los tubos catódicos calentados indirectamente se generalizaron en equipos que utilizan energía CA. Los tubos de cátodo calentados directamente siguieron utilizándose ampliamente en equipos alimentados por baterías, ya que sus filamentos requerían considerablemente menos energía que los calentadores requeridos con cátodos calentados indirectamente.
Los tubos diseñados para aplicaciones de audio de alta ganancia pueden tener cables calefactores retorcidos para cancelar los campos eléctricos perdidos, campos que podrían inducir un zumbido desagradable en el material del programa.
Los calentadores se pueden energizar con corriente alterna (CA) o con corriente continua (CC). La CC se utiliza a menudo cuando se requiere un zumbido bajo.
Uso en computadoras electrónicas [ editar ]
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 la falla de los tubos fueron factores limitantes. [30] "La sabiduría común era que las válvulas, que, como las bombillas, contenían un filamento incandescente caliente, nunca podrían usarse satisfactoriamente en grandes cantidades, porque no eran confiables, y en una instalación grande, demasiadas fallarían en muy poco tiempo. hora". [31] Tommy Flowers , quien más tarde diseñó Colossus , "descubrió que, siempre que las válvulas estuvieran encendidas y dejadas encendidas, podían funcionar de manera confiable durante períodos muy largos, especialmente si sus 'calentadores' funcionaban con una corriente reducida". [31]En 1934 Flowers construyó una instalación experimental exitosa utilizando más de 3.000 tubos en pequeños módulos independientes; cuando fallaba un tubo, 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 las centrales telefónicas). Flowers también fue pionera en el uso de tubos como interruptores electrónicos muy rápidos (en comparación con los dispositivos electromecánicos) . El trabajo posterior confirmó que la falta de fiabilidad del tubo no era un problema tan grave como se creía en general; el ENIAC de 1946, con más de 17.000 tubos, tuvo una falla en el tubo (que tardó 15 minutos en localizarse) en promedio cada dos días. La calidad de los tubos fue un factor, y el desvío de personas capacitadas durante la Segunda Guerra Mundial redujo la calidad general de los tubos. [32] Durante la guerra, Colossus fue fundamental para romper los códigos alemanes. Después de la guerra, el desarrollo continuó con computadoras basadas en tubos, incluidas las computadoras militares ENIAC y Whirlwind , la Ferranti Mark 1 (una de las primeras computadoras electrónicas disponibles comercialmente) y UNIVAC I , también disponibles comercialmente.
Los avances en el uso de tubos subminiatura incluyeron la serie de máquinas Jaincomp producidas por Jacobs Instrument Company de Bethesda, Maryland. Modelos como su Jaincomp-B emplearon solo 300 tubos de este tipo en una unidad del tamaño de una computadora de escritorio que ofrecía un rendimiento que rivalizaba con muchas de las máquinas del tamaño de una habitación. [28]
Coloso [ editar ]
Flowers's Colossus y su sucesor Colossus Mk2 fueron construidos por los británicos durante la Segunda Guerra Mundial para acelerar sustancialmente la tarea de romper el cifrado alemán de alto nivel de Lorenz . Usando alrededor de 1.500 tubos de vacío (2.400 para Mk2), Colossus reemplazó una máquina anterior basada en la lógica de relés y conmutadores ( Heath Robinson ). Colossus pudo descifrar en cuestión de horas mensajes que anteriormente habían tardado varias semanas; también era mucho más confiable. [31] Colossus fue el primer uso de tubos de vacío trabajando en conjunto a una escala tan grande para una sola máquina. [31]
Una vez que se construyó e instaló Colossus, funcionó continuamente, alimentado por generadores diésel redundantes duales, y el suministro de red durante la guerra se consideró demasiado poco confiable. La única vez que se apagó fue para la conversión a Mk2, que agregó más tubos. Se construyeron otros nueve Colossus Mk2. Cada Mk2 consumió 15 kilovatios; la mayor parte de la energía era para los calentadores de tubo.
En 1996 se puso en marcha una reconstrucción de Colossus; se actualizó a la configuración Mk2 en 2004; encontró la clave para un texto cifrado alemán en tiempos de guerra en 2007. [33]
Tubos de torbellino y de "calidad especial" [ editar ]
Para cumplir con los requisitos de confiabilidad 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 vida útil corta se remonta en gran parte a la evaporación del silicio , utilizado en la aleación de tungsteno para facilitar el estiramiento del cable calefactor. El silicio forma ortosilicato de bario en la interfaz entre el manguito de níquel y el recubrimiento de óxido de bario del cátodo . [7] : 301 Esta "interfaz de cátodo" es una capa de alta resistencia (con alguna capacitancia paralela) que reduce en gran medida la corriente del cátodo cuando el tubo se cambia al modo de conducción. [34] : 224 Eliminación de silicio de la aleación de alambre calentador (y el reemplazo más frecuente del alambre de dibujo matrices ) permitió la producción de tubos que eran lo suficientemente fiable para el proyecto torbellino. Los revestimientos de cátodos y tubos de níquel de alta pureza libres de materiales como silicatos y aluminio que pueden reducir la emisividad también contribuyen a una vida útil prolongada del cátodo.
El primer "tubo de computadora" de este tipo fue el pentodo 7AK7 de Sylvania de 1948 (estos reemplazaron al 7AD7, que se suponía que era de mejor calidad que el 6AG7 estándar, pero resultó ser demasiado poco confiable). [35] : 59 Las computadoras fueron los primeros dispositivos de tubos en hacer funcionar los tubos en el corte (voltaje de rejilla negativo suficiente para hacer que cesen la conducción) durante períodos de tiempo bastante prolongados. El funcionamiento 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. [34] : 224 Los tubos 7AK7 mejoraron el problema del envenenamiento por cátodos, pero eso por sí solo fue insuficiente para lograr la confiabilidad requerida. [35] : 60Otras medidas incluyeron apagar el voltaje del calentador cuando los tubos no debían conducir durante períodos prolongados, encender y apagar el voltaje del calentador con una rampa lenta para evitar un choque térmico en el elemento calentador, [34] : 226 y pruebas de esfuerzo en los tubos. durante los períodos de mantenimiento fuera de línea para provocar una falla temprana de las unidades débiles. [35] : 60–61
Los tubos desarrollados para Whirlwind se utilizaron más tarde en el sistema informático gigante de defensa aérea SAGE . A fines de la década de 1950, era habitual que los tubos de pequeña señal de calidad especial duraran cientos de miles de horas si se operaban de manera conservadora. Esta mayor fiabilidad también hizo posibles los amplificadores de medio cable en cables submarinos .
