¿Qué es un tubo de vacío?: Válvula termoiónica parte 2

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Mensaje  Euro-Audio el Mar 21 Mayo 2019 - 17:49

Ley de Child's

La Ley de Child, a menudo también llamada la Ley de Child-Langmuir, se propuso por primera vez en 1911 y constituye un elemento clave dentro de la válvula termoiónica o la teoría de los tubos de vacío y de cómo funciona un tubo de vacío.

La Ley del Child establece que la corriente limitada de carga espacial en un diodo de vacío paralelo al plano varía directamente como la potencia de tres mitades del voltaje del ánodo e inversamente como el cuadrado de la distancia d que separa el cátodo y el ánodo.

J= Ia / S

Donde:

   J = densidad de corriente en amperios por metro cuadrado,
   Ia = corriente de ánodo,
   S = área de superficie del ánodo en metros cuadrados.

Child derivó esta ecuación aplicable a la teoría de los tubos de vacío en 1911 para el caso de los iones atómicos. Estos tienen relaciones mucho menores de su carga a su masa. Irving Langmuir extendió la ley básica cuando publicó la aplicación a las corrientes de electrones en 1913. Esto se extendió al caso de los cátodos cilíndricos y los ánodos. Es por esta razón que a la ley a veces se le conoce como la Ley de Langmuir - Child.

Cátodo

Existe una variedad de diferentes tipos de cátodos que se utilizan en los modernos tubos de vacío. Se diferencian en la construcción y los materiales utilizados.

Una de las principales formas en que se pueden clasificar los cátodos es por la forma en que se calientan. El primer tipo que se usó fue lo que se denomina directamente calentado. Aquí se pasa una corriente a través de un alambre para calentarla. Además de proporcionar el calor, también actúa como el propio cátodo, emitiendo los electrones al vacío. Este tipo de cátodo tiene la desventaja que debe estar conectado tanto al suministro del calentador como al suministro utilizado para su uso en el propio circuito del ánodo . Esto tiene desventajas porque limita la manera en que el circuito puede ser polarizado a menos que cada calentador se alimente por separado y se aíslen unos de otros. Una desventaja adicional es que si se usa una corriente alterna para proporcionar el calentamiento, esta señal puede superponerse sobre el circuito del ánodo, y se produce un zumbido a la frecuencia del suministro del calentador. El segundo tipo de cátodo se conoce como cátodo de calentamiento indirecto. Aquí, el calentador se desconecta eléctricamente del cátodo y el calor se irradia desde el calentador para calentar el cátodo. Aunque este tipo de tubos tarda más en calentarse, se usan casi universalmente debido a la flexibilidad que esto proporciona para desviar los circuitos y para aislar el circuito del ánodo del cátodo y los efectos de zumbido del suministro del calentador.

El primer tipo de cátodo se conoce como cátodo emisor de luz. Este tipo de cátodo utiliza un cable de tungsteno calentado a una temperatura de entre 2500 y 2600 K. Aunque no se usa mucho en estos días, este tipo de cátodo se usó en tubos de transmisión de alta potencia, como los que se usan para la transmisión. Sufre varios inconvenientes, uno de los cuales es que no es particularmente eficiente en términos de la emisión obtenida por la entrada de calor. La vida del cátodo también está limitada por la evaporación del tungsteno, y la falla ocurre cuando aproximadamente el 10% del tungsteno se ha ido.

Otro tipo de cátodo se conoce como un emisor opaco. Estos cátodos se calientan directamente y consisten en tungsteno toriado. Proporcionan más emisión que un cátodo de tungsteno y requieren menos calor, lo que aumenta la eficiencia general del tubo. Por lo general, funcionan a una temperatura de entre 1900 y 2100 K. Aunque estos cátodos tienen una vida relativamente larga, son frágiles y todas las válvulas o tubos que los usan deben tratarse con cuidado y no deben someterse a vibraciones ni golpes técnicos.

El tipo de cátodo que es, con mucho, el de mayor uso es el cátodo revestido de óxido. Estos pueden usarse con cátodos calentados indirectamente, a diferencia de los cátodos de tungsteno y emisores opacos que deben calentarse directamente como resultado de las temperaturas involucradas. Este tipo de cátodo normalmente tiene la forma de un yunke, forma de cinta o incluso de una pequeña copa. Esto se recubre con una mezcla de bario y carbonato de estroncio, a menudo con un poco de calcio agregado. Durante el proceso de fabricación, el recubrimiento se calienta para reducirlo a su forma metálica y los productos de la reacción química se eliminan cuando la válvula finalmente se evacua. En este cátodo, el bario es el que actúa como el emisor primario y opera a una tasa mucho menor que los otros tipos en la región de 950 a 1050 K.

