¿Qué es un tubo de vacío?: Válvula termoiónica parte 1

El tubo de vacío o la válvula termoiónica fue la primera forma de tecnología activa utilizada dentro de la electrónica y estos dispositivos aún se utilizan en la actualidad.

La tecnología de válvulas de vacío o de válvulas termiónicas ha estado en uso desde principios del siglo XX.
La introducción de la válvula termoiónica o la tecnología de tubo de vacío permitió establecer los cimientos de la industria electrónica.
Incluso hoy en día, las válvulas o los tubos se utilizan en todo, desde amplificadores de guitarra hasta amplificadores de alta fidelidad y mucho más.
A muchas personas les gusta el sonido producido por estos dispositivos y, como resultado, su uso ha continuado en esta área, así como en muchas otras.

Historia del tubo de vacío

Edison observó las primeras observaciones de lo que finalmente se convirtió en tecnología de válvulas de vacío o válvulas termiónicas. En su búsqueda por fabricar mejores bombillas incandescentes, notó un efecto que luego se llamó Efecto Edison.

Más tarde, Ambrose Fleming usó el efecto para rectificar señales de radio en una nueva forma de detector de radio que llamó su válvula de oscilación.
El siguiente desarrollo importante ocurrió cuando Lee de Forest agregó un tercer electrodo llamado rejilla. Esto abrió la idea básica de la válvula termiónica o del tubo de vacío para amplificar las señales y proporcionar una funcionalidad considerablemente mayor.


Tecnología del tubo de vacío

La tecnología de válvulas de vacío o termiónicas se basa en el concepto básico de emisión termoiónica.

El concepto de válvula termiónica o tubos de vacío utilizó la idea de que un elemento calentado en un vacío emitía electrones que normalmente permanecerían cerca de este elemento calentado debido a la atracción de carga.

Si se colocara un segundo electrodo en el vacío y se colocara un alto potencial positivo, los electrones serían atraídos desde el elemento calentado hacia este elemento con un alto potencial. Como resultado, una corriente fluiría en esta dirección.

Como los electrones no podían viajar en la dirección inversa, esta simple válvula o tubo de vacío actúa como un diodo.

También es posible colocar un tercer elemento conocido como una rejilla entre la estructura entre los otros dos electrodos. Este electrodo normalmente está formado por una gasa para permitir que los electrones pasen a través. Al variar el potencial de este electrodo, se puede controlar el flujo de electrones.




Hay una serie de electrodos en una válvula o tubo de vacío:

Cátodo:   este es el electrodo que se calienta y emite los electrones.
Ánodo:   este electrodo en el tubo o válvula de vacío tiene un alto potencial para atraer electrones desde el cátodo.
Rejilla:   este es el electrodo de la válvula que tiene un potencial variable y se usa para controlar el flujo de electrones entre el cátodo y el ánodo. En algunos tubos de vacío se utilizan más rejillas para mejorar el rendimiento de varias maneras.
Filamento: la   mayoría de las válvulas en estos días se calientan indirectamente, es decir, el filamento no está conectado al cátodo. El filamento calienta el cátodo que luego emite los electrones. Las válvulas tempranas se calentaron directamente y el filamento se usó para emitir los electrones. Sin embargo, esto impuso limitaciones en la forma en que se podrían usar las válvulas. Tener un cátodo calentado indirectamente permite que el cátodo funcione a un potencial más alto que la tierra y también para que muchos filamentos se ejecuten en paralelo en un solo elemento del equipo.

Tipos de tubos de vacío

Hay varios tipos diferentes de válvulas. Cada uno tiene sus propias propiedades y puede ser demandado para diferentes aplicaciones. Los diodos se pueden usar para la rectificación, mientras que los triodos, tetrodos y pentodos se usan normalmente en aplicaciones de amplificación. Los heptodos se utilizan a menudo en mezcladores de RF. Como resultado, es necesario mirar los diferentes tipos cuando se necesita cualquier aplicación.