Generación de calor y enfriamiento [ editar ]
Se produce una cantidad considerable de calor cuando funcionan los tubos, tanto del filamento (calentador) como de la corriente de electrones que bombardean la placa. En los amplificadores de potencia, esta fuente de calor es mayor que el calentamiento del cátodo. Algunos tipos de tubos permiten la operación con los ánodos a un calor rojo apagado; en otros tipos, el calor rojo indica una sobrecarga severa.
Los requisitos para la 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 podrían ser aún más grandes.
El calor escapa del dispositivo por radiación de cuerpo negro del ánodo (placa) como radiación infrarroja y por convección de aire sobre la envoltura del tubo. [36] 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 calentados directamente con filamento de 1,4 voltios diseñados para su uso en equipos alimentados por baterías, suelen tener ánodos de metal brillante. 1T4, 1R5 y 1A7 son ejemplos. Los tubos llenos de gas, como los tiratrones , también pueden usar un ánodo de metal brillante, ya que el gas presente dentro del tubo permite la convección de calor desde el ánodo hasta la carcasa de vidrio.
El ánodo a menudo se trata para que su superficie emita más energía infrarroja. Los tubos amplificadores de alta potencia están diseñados con ánodos externos que pueden enfriarse por convección, aire forzado o agua en circulación. El refrigerado por agua de 80 kg, 1,25 MW 8974 se encuentra entre los tubos comerciales más grandes disponibles en la actualidad.
En un tubo enfriado por agua, el voltaje del ánodo aparece directamente en la superficie del agua de enfriamiento, por lo que requiere que el agua sea un aislante eléctrico para evitar fugas de alto voltaje a través del agua de enfriamiento al 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 de 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. Los límites a la disipación de la rejilla de la pantalla, además de la disipación de la placa, se enumeran para los dispositivos de potencia. Si se exceden, es probable que falle el tubo.
Paquetes de tubo [ editar ]
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 usó un sobre de metal sellado con cuentas de vidrio, mientras que en versiones posteriores se usó un disco de vidrio fusionado al metal. El metal y la cerámica se utilizan casi exclusivamente para tubos de potencia de disipación superior a 2 kW. El nuvistor era un tubo receptor moderno que usaba un paquete de metal y cerámica muy pequeño.
Los elementos internos de los tubos siempre se han conectado a circuitos externos a través de pines en su base que se conectan a un enchufe. Los tubos subminiatura se produjeron utilizando cables conductores en lugar de enchufes, sin embargo, estos se restringieron a aplicaciones bastante especializadas. Además de las conexiones en la base del tubo, muchos de los primeros triodos conectaban la rejilla usando una tapa de metal en la parte superior del tubo; esto reduce la capacitancia parásita entre la rejilla y los cables de la placa. También se utilizaron tapas de tubos para la conexión de la placa (ánodo), particularmente en la transmisión de tubos y tubos que utilizan un voltaje de placa muy alto.
Los tubos de alta potencia, como los tubos transmisores, tienen paquetes diseñados más para mejorar la transferencia de calor. En algunos tubos, la envoltura de metal 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 así. 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 enfriado por agua forzada capaz de disipar 2,5 megavatios. [37] En comparación, el transistor de potencia más grande solo puede disipar alrededor de 1 kilovatio.
Nombres [ editar ]
El nombre genérico "válvula [termoiónica]" utilizado en el Reino Unido deriva del flujo de corriente unidireccional permitido por el dispositivo más antiguo, el diodo termoiónico que emite electrones de un filamento calentado, por analogía con una válvula de retención en una tubería de agua. [38] Los nombres estadounidenses "tubo de vacío", "tubo de electrones" y "tubo termoiónico" describen simplemente 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 los tubos designaciones que no decían nada sobre su propósito (por ejemplo, 1614). En los primeros días, algunos fabricantes usaban nombres de propiedad que podían transmitir cierta información, pero solo sobre sus productos; el KT66 y el KT88 eran "tetrodos sin pliegues". Posteriormente, a los tubos de consumo se les dio nombres que transmitían alguna información, con el mismo nombre que a menudo utilizan de forma genérica varios fabricantes. En los EE. UU., Designaciones de la Asociación de Fabricantes de Radioelectrónicos y Televisión (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 un tubo en particular pero no dicen nada sobre su estructura; y el número final es el número total de electrodos (sin distinguir entre, digamos, un tubo con muchos electrodos o dos juegos 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 calentador) con un calentador de 12,6 V (que, como sucede, también se puede conectar para funcionar desde 6,3 V). El "AX" no tiene otro significado que el de designar este tubo en particular según sus características. Tubos similares, pero no idénticos, son el 12AD7, 12AE7 ... 12AT7, 12AU7, 12AV7, 12AW7 (¡raro!), 12AY7 y 12AZ7.
Un sistema ampliamente utilizado en Europa conocido como la designación de tubo Mullard-Philips , también extendido a transistores, usa una letra seguida de una o más letras 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 enchufe (primer dígito) y el tubo en particular (dígitos restantes). Por ejemplo, el ECC83 (equivalente al 12AX7) es un triodo doble (CC) de 6.3V (E) con una base en miniatura (8). En este sistema, los tubos de calidad especial (p. Ej., Para un uso prolongado de la computadora) se indican moviendo el número inmediatamente después de la primera letra: el E83CC es un equivalente de calidad especial del ECC83, el E55L un pentodo de potencia sin equivalente para el consumidor .
Tubos para usos especiales [ editar ]
Algunos tubos de uso especial se construyen con gases particulares en la envoltura. Por ejemplo, los tubos reguladores de voltaje contienen varios gases inertes como argón , helio o neón , que se ionizan a voltajes predecibles. El thyratrones 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 como 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 "encaja" en la conducción. La eliminación del voltaje del ánodo (placa) permite que el gas se desionice, restaurando su estado no conductor.
