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ELECTRONICA I APUNTES DE LECCIONES LECCION 021

Introducción al Estudio de los Tubos al Vacío. Parte 1JORGE E. HERNANDEZ M. - INGENIERO ELECTRONICO –UNIVERSIDAD DISTRITAL FJC – BOGOTA - AGOSTO 2009

00. QUE SON LOS TUBOS O VALVULAS AL VACIO Un tubo al vacío, figura 1, es un dispositivo electrónico que se utiliza para amplificar, conmutar, modificar, crear

y, en general, manipular señales eléctricas mediante el control del movimiento de los electrones en un medio de muy baja presión, generalmente el vacío o un gas especialmente seleccionado. Los tubos al vacío se denominan también válvulas termoiónicas porque dependen primariamente para funcionar del fenómeno de la emisión termoiónica, reportado originalmente por F. Guthrie en 1873 pero observado en la práctica por Thomas A. Edison, quien lo patentó en 1884 como un descubrimiento suyo llamado “Efecto Edison” sin saber exactamente en que consistía. La explicación física del fenómeno la hizo J. J. Thomson en 1899 cuando descubrió el electrón. Otros nombres para el tubo al vacío son válvula electrónica, válvula de vacío, tubo electrónico y bulbo.

Figura 1. Aspecto físico de tubos al vacío clasicosmodernos

El primer diseño práctico de un tubo al vacío fue la llamada válvula de Fleming, un dispositivo de dos electrodos (diodo) desarrollada por John A. Fleming en 1904 que actuaba esencialmente como un rectificador y un detector. Dos años más tarde, en 1906, Lee De Forest desarrolló el Audion, figura 2, un dispositivo de tres electrodos(triodo) que actuaba esencialmente como un amplificador. El desarrollo y perfeccionamiento de estos dispositivos inició una verdadera revolución tecnológica en el campo de la electrónica aplicada, lo cual condujo a la expansión y comercialización de la radio, la televisión, el radar, los sistemas de reproducción del sonido, las grandes redes telefónicas, los computadores analógicos y digitales y la automatización industrial, entre otras aplicaciones. En opinión de muchos expertos, la invención del tubo al vacío, que dio comienzo a la era de la electrónica moderna, fue el desarrollo tecnológico a nivel de componentes más significativo del siglo XX, por encima del transistor y el circuito integrado.

1 ESTA INFORMACION ESTA BASADA EN LOS APUNTES DE 4º SEMESTRE DE LA MATERIA ELECTRONICA 1 DEL PENSUM DE INGENIERIA DE LA UNIVERSIDAD DISTRITAL FJC DE BOGOTA (COLOMBIA), COMPLEMENTADOS CON INFORMACION DE VARIAS FUENTES ON-LINE

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Figura 2. Estructura interna y aspecto físico de válvulas Audion

Los tubos o válvulas al vacío han sido reemplazados en la mayoría de aplicaciones modernas por dispositivos semiconductores de estado sólido, los cuales son mucho más pequeños, eficientes, confiables y económicos, y tienen una mayor vida útil y una mejor respuesta de frecuencia. Sin embargo, por razones de ingeniería o estéticas, todavía se utilizan tubos especializados en algunas aplicaciones. Por ejemplo, los dispositivos de salida empleados en transmisores de RF y amplificadores de audio de alta potencia son esencialmente tubos al vacío, figura 3a. Lo mismo los tubos de rayos catódicos (TRCs) empleados todavía en receptores de televisión, monitores de video y osciloscopios, los klystron usados radares, los magnetrones utilizados en hornos de microondas, etc. Actualmente existen también tubos al vacío especialmente diseñados para la recolección de energía solar, figura 3b.

..Figura 3.Aplicaciones modernas con tubos al vacío. (a) Amplificador de audio y (b) colectores de energía solar

CONSTRUCCION Y FUNCIONAMIENTO. EL DIODO AL VACIO Un tubo al vacío, en general, figura 4a, consiste de dos o más electrodos metálicos inmersos en un medio de muy

baja presión (vacío) creado en el interior de una envoltura o ampolla aislante resistente al calor. Esta última es generalmente de forma tubular y está hecha de vidrio o de un material cerámico. También existen tubos de envoltura metálica. Los electrodos están acoplados a los terminales o pines del dispositivo, los cuales pasan a través de la ampolla vía un sello hermético. En la mayoría de los casos, los pines están diseñados para enchufarseen una base o socket, figura 4b, lo cual facilita su instalación y su reemplazo.