Válvula de diodo:   esta es la forma básica de la válvula termoiónica / dispositivo de tubo de vacío. Consiste en un cátodo, un ánodo (y por supuesto el calentador o filamento). La corriente solo puede pasar a través del diodo de una manera (los electrones fluyen desde el cátodo al ánodo), de esta manera actúa como un rectificador o diodo.
Válvula de triodo : La válvula de triodo tiene un tercer electrodo agregado. Llamada rejilla, es capaz de controlar el flujo de electrones.
Tetrodo:  El tetrodo tiene un cuarto electrodo agregado. pantalla, normalmente se mantiene a un potencial alto pero más bajo que el del ánodo.
Tetrodo de haz:   La válvula de tetrodo de haz fue una mejora en la válvula de tetrodo básica. Se agregaron placas de haz especiales a la estructura entre la rejilla de la pantalla y el ánodo para enviar los electrones hacia áreas particulares del ánodo. Además, como estas placas se mantuvieron al mismo potencial que el cátodo, los electrones que golpean el ánodo y rebotan se devuelven al ánodo, y la emisión secundaria se suprime efectivamente.
Pentodo:   El pentodo tiene un quinto electrodo agregado. Llamada la rejilla supresora, se mantuvo a un bajo potencial para suprimir la emisión secundaria.


RESUMEN DE TIPOS DE VÁLVULAS / TUBOS Y NÚMEROS DE ELECTRODOS

3 1 Triodo
4 2 Tetrode
5 3 Pentodo
6 4 Hexodo
7 5 Heptodo
8 6 Octodo

Los diferentes tipos de tubos de vacío / válvula termoiónica permiten una variedad de funciones diferentes que pueden ser proporcionadas por estos dispositivos. Los diodos son obviamente muy diferentes a los triodos, etc., pero los otros tipos de válvulas pueden usarse en diferentes circuitos según lo requieran las diferentes
aplicaciones.

Dos conceptos clave para entender cómo funciona un tubo de vacío son la emisión termiónica y la atracción y repulsión de la carga.

La teoría detrás de la operación de un tubo de vacío se basa en un concepto conocido como emisión termoiónica.

Además de estos conceptos, que incluyen la atracción y repulsión de cargas opuestas y similares, desempeñan un papel importante en el funcionamiento de los tubos de vacío / válvulas termoiónicas.

Comprender estos conceptos proporciona la base para entender cómo funciona un tubo de vacío.

Emisión termoiónica

El primer concepto necesario para entender cómo funciona un tubo de vacío es el de la emisión termiónica.

La conductividad eléctrica de los metales resulta del hecho de que hay electrones libres que se mueven alrededor del material y no se unen a ninguna molécula definida. Aunque hay un número equivalente de agujeros ( que no son tales ) para que la carga general permanezca equilibrada, estos electrones vagan libremente alrededor del material.



Si estos electrones salen de la superficie del material, se debe trabajar para superar la atracción dentro del material.

La energía necesaria para superar las fuerzas que mantienen a los electrones dentro del material se puede suministrar de varias maneras. Uno de ellos es calentar el material y de esta manera los electrones reciben energía cinética adicional. A una temperatura suficientemente alta, algunos electrones tendrán suficiente energía cinética para escapar de la superficie del material. Esta es una emisión termiónica de electrones, y es este fenómeno el que está en el centro de cómo funciona un tubo de vacío.
El proceso de emisión termiónica de un material tiene muchas similitudes con el de la evaporación de la superficie de un líquido. En el caso de las moléculas en un líquido, las que escapan y se evaporan tienen suficiente energía para escapar de las fuerzas de reentrenamiento del líquido, y el número de escape aumenta al aumentar la temperatura. Puede considerarse esencialmente como el mismo proceso en el que la energía a la que debe renunciar el electrón corresponde al calor latente de vaporización en un líquido.

Emisión de electrones

Al observar cómo funciona un tubo de vacío, también es necesario considerar la efectividad de la forma en que los electrones escapan de la superficie.

El número de electrones emitidos desde el material calentado por unidad de área se relaciona con la temperatura absoluta, así como con una constante 'b' que es una constante que indica el trabajo que tiene que hacer un electrón para escapar de la superficie.

Como resultado, es posible derivar una ecuación para la corriente que sale de la superficie:
yo= A T2ε(- b / T)

Donde:
   I = corriente medida en amperios
   A = una constante para el tipo de material emisor
   T = temperatura en grados Absoluta
   b = trabajo requerido para que el electrón salga de la superficie.