Algunos tiratrones pueden transportar grandes corrientes para su tamaño físico. Un ejemplo es el modelo 2D21 en miniatura, que a menudo se ve en las máquinas de discos de la década de 1950 como interruptores de control para relés . Una versión de cátodo frío del thyratron, que usa un charco de mercurio para su cátodo, se llama ignitron ; algunos pueden cambiar miles de amperios. Los tiratrones que contienen hidrógeno tienen un retraso de tiempo muy constante entre su pulso de activación y la conducción completa; se comportan de forma muy parecida 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 krytrones se utilizan para iniciar las detonaciones que se utilizan para hacer estallar un arma nuclear ; Los krytrones están fuertemente controlados a nivel internacional.
Los tubos de rayos X se utilizan en imágenes médicas, entre otros usos. Los tubos de rayos X utilizados para el funcionamiento continuo en equipos de fluoroscopia y de formación de imágenes por TC pueden utilizar un cátodo enfocado y un ánodo giratorio para disipar las grandes cantidades de calor generadas de ese modo. Estos están 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 imágenes 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 llenó con mercurio y el tubo se usó como un interruptor de corriente muy alta. Se colocó un gran potencial de corriente entre el ánodo y el cátodo del tubo, pero solo se le permitió conducir cuando el encendedor en contacto con el mercurio tenía suficiente corriente para vaporizar el mercurio y completar el circuito. Debido a que esto se usó en la soldadura por resistencia, había dos Ignatrons para las dos fases de un circuito de CA. Debido al mercurio en la parte inferior del tubo, fueron extremadamente difíciles de enviar. Estos tubos fueron finalmente reemplazados por SCR (rectificadores controlados por silicio).
Encendido del tubo [ editar ]
Baterías [ editar ]
Las baterías proporcionaban los voltajes requeridos por los tubos en los primeros aparatos de radio. Tres voltajes diferentes generalmente se requiere, el uso de tres baterías diferentes designados como la A , B , y C de la batería. La batería "A" o la batería LT (de baja tensión) proporcionó el voltaje del filamento. Los calentadores de tubo se diseñaron para baterías de plomo-ácido de celda simple, doble o triple , con voltajes nominales del calentador de 2 V, 4 V o 6 V. En radios portátiles, a veces se usaban baterías secas con calentadores de 1,5 o 1 V. La reducción del consumo de filamentos 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 10 mA para los calentadores. [39]
El alto voltaje aplicado al ánodo (placa) fue proporcionado por la batería "B" o la fuente o batería HT (alta tensión). Estos eran generalmente de construcción de celda seca y por lo general venían en versiones de 22,5, 45, 67,5, 90, 120 o 135 voltios. Después de que se eliminó el uso de baterías B y se empleó la energía de línea rectificada para producir el alto voltaje que necesitan las placas de los tubos, el término "B +" persistió en los EE. UU. Cuando se refiere a la fuente de alto voltaje. La mayor parte del resto del mundo de habla inglesa se refiere a esta oferta simplemente como HT (alta tensión).
Los primeros conjuntos usaban una batería de polarización de la red o una batería "C" que se conectaba para proporcionar un voltaje negativo . Dado que no fluye corriente a través de la conexión a la red de un tubo, estas baterías no consumieron corriente y duraron más tiempo, generalmente limitadas por su propia vida útil. El suministro de la batería de polarización de la red rara vez, o nunca, se desconectaba cuando la radio estaba apagada. Incluso después de que las fuentes de alimentación de CA se convirtieron en algo común, algunos aparatos de radio continuaron construyéndose con baterías C, ya que casi nunca necesitarían reemplazarse. Sin embargo, se diseñaron circuitos más modernos utilizando polarización catódica., 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 resistor / capacitor que reemplazó a los transformadores intermedios anteriores.
La "batería C" para polarización es una designación que no tiene relación con el tamaño de la batería de " celda C " .
Energía CA [ editar ]
El reemplazo de la batería fue un costo operativo importante para los primeros usuarios de receptores de radio. El desarrollo del eliminador de batería y, en 1925, los receptores sin batería operados por energía doméstica , redujeron los costos operativos y contribuyeron a la creciente popularidad de la radio. Una fuente de alimentación que utiliza un transformador con varios devanados, uno o más rectificadores (que pueden ser tubos de vacío) y grandes condensadores de filtro proporcionan los voltajes de corriente continua necesarios de la fuente de corriente alterna.
Como medida de reducción de costos, especialmente en receptores de consumo de gran volumen, todos los calentadores de tubo podrían conectarse en serie a través del suministro de CA utilizando calentadores que requieran la misma corriente y con un tiempo de calentamiento similar. En uno de esos diseños, un toque en la cuerda del calentador del tubo suministró los 6 voltios necesarios para la luz del dial. Al derivar el alto voltaje de un rectificador de media onda directamente conectado 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 AC / DC . Muchos fabricantes de radios AM de consumidores estadounidenses de la época usaban un circuito prácticamente idéntico, dado el sobrenombre de All American Five .
Cuando el voltaje de la red eléctrica estaba en el rango de 100-120 V, este voltaje limitado resultó adecuado solo para receptores de baja potencia. Los receptores de televisión requerían un transformador o podían usar un circuito de duplicación de voltaje . Cuando se utiliza una tensión de red nominal de 230 V, los receptores de televisión también pueden prescindir de un transformador de potencia.
Fuentes de alimentación sin transformador requieren precauciones de seguridad en su diseño para limitar el riesgo de descarga eléctrica a los usuarios, tales como armarios aislados eléctricamente y un bloqueo de atar el cable de alimentación a la parte posterior del gabinete, por lo que el cable de la línea se desconectó necesariamente si la persona usuario o servicio abierto La cabina. Un cable tramposo era un cable de alimentación que terminaba en el enchufe especial utilizado por el enclavamiento de seguridad; los técnicos de servicio podrían 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 a través de sus tubos incluso cuando el aparato estaba nominalmente apagado. Al encenderlo, se proporcionó una corriente de calentamiento completa y el televisor se reproduciría casi de inmediato.