Algunos tipos de válvulas termiónicas o tubos de vacío utilizan lo que se denomina un cátodo frío. Estos son estabilizadores de voltaje y utilizan una forma de superficie metálica activada.

Ánodo

El ánodo generalmente tiene forma de un cilindro de modo que pueda rodear el cátodo y cualquier otro electrodo que pueda estar presente. De esta manera, el tubo de vacío se puede construir de forma tubular y el ánodo puede recoger el número máximo de electrones.

Para las válvulas o tubos más pequeños utilizados en muchos receptores de radio, los ánodos generalmente están hechos de acero niquelado o simplemente de níquel. En algunos casos donde es necesario disipar grandes cantidades de calor, se puede carbonizar para darle un acabado mate que le permite irradiar más calor fuera de la válvula.

Para aplicaciones donde se requieren potencias aún mayores, el ánodo debe ser capaz de disipar aún más calor y operar a temperaturas más altas. Para estos tubos, se pueden usar materiales que incluyen carbono, molibdeno o circonio. Otro enfoque es construir aletas de disipador de calor en la estructura del ánodo para ayudar a irradiar el calor adicional. Este enfoque está naturalmente limitado por la construcción de la válvula y el hecho de que el tubo debe estar contenido dentro de su envoltura de vidrio. Sin embargo, una gran estructura de disipador de calor requerirá que la cubierta de vidrio sea mucho más grande, lo que aumentará los costes.

Para superar este problema, el ánodo puede fabricarse de manera que el calor pueda transferirse fuera de la válvula y eliminarse utilizando aire forzado o una camisa de agua. Usando esta tecnica, la envoltura del tubo puede hacerse relativamente pequeña, mientras que aún puede manejar niveles significativos de potencia.

Rejilla de control

La rejilla es el electrodo por el cual la corriente que fluye en el circuito del ánodo puede ser controlada por otro potencial. En la forma más básica, un tubo de vacío puede tener una rejilla, pero es posible usar más de una para mejorar el rendimiento o permitir que se realicen funciones adicionales. En consecuencia, las válvulas se nombran por el número de electrodos que contienen que están asociados con el flujo de electrones. En otras palabras, los filamentos o calentadores y otros elementos similares se omiten.

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Una rejilla se construye normalmente en forma de malla de gasa o una hélice de alambre. Si está hecho de alambre, normalmente consiste en níquel, molibdeno o una aleación y se enrolla con barras de soporte que lo mantienen alejado del cátodo. Como tales, pueden ser anchos, posiblemente de forma ovalada y generalmente están hechos de cobre o níquel.

Para lograr un alto nivel de rendimiento que sea repetible, las tolerancias dentro del tubo de vacío deben mantenerse de un dispositivo a otro. Además de esto, a menudo es necesario montar la rejilla de control a solo fracciones de un milímetro alejadas del cátodo u otras rejillas. Para poder mantener estas dimensiones, una tecnica que se adopta es utilizar un marco rectangular rígido y luego enrollar el cable de la rejilla sobre esta bajo tensión. Esta estructura debe fijarse mediante el uso de acristalamiento o incluso soldadura fuerte de oro para que permanezca firmemente en su lugar. En algunas circunstancias, incluso puede ser necesario pulir el recubrimiento de la superficie del cátodo para asegurar su planitud. Esta forma de rejilla se conoce como una rejilla de marco.

Un aspecto importante del diseño de los tubos de vacío o las válvulas termiónicas es asegurar que la rejilla no se sobrecaliente. Esto podría provocar una distorsión mecánica y el fallo de toda la válvula. Para ayudar a eliminar el calor, el cable de la rejilla puede estar carbonizado y, a menudo, se pueden unir aletas de enfriamiento a los cables de soporte de la rejilla. Estos cables de soporte también pueden soldarse directamente a los pasadores de conexión en la base de la válvula para que el calor se pueda conducir a través de las conexiones externas.

Una amplia variedad de válvulas termoiónicas o tubos de vacío está disponible incluso hoy. Utilizando las técnicas que se han desarrollado durante muchos años, pueden ofrecer una excelente repetibilidad, rendimiento y confiabilidad.

Válvula diodo

La válvula de diodo o el tubo de vacío se pueden utilizar como un rectificador, y además de esto, su funcionamiento constituye la base de la operación sobre la cual se construyen otras formas de válvula o tubo.

La válvula o tubo de diodo todavía se usa ampliamente y en años pasados, se utilizaron grandes cantidades de estos dispositivos.

El diodo, vale es el más básico de todos los dispositivos termoiónicos o de tubos de vacío