Emisores de electrones - materiales de cátodo

Es necesario alcanzar temperaturas superiores a 500 ° C, dependiendo del material, para que la cantidad de electrones que salen de la superficie del material sea apreciable. Cuando se trabaja con temperaturas de este orden, limita los materiales que se pueden usar en los cátodos de los tubos de vacío.

Hay algunos emisores favoritos que se utilizan dentro de los tubos de vacío:

Tungsteno:   El tungsteno proporciona una de las formas más robustas de filamento para un tubo de vacío, particularmente cuando se utilizan voltajes de ánodo muy altos. Sin embargo, su inconveniente es que su eficiencia de emisión expresada en términos de emisión de amperios por vatio de calefacción no es tan alta como la de otros emisores como el tungsteno toriado y los emisores recubiertos de óxido.

Tungteno toriado: El  tungsteno toriado se usa ampliamente en tubos de vacío y consiste en tungsteno que contiene de 1 a 2% de óxido de torio. Los tubos de vacío / válvulas termoiónicas que usan cátodos con este recubrimiento producen una emisión de electrones a temperaturas de entre 1500 y 1600 K. Los tubos de vacío que usan tungsteno toriado deben tener un grado de vacío muy alto, de lo contrario, los iones positivos producidos por la ionización de los gases en la envoltura afectarán seriamente la emisión.

Emisores recubiertos de óxido: los  tubos de vacío que utilizan esta forma de recubrimiento de cátodo tienen una capa de una mezcla de óxidos de bario y estroncio que recubren la superficie del cátodo. Cuando se activan correctamente, emiten electrones profusamente a una temperatura de alrededor de 1100  a 1200  K. Los emisores recubiertos de óxido se usan ampliamente porque dan más emisión por vatio de calentamiento que cualquier otro tipo. Un inconveniente es que la superficie emisora ​​se "envenena" fácilmente por las impurezas. Los tubos de vacío que utilizan recubrimientos de óxido se utilizan para la mayoría de los tubos de vacío pequeños / válvulas termoiónicas que utilizan voltajes de hasta unos pocos miles de voltios.
Aunque, normalmente, los tubos de vacío se calientan indirectamente en estos días, esta forma de calentamiento es menos eficiente que la opción de calentamiento directo. Como resultado, algunos tubos o válvulas especializados que usan filamentos de tungsteno o de tungsteno toriado a veces utilizan técnicas de calentamiento directo.



Carga espacial

Un aspecto importante de la teoría de los tubos de vacío es la carga espacial.

Los electrones que fluyen entre el cátodo y el ánodo forman una nube de electrones y esto se conoce como la "carga espacial". La carga espacial tiende a repeler los electrones que salen del cátodo, obligándolos a retroceder. Sin embargo, si el potencial aplicado al ánodo es suficientemente alto, el efecto de carga de espacio se superará, de modo que los electrones fluirán hacia el ánodo. De esta manera, los electrones pueden moverse a través del vacío dentro de la envoltura de vidrio del tubo / válvula de vacío, el circuito se completa y la corriente fluye.

A medida que aumenta el potencial en el ánodo, también aumenta la corriente. Finalmente, se llega a un punto donde el cambio de espacio se neutraliza completamente y se alcanza la máxima emisión del cátodo. La única manera de aumentar la emisión de electrones del cátodo es aumentando la temperatura del cátodo. Esto aumenta la energía de los electrones y, como resultado, permite que otros electrones salgan del cátodo.

Aunque todas las áreas de un tubo de vacío tienen una carga espacial, es de particular importancia en la región del cátodo, ya que determina los elementos que incluyen la emisión máxima.

A medida que se agregan otros electrodos a la envoltura evacuada, el concepto de carga espacial se puede aplicar a toda el área operativa.

El concepto de carga espacial desempeña un papel crucial en la determinación del flujo de corriente en cualquier dispositivo termoiónico.

Continuara,Un saludo.

Muy interesante.
¿las imagenes se borrarán con el tiempo?

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Que interesante...Muchas gracias.
A la espera de nuevas entregas...