Fiabilidad [ editar ]
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 para emitir electrones. Los gases atrapados o las fugas lentas de gas también pueden dañar el cátodo o hacer que la corriente de la placa (ánodo) se escape 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. Dependiendo del 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 manera similar a una lámpara incandescente. filamentos, 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. Un dispositivo de coeficiente de temperatura negativo, como un termistor, se puede incorporar en el suministro del calentador del equipo o se puede emplear un circuito de aceleración para permitir que el calentador o los filamentos alcancen la temperatura de funcionamiento más gradualmente que si se enciende en una función escalonada. Las radios de bajo costo tenían tubos con calentadores conectados en serie, con un voltaje total igual al de la línea (red). Algunos receptores fabricados antes de la Segunda Guerra Mundial tenían calentadores de cadena en serie con un voltaje total menor que el de la red. Algunos tenían un cable de resistencia a lo largo del cable de alimentación para reducir el voltaje a los tubos. Otros tenían resistencias en serie hechas como tubos regulares; se llamaron tubos de lastre.
Después de la Segunda Guerra Mundial, los tubos destinados a ser utilizados en series de cadenas de calentadores se rediseñaron 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 calentaron más rápido también tuvieron temporalmente una mayor resistencia, debido a su coeficiente de temperatura positivo. Esta resistencia desproporcionada hizo que operaran temporalmente con voltajes del calentador muy por encima de sus valores nominales y acortó su vida útil.
Otro problema importante de fiabilidad es causado por una fuga de aire en el tubo. Por lo general, el oxígeno del aire reacciona químicamente con el filamento o cátodo caliente, arruinándolo rápidamente. Los diseñadores desarrollaron diseños de tubos que sellaban de manera confiable. Por eso, la mayoría de los tubos estaban hechos de vidrio. Se habían desarrollado aleaciones metálicas (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, mientras se pasaban los cables de conexión a través del vidrio hasta los electrodos.
Cuando un tubo de vacío se sobrecarga o se opera más allá de su disipación de diseño, su ánodo (placa) puede brillar en rojo. En los equipos de consumo, una placa incandescente es universalmente un signo de un tubo sobrecargado. Sin embargo, algunos tubos transmisores grandes están diseñados para operar con sus ánodos en rojo, naranja o, en raras ocasiones, blanco.
A menudo se fabricaban versiones de "calidad especial" de tubos estándar, diseñadas para mejorar el rendimiento en algún aspecto, como un cátodo de mayor duración, construcción de bajo ruido, robustez mecánica a través de filamentos reforzados, baja microfonía, para aplicaciones donde el tubo gastará gran parte de su vida útil. tiempo de corte, 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). [40]
La vida útil de la válvula más larga registrada se obtuvo con una válvula pentodo Mazda AC / P (número de serie 4418) en funcionamiento en el principal transmisor de la BBC de Irlanda del Norte en Lisnagarvey. La válvula estuvo en servicio desde 1935 hasta 1961 y tuvo una vida útil registrada de 232,592 horas. La BBC mantuvo registros meticulosos de la vida de sus válvulas con devoluciones periódicas a sus almacenes centrales de válvulas. [41] [42]
Vacío [ editar ]
Un tubo de vacío necesita un vacío extremadamente bueno ("duro") para evitar las consecuencias de generar iones positivos dentro del tubo. Con una pequeña cantidad de gas residual, algunos de esos átomos pueden ionizarse cuando son golpeados por un electrón y crear campos que afectan negativamente las características del tubo. Cantidades mayores de gas residual pueden crear una descarga luminosa visible autosostenida entre los elementos del tubo. [ cita requerida ] Para evitar estos efectos, la presión residual dentro del tubo debe ser lo suficientemente baja como para que el camino libre mediode un electrón es mucho más largo que el tamaño del tubo (por lo que es poco probable que un electrón golpee un átomo residual y muy pocos átomos ionizados estarán presentes). Los tubos de vacío comerciales se evacuan en el momento de la fabricación a aproximadamente 0,000001 mmHg (1,0 x 10 −6 Torr; 130 μPa; 1,3 x 10 −6 mbar; 1,3 x 10 −9 atm). [43]
Para evitar que los gases comprometan el vacío del tubo, los tubos modernos se construyen con " captadores ", que suelen ser pequeños canales circulares llenos de metales que se oxidan rápidamente, siendo el bario el más común. Mientras se evacúa la envoltura del tubo, las partes internas, excepto el getter, se calientan mediante calentamiento por inducción de RF. para desarrollar cualquier gas restante de las partes metálicas. Luego, el tubo se sella y el getter se calienta a una temperatura alta, nuevamente mediante calentamiento por inducción de radiofrecuencia, lo que hace que el material getter se vaporice y reaccione con cualquier gas residual. El vapor se deposita en el interior del sobre de vidrio, dejando un parche metálico de color plateado que continúa absorbiendo pequeñas cantidades de gas que pueden filtrarse al interior del tubo durante su vida útil. Se tiene mucho cuidado con el diseño de la válvula para asegurar que este material no se deposite en ninguno de los electrodos de trabajo. Si un tubo presenta una fuga grave en el sobre, este depósito se vuelve blanco al reaccionar con el oxígeno atmosférico . Los tubos de transmisión grandes y especializados a menudo utilizan materiales getter más exóticos, como el circonio.. Los primeros tubos captadores utilizaban captadores a base de 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 de fósforo fue de corta duración y fue rápidamente reemplazado por captadores de bario superiores. A diferencia de los captadores de bario, el fósforo no absorbió más gases una vez disparado.
Los captadores actúan combinándose químicamente con gases residuales o infiltrantes, pero no pueden contrarrestar los gases inertes (no reactivos). Un problema conocido, que afecta principalmente a válvulas con grandes envolturas, como tubos de rayos catódicos y tubos de cámaras, como iconoscopios , orticones y orticones de imagen , proviene de la infiltración de helio. [ cita requerida ]El efecto aparece como un funcionamiento deteriorado o ausente, y como un brillo difuso a lo largo de la corriente de electrones dentro del tubo. Este efecto no se puede rectificar (salvo la re-evacuación y el resellado), y es responsable de que los ejemplos prácticos de tales tubos se vuelvan cada vez más raros. Los tubos sin usar ("Stock antiguo nuevo") 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.