Figura 4. (a) Estructura interna detallada de un tubo al vacío moderno. (b) Aspecto típico de un socket o base

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La estructura más simple de tubo al vacío es el diodo al vacío, formado por dos electros, llamados cátodo (-) y ánodo o placa (+), figura 5. El cátodo actúa como emisor o fuente de electrones. Es un cilindro hecho generalmente de una aleación de níquel bañado en óxido de estroncio o bario. El ánodo o placa actúa como receptor o colector de electrones. Es un cilindro, también de níquel, concéntrico al cátodo. Alrededor del cátodo, y separado del mismo por una capa cerámica de oxido de berilio o aluminio, se devana o entorcha un filamento de tungsteno, el cual calienta el cátodo para obligarlo a emitir electrones. Típicamente, el filamento se calienta con 6.3 ó 12.6 Vrms de corriente alterna y alcanza temperaturas del orden del 850 ºK (575 ºC). Algunos tubos al vacío no utilizan filamento y el cátodo se calienta o caldea directamente, pero esta práctica no es recomendable porqueintroduce de ruidos en la carga provenientes de las fluctuaciones de la fuente de calentamiento. Por esta razón, la mayoría de tubos al vacío son de calentamiento indirecto, es decir utilizan un filamento.

Figura 5. Estructura interna simplificada de un diodo al vacío de calentamiento (a)indirecto y (b) directo

A medida que se calienta el cátodo y aumenta su temperatura, los electrones periféricos del mismo adquieren la energía cinética suficiente para escapar del material y convertirse en electrones libres, ingresando al espacio circundante. Este fenómeno se denomina emisión termoiónica, figura 6. La nube de electrones libres que se forma alrededor del cátodo se denomina carga espacial. Por cada electrón o carga negativa que abandona el cátodo queda en el electrodo un hueco o carga positiva. Por tanto, existe una fuerza de atracción que literalmente hala hacia el cátodo la nube de electrones libres creada en su vecindad por la emisión termoiónica. Adicionalmente, la carga espacial formada tiende a repeler los electrones que abandonan el cátodo. Para contrarrestar estas fuerzas, disolver la nube de electrones y forzar la circulación de una corriente eléctrica (o termoiónica) entre el cátodo y el ánodo o placa, debe aplicarse a este último electrodo un potencial positivo suficientemente alto.

Figura 6. Concepto de emisión termoiónica

El efecto neto del potencial positivo aplicado a la placa es permitir que este último electrodo capture los electrones emitidos por el cátodo y permita la circulación de una corriente a través del circuito externo, es decir cierre este último, figura 7. Para ello se requiere que el ánodo esté a un potencial más alto que el cátodo. A medida que aumenta la diferencia de potencial, aumenta también la intensidad de la corriente, hasta que se llega a un valor de voltaje por encima del cual la corriente de ánodo se estabiliza, es decir no aumenta más. Se dice, entonces, que el dispositivo ha alcanzado su estado de saturación. Bajo esta condición, la carga espacial queda completamente

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neutralizada y se alcanza la máxima emisión de electrones por parte del cátodo. La única forma de incrementar la emisión es aumentar la temperatura del cátodo para incrementar la energía cinética de los electrones.

Figura 7. Efecto de la aplicación de un potencial positivo de placa

Si se disminuye desde su valor de saturación el potencial positivo aplicado al ánodo, figura 8, disminuye también la cantidad de electrones captados por la placa y por tanto se reduce la intensidad de la corriente que circula a través del circuito externo. Cuando esta diferencia de potencial llega a cero, algunos de los electrones emitidos por el cátodo todavía alcanzan la placa y mantienen una corriente residual o de fuga, llamada corriente de Edison (Ie), relativamente pequeña. Si se invierte el potencial del ánodo y se hace cada vez más negativo con respecto al cátodo, la placa no solamente no emitirá electrones (puesto que no está caliente), sino que repelerá cada vez más los electrones emitidos por el cátodo. Como resultado, la corriente descenderá paulatinamente desde su valor de fuga (Ie) hasta llegar a cero para un cierto valor negativo del voltaje de ánodo. A partir de este punto, no hay más circulación de corriente. Se dice, entonces, que el dispositivo ha alcanzado su estado de corte o bloqueo. Por tanto, en un diodo al vacío, la corriente solamente puede fluir en una dirección. Se dice, entonces, que el dispositivo actúa como un rectificador.

Figura 8. Curva caracteristica típica de un diodo al vacío, Se compara con la de un diodo ideal

Para el óptimo funcionamiento del dispositivo, el espacio entre el cátodo y el ánodo debe ser vacío. Si hay moléculas de gas en está zona, ocurrirán colisiones que impedirán el flujo normal de electrones. Si hay presente una considerable cantidad de gas, este último será ionizado por los electrones. La ionización del gas se manifiesta generalmente como una incandescencia azul entre los electrodos. En los inicios de la tecnología de las válvulas se pensaba que era necesaria una cierta cantidad de gas dentro de la ampolla, pero más adelante se descubrió que este no era el caso y que las válvulas “duras” al vacío (sin gas) tenían un desempeño muy superior al de las antiguas válvulas “suaves” con trazas de gas. Históricamente, el nivel de vacío en las ampollas de los tubos al vacío ha disminuido desde varias decenas de Pa (micropascales) en sus comienzos hasta unos pocos nPa (nanopascales) actualmente.

FIN DE LA PRIMERA PARTE