Tubos transmisores [ editar ]
Los tubos transmisores grandes tienen filamentos de tungsteno carbonizado que contienen una pequeña traza (1% a 2%) de torio . Una capa extremadamente delgada (molecular) de átomos de torio se forma en el exterior de la capa carbonizada del alambre y, cuando se calienta, sirve como una fuente eficiente de electrones. El torio se evapora lentamente de la superficie del alambre, mientras que nuevos átomos de torio se difunden hacia la superficie para reemplazarlos. Estos cátodos de tungsteno toriados suelen tener una vida útil de decenas de miles de horas. El escenario del final de la vida útil de un filamento de tungsteno toriado es cuando la capa carbonizada se ha convertido en su mayoría 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 final 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 desde un klystron de cavidad externa Eimac en el circuito visual de su transmisor; esta es la vida útil más alta documentada para este tipo de tubo. [44] Se ha dicho [ ¿quién? ]que los transmisores con tubos de vacío son más capaces de sobrevivir a los rayos que los transmisores de transistores. Si bien se creía comúnmente que a niveles de potencia de RF superiores a aproximadamente 20 kilovatios, los tubos de vacío eran más eficientes que los circuitos de estado sólido, este ya no es el caso, especialmente en el servicio de onda media (transmisión de AM) donde los transmisores de estado sólido en casi todos los niveles de potencia tienen una eficiencia considerablemente mayor. Los transmisores de radiodifusión de 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 de tubo.
Recibiendo tubos [ editar ]
Los cátodos en pequeños tubos "receptores" se recubren con una mezcla de óxido de bario y óxido de estroncio , a veces con la adición de óxido de calcio u óxido de aluminio . Se inserta un calentador eléctrico en el manguito del cátodo y se aísla eléctricamente de él mediante una capa de óxido de aluminio. Esta compleja construcción hace que los átomos de bario y estroncio se difundan a la superficie del cátodo y emitan electrones cuando se calientan a aproximadamente 780 grados Celsius.
Modos de falla [ editar ]
Fallos catastróficos [ editar ]
Una falla catastrófica es aquella que repentinamente inutiliza el tubo de vacío. Una grieta en el sobre de vidrio permitirá que entre aire en el tubo y lo destruirá. Las grietas pueden resultar de la tensión en el vidrio, pasadores doblados o impactos; Los casquillos de los tubos deben permitir la expansión térmica para evitar tensiones en el vidrio en las clavijas. La tensión puede acumularse si una pantalla metálica u otro objeto presiona la envoltura del tubo y provoca un calentamiento diferencial del vidrio. El vidrio también puede dañarse por los arcos de alto voltaje.
Los calentadores de tubo también pueden fallar sin previo aviso, especialmente si se exponen a sobretensión o como resultado de defectos de fabricación. Los calentadores de tubo normalmente no fallan por evaporación como los filamentos de las lámparas, ya que funcionan a temperaturas mucho más bajas. El aumento de la corriente de irrupción cuando el calentador se energiza por primera vez causa tensión en el calentador y se puede evitar calentando lentamente los calentadores, aumentando gradualmente la corriente con un termistor NTCincluido en el circuito. Los tubos destinados al funcionamiento en serie de los calentadores a través del suministro tienen un tiempo de calentamiento controlado especificado para evitar el exceso de voltaje en algunos calentadores mientras otros se calientan. Los cátodos de tipo filamento calentados directamente, como los que se utilizan en los tubos que funcionan con batería o algunos rectificadores, pueden fallar si el filamento se hunde, provocando un arco interno. El voltaje excesivo del calentador al cátodo en cátodos calentados indirectamente puede romper el aislamiento entre los elementos y destruir el calentador.
La formación de arco entre los elementos del tubo puede destruir el tubo. Se puede producir un arco al aplicar voltaje al ánodo (placa) antes de que el cátodo haya alcanzado la temperatura de funcionamiento, o al extraer un exceso de corriente a través de un rectificador, lo que daña el revestimiento de emisión. Los arcos también pueden iniciarse por cualquier material suelto dentro del tubo o por un exceso de voltaje de la pantalla. Un arco dentro del tubo permite que el gas se desarrolle a partir de los materiales del tubo y puede depositar material conductor en los espaciadores aislantes internos. [45]
Los rectificadores de tubo tienen una capacidad de corriente limitada y los valores nominales superiores eventualmente destruirán un tubo.
Fallos degenerativos [ editar ]
Los fallos degenerativos son los provocados por el lento deterioro del rendimiento a lo largo del tiempo.
El sobrecalentamiento de las piezas internas, como las rejillas de control o los aisladores espaciadores de mica, puede provocar que el gas atrapado se escape al interior del tubo; esto puede reducir el rendimiento. Un getterse utiliza para absorber los gases desprendidos durante el funcionamiento del tubo, pero tiene una capacidad limitada para combinarse con el gas. El control de la temperatura de la envolvente evita algunos tipos de gaseado. Un tubo con un nivel inusualmente alto de gas interno puede exhibir un resplandor azul visible cuando se aplica voltaje de placa. El absorbente (al ser un metal altamente reactivo) es efectivo contra muchos gases atmosféricos pero no tiene (o es muy limitada) reactividad química a gases inertes como el helio. Un tipo de falla progresiva, especialmente con envolturas físicamente grandes como las que utilizan los tubos de las cámaras y los tubos de rayos catódicos, proviene de la infiltración de helio. El mecanismo exacto no está claro: los sellos de entrada de metal a vidrio son un posible sitio de infiltración.
El gas y los iones dentro del tubo contribuyen a la corriente de la red que puede perturbar el funcionamiento de un circuito de tubo de vacío. Otro efecto del sobrecalentamiento es el depósito lento de vapores metálicos en los espaciadores internos, lo que resulta en fugas entre elementos.
Los tubos en espera durante períodos prolongados, con el voltaje del calentador aplicado, pueden desarrollar una alta resistencia en la interfaz del cátodo y mostrar características de emisión deficientes. Este efecto ocurrió especialmente en circuitos digitales y de pulso , donde los tubos no tenían corriente de placa fluyendo durante períodos prolongados. Se fabricaron tubos diseñados específicamente para este modo de funcionamiento.
El agotamiento del cátodo es la pérdida de emisión después de miles de horas de uso normal. A veces, la emisión se puede restaurar por un tiempo aumentando el voltaje del calentador, ya sea por un tiempo corto o con un aumento permanente de un pequeño porcentaje. El agotamiento de los cátodos era poco común en los tubos de señal, pero era una causa frecuente de falla de los tubos de rayos catódicos de televisión monocromáticos . [46] La vida útil de este costoso componente a veces se extendió instalando un transformador de refuerzo para aumentar el voltaje del calentador.
Otras fallas [ editar ]
Los tubos de vacío pueden desarrollar defectos de funcionamiento que hagan que un tubo individual no sea adecuado para un dispositivo determinado, aunque puede funcionar satisfactoriamente en otra aplicación. La microfónica se refiere a las vibraciones internas de los elementos del tubo que modulan la señal del tubo de una manera indeseable; La captación de sonido o vibración puede afectar las señales, o incluso causar aullidos incontrolados si se desarrolla una ruta de retroalimentación (con una ganancia mayor que la unidad) entre un tubo microfónico y, por ejemplo, un altavoz. La corriente de fuga entre los calentadores de CA y el cátodo puede acoplarse al circuito, o los electrones emitidos directamente desde los extremos del calentador también pueden inyectar zumbidos en la señal. La corriente de fuga debida a la contaminación interna también puede inyectar ruido. [47]Algunos de estos efectos hacen que las válvulas no sean adecuadas para el uso de audio de pequeña señal, aunque no objetables para otros fines. Seleccionar lo mejor de un lote de tubos nominalmente idénticos para aplicaciones críticas puede producir mejores resultados.
Los pasadores de tubo pueden desarrollar películas superficiales no conductoras o de alta resistencia debido al calor o la suciedad. Los pines se pueden limpiar para restaurar la conductancia.
Probando [ editar ]
Los tubos de vacío se pueden probar fuera de sus circuitos utilizando un probador de tubos de vacío.
Otros dispositivos de tubo de vacío [ editar ]
La mayoría de los dispositivos de tubo de vacío de señal pequeña han sido reemplazados por semiconductores, pero algunos dispositivos electrónicos de tubo de vacío todavía son de uso común. El magnetrón es el tipo de tubo que se utiliza en todos los hornos microondas . A pesar del avance del estado de la técnica en la tecnología de semiconductores de potencia, el tubo de vacío todavía presenta ventajas de fiabilidad y coste para la generación de potencia de RF de alta frecuencia.
Algunos tubos, como los magnetrones , los tubos de ondas viajeras , los carcinotrones y los klistrones , combinan efectos magnéticos y electrostáticos. Estos son generadores de RF eficientes (generalmente de banda estrecha) y todavía se utilizan en radares , hornos microondas y calefacción industrial. Los tubos de ondas viajeras (TWT) son muy buenos amplificadores e incluso se utilizan en algunos satélites de comunicaciones. Los tubos amplificadores klystron de alta potencia pueden proporcionar cientos de kilovatios en el rango de UHF.
Tubos de rayos catódicos [ editar ]
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El tubo de rayos catódicos (CRT) es un tubo de vacío que se utiliza especialmente con fines de visualización. Aunque todavía hay muchos televisores y monitores de computadora que utilizan tubos de rayos catódicos, están siendo reemplazados rápidamente por pantallas planas cuya calidad ha mejorado enormemente a pesar de que sus precios bajan. Esto también es cierto para los osciloscopios digitales (basados en computadoras internas y convertidores de analógico a digital ), aunque los osciloscopios analógicos tradicionales (que dependen de los CRT) continúan produciéndose, son económicos y los preferidos por muchos técnicos. [ cita requerida ] En un momento, muchas radios usaban " tubos de ojo mágico ", un tipo especializado de CRT que se usaba en lugar de unmovimiento del medidor para indicar la fuerza de la señal o el nivel de entrada en una grabadora. Un dispositivo indicador moderno, la pantalla fluorescente de vacío (VFD) es también una especie de tubo de rayos catódicos.
El tubo de rayos X es un tipo de tubo de rayos catódicos que genera rayos X cuando los electrones de alto voltaje golpean el ánodo.
Los gyrotrones o máseres de vacío, que se utilizan para generar ondas de banda milimétrica de alta potencia, son tubos de vacío magnéticos en los que se utiliza un pequeño efecto relativista , debido al alto voltaje, para agrupar los electrones. Los gyrotrones pueden generar potencias muy altas (cientos de kilovatios). Los láseres de electrones libres , utilizados para generar luz coherente de alta potencia e incluso rayos X , son tubos de vacío altamente relativistas impulsados por aceleradores de partículas de alta energía. Por lo tanto, estos son tipos de tubos de rayos catódicos.
Multiplicadores de electrones [ editar ]
Un fotomultiplicador es un fototubo cuya sensibilidad aumenta considerablemente mediante el uso de la multiplicación de electrones. Esto funciona según el principio de emisión secundaria , mediante el cual un solo electrón emitido por el fotocátodo golpea un tipo especial de ánodo conocido como dinodo, lo que hace que se liberen más electrones de ese dinodo. Estos electrones se aceleran hacia otro dinodo a un voltaje más alto, liberando más electrones secundarios; hasta 15 de estas etapas proporcionan una amplificación enorme. A pesar de los grandes avances en los fotodetectores de estado sólido, la capacidad de detección de fotón único de los tubos fotomultiplicadores hace que este dispositivo de tubo de vacío se destaque en ciertas aplicaciones. Un tubo de este tipo también se puede utilizar para la detección deradiación ionizante como alternativa al tubo Geiger-Müller (en sí mismo no es un tubo de vacío real). Históricamente, el tubo de la cámara de televisión de imagen orthicon ampliamente utilizado en los estudios de televisión antes del desarrollo de las modernas matrices de CCD también utilizaba la multiplicación de electrones en varias etapas.
Durante décadas, los diseñadores de tubos de electrones intentaron aumentar los tubos amplificadores con multiplicadores de electrones para aumentar la ganancia, pero estos sufrieron de corta vida porque el material utilizado para los dínodos "envenenaba" el cátodo caliente del tubo. (Por ejemplo, el interesante tubo de emisión secundaria RCA 1630 se comercializó, pero no duró mucho). Sin embargo, finalmente, Philips de los Países Bajos desarrolló el tubo EFP60 que tenía una vida útil satisfactoria y se utilizó en al menos un producto, un pulso de laboratorio. generador. En ese momento, sin embargo, los transistores estaban mejorando rápidamente, haciendo que tales desarrollos fueran superfluos.
Una variante denominada "multiplicador de electrones de canal" no utiliza dinodos individuales sino que consiste en un tubo curvo, como una hélice, recubierto por dentro con material con buena emisión secundaria. Un tipo tenía una especie de embudo para capturar los electrones secundarios. El dínodo continuo era resistivo y sus extremos estaban conectados a suficiente voltaje para crear repetidas cascadas de electrones. La placa de microcanal consta de una matriz de multiplicadores de electrones de una sola etapa sobre un plano de imagen; varios de estos se pueden apilar. Esto se puede utilizar, por ejemplo, como un intensificador de imágenes en el que los canales discretos sustituyen al enfoque.
Tektronix fabricó un osciloscopio CRT de banda ancha de alto rendimiento con una placa multiplicadora de electrones de canal detrás de la capa de fósforo. Esta placa era un conjunto de una gran cantidad de tubos cem individuales cortos que aceptaban un haz de baja corriente y lo intensificaban para proporcionar una pantalla de brillo práctico. (La óptica electrónica del cañón de electrones de banda ancha no podía proporcionar suficiente corriente para excitar directamente el fósforo).
Tubos de vacío en el siglo XXI [ editar ]
Aplicaciones de nicho [ editar ]
Aunque los tubos de vacío han sido reemplazados en gran medida por dispositivos de estado sólido en la mayoría de las aplicaciones de amplificación, conmutación y rectificación, existen ciertas excepciones. Además de las funciones especiales mencionadas anteriormente, los tubos todavía [actualizar]tienen algunas aplicaciones de nicho.
En general, los tubos de vacío son mucho menos susceptibles que los componentes de estado sólido correspondiente a sobretensiones transitorias, tales como tensión de red sobretensiones o un rayo, el pulso electromagnético efecto de explosiones nucleares , [48] o tormentas geomagnéticas producidas por erupciones solares gigantes. [49] Esta propiedad los mantuvo en uso para ciertas aplicaciones militares mucho después de que la tecnología de estado sólido más práctica y menos costosa estuviera disponible para las mismas aplicaciones, como por ejemplo con el MiG-25 . [48] En ese avión, la potencia de salida del radar es de aproximadamente un kilovatio y puede quemar a través de un canal bajo interferencia. [ cita requerida]
Los tubos de vacío todavía están [ ¿cuándo? ] alternativas prácticas a los dispositivos de estado sólido para generar alta potencia en radiofrecuencias en aplicaciones tales como calefacción industrial por radiofrecuencia , aceleradores de partículas y transmisores de radiodifusión . Esto es particularmente cierto en las frecuencias de microondas, donde dispositivos como el klistrón y el tubo de ondas viajeras proporcionan amplificación a niveles de potencia inalcanzables con los [actualizar]dispositivos semiconductores actuales . El horno de microondas doméstico utiliza un tubo de magnetrón para generar de manera eficiente cientos de vatios de potencia de microondas. Dispositivos de estado sólido comoEl nitruro de galio son reemplazos prometedores, pero son muy costosos y aún [ ¿cuándo? ] en desarrollo.
En aplicaciones militares, un tubo de vacío de alta potencia puede generar una señal de 10 a 100 megavatios que puede quemar la interfaz de un receptor desprotegido. Dichos dispositivos se consideran armas electromagnéticas no nucleares; Fueron introducidos a fines de la década de 1990 tanto por Estados Unidos como por Rusia. [ cita requerida ]
Audiófilos [ editar ]
Hay suficientes personas que prefieren el sonido a válvulas para que los amplificadores de válvulas sean comercialmente viables en tres áreas: amplificadores de instrumentos musicales (p. Ej., Guitarra), dispositivos utilizados en estudios de grabación y equipos para audiófilos . [52]
Muchos guitarristas prefieren usar amplificadores de válvulas a los modelos de estado sólido, a menudo debido a la forma en que tienden a distorsionar cuando están saturados. [53] Cualquier amplificador solo puede amplificar con precisión una señal a un cierto volumen; pasado este límite, el amplificador comenzará a distorsionar la señal. Diferentes circuitos distorsionarán la señal de diferentes maneras; algunos guitarristas prefieren las características de distorsión de las válvulas de vacío. Los modelos vintage más populares usan tubos de vacío. [ cita requerida ]
Muestra [ editar ]
Tubo de rayos catódicos [ editar ]
El tubo de rayos catódicos fue la tecnología de visualización dominante para televisores y monitores de computadora a principios del siglo XXI. Sin embargo, los rápidos avances y la caída de los precios de la tecnología de pantalla plana LCD pronto reemplazaron a los CRT en estos dispositivos. [54] En 2010, la mayor parte de la producción de CRT había terminado. [55]
Pantalla fluorescente de vacío [ editar ]
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Una tecnología de visualización moderna que utiliza una variación del tubo de rayos catódicos se utiliza a menudo en grabadoras de videocasetes , reproductores y grabadoras de DVD, paneles de control de hornos microondas y tableros de instrumentos de automóviles. En lugar de escaneo de trama , estas pantallas fluorescentes de vacío (VFD) encienden y apagan las rejillas de control y los voltajes de ánodo, por ejemplo, para mostrar caracteres discretos. El VFD usa fósforo-Anodos revestidos como en otros tubos de rayos catódicos de visualización. Debido a que los filamentos están a la vista, deben operarse a temperaturas en las que el filamento no brille visiblemente. Esto es posible usando tecnología de cátodos más reciente, y estos tubos también operan con voltajes de ánodo bastante bajos (a menudo menos de 50 voltios) a diferencia de los tubos de rayos catódicos. Su alto brillo permite leer la pantalla a plena luz del día. Los tubos VFD son planos y rectangulares, además de relativamente delgados. Los fósforos típicos de VFD emiten un amplio espectro de luz blanca verdosa, lo que permite el uso de filtros de color, aunque diferentes fósforos pueden dar otros colores incluso dentro de la misma pantalla. El diseño de estos tubos proporciona un brillo brillante a pesar de la baja energía de los electrones incidentes. Esto se debe a que la distancia entre el cátodo y el ánodo es relativamente pequeña.(Esta tecnología es distinta deiluminación fluorescente , que utiliza un tubo de descarga ).
Tubos de vacío que utilizan emisores de electrones de campo [ editar ]
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En los primeros años del siglo XXI se ha renovado el interés por los tubos de vacío, esta vez con el emisor de electrones formado sobre un sustrato plano de silicio, como en la tecnología de circuitos integrados . Este tema ahora se llama nanoelectrónica de vacío. [56] El diseño más común utiliza un cátodo frío en forma de una fuente de electrones de campo de área grande (por ejemplo, una matriz de emisores de campo ). Con estos dispositivos, los electrones se emiten en campo desde un gran número de sitios de emisión individuales muy próximos.
Dichos microtubos integrados pueden encontrar aplicación en dispositivos de microondas , incluidos teléfonos móviles, para transmisión por Bluetooth y Wi-Fi , y en comunicaciones por radar y satélite . [ cita requerida ] A partir de 2012 [actualizar], se estaban estudiando para posibles aplicaciones en la tecnología de visualización de emisiones de campo , pero había problemas de producción importantes. [ cita requerida ]
A partir de 2014, se informó que el Centro de Investigación Ames de la NASA estaba trabajando en transistores de canal de vacío producidos utilizando técnicas CMOS. [57]
Características [ editar ]
Carga espacial de un tubo de vacío [ editar ]
El espacio entre el cátodo y el ánodo forma una nube que se conoce como "carga espacial".
VI característica del tubo de vacío [ editar ]
La característica VI depende del tamaño y material de la placa y el cátodo. [58] Exprese la relación entre la placa de voltaje y la corriente de la placa. [59]
- Curva VI (voltaje a través de filamentos, corriente de placa)
- Corriente de placa, características de voltaje de placa
- Resistencia de placa de CC de la placa: resistencia de la ruta entre el ánodo y el cátodo de corriente continua
- Resistencia de la placa de CA de la placa: resistencia de la ruta entre el ánodo y el cátodo de la corriente alterna
Tamaño del campo electrostático [ editar ]
El tamaño del campo electrostático es el tamaño entre dos o más placas en el tubo.
Patentes [ editar ]
- Patente de EE. UU. 803,684 - Instrumento para convertir corrientes eléctricas alternas en corrientes continuas (patente de válvula Fleming )
- Patente de EE. UU. 841,387: dispositivo para amplificar corrientes eléctricas débiles
- Patente de EE. UU. 879,532 : Audion de De Forest
Ver también [ editar ]
- Valor fantasma: cercano a los valores de los parámetros indicados por el fabricante
- Fetron: un reemplazo de estado sólido, compatible con tapones para tubos de vacío
- Lista de tubos de vacío: una lista de números de tipo.
- Lista de computadoras de tubo de vacío
- Designación del tubo de Mullard – Philips
- Tubo Nixie: un dispositivo de visualización lleno de gas que a veces se identifica erróneamente como un tubo de vacío.
- Designación del tubo RETMA
- Designación del tubo RMA
- Designaciones de tubos rusos
- Carrito de tubo
- Probador de tubos
- Amplificador de válvula
- Zetatron
Notas explicativas [ editar ]
- ^ El Jaincomp-B tenía solo 8+1/2″ × 21+1/4″ × 30 ″ y pesaba solo 110 libras, pero contenía 300 tubos de vacío subminiatura y ofrecía un rendimiento a la par con las computadoras digitales del tamaño de un edificio común en ese momento. [28]
Referencias [ editar ]
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Lectura adicional [ editar ]
- Eastman, Austin V., Fundamentos de los tubos de vacío , McGraw-Hill, 1949
- Millman, J. y Seely, S. Electronics , 2ª ed. McGraw-Hill, 1951.
- Biblioteca técnica de Philips. Libros publicados en el Reino Unido en las décadas de 1940 y 1950 por Cleaver Hume Press sobre diseño y aplicación de tubos de vacío.
- RCA. Manual del diseñador de Radiotron , 1953 (cuarta edición). Contiene capítulos sobre el diseño y la aplicación de tubos receptores.
- RCA. Receiving Tube Manual , RC15, RC26 (1947, 1968) Publicado cada dos años, contiene detalles de las especificaciones técnicas de los tubos que RCA vendió.
- Shiers, George, "The First Electron Tube", Scientific American, marzo de 1969, pág. 104.
- Spangenberg, Karl R. (1948). Tubos de vacío . McGraw-Hill. OCLC 567981 . LCC TK7872.V3 .
- Stokes, John, 70 Years of Radio Tubes and Valves , Vestal Press, Nueva York, 1982, págs. 3-9.
- Thrower, Keith, Historia de la válvula de radio británica hasta 1940 , MMA International, 1982, págs. 9-13.
- Tyne, Gerald, Saga of the Vacuum Tube , Ziff Publishing, 1943, (reimpresión 1994 Prompt Publications), págs. 30–83.
- Electrónica básica: volúmenes 1–5 ; Van Valkenburgh, Nooger & Neville Inc .; Editorial John F. Rider; 1955.
- Mundo inalámbrico. Manual del diseñador de radio . Reimpresión del Reino Unido de lo anterior.
- "Diseño de tubo de vacío" ; 1940; RCA.
Enlaces externos [ editar ]
 | Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Tubos de vacío . |
- Cómo construir un probador de tubos de vacío
- "El detector termoiónico" —HJ van der Bijl (octubre de 1919), Popular Science Monthly
- Cómo funcionan realmente los tubos de vacío : emisión termoiónica y teoría del tubo de vacío, utilizando una introducción a las matemáticas de nivel universitario.
- Preguntas frecuentes sobre el tubo de vacío: preguntas frecuentes de rec.audio
- La invención de la válvula termoiónica . Fleming descubre la válvula termoiónica (o de oscilación), o "diodo".
- "Tubos versus transistores: ¿Existe una diferencia audible?" —Artículo AES de 1972 sobre las diferencias audibles en la calidad del sonido entre los tubos de vacío y los transistores.
- El Museo de la Válvula Virtual
- El sitio del tubo de rayos catódicos
- Museo electrónico de O'Neill: museo de tubos de vacío
- Tubos de vacío para principiantes - Versión japonesa
- Base de datos de tubos NJ7P: manual de datos para los tubos utilizados en América del Norte.
- Localizador de hojas de datos de tubos de vacío
- Características y fichas técnicas
- Video de un operador de radio aficionado haciendo sus propios triodos de tubos de vacío
- Tuning de tubos oculares
- Película de archivo de la fábrica Mullard Blackburn
- Hojas de especificaciones de Western Electric para tubos de vacío y electrones de los años 40 y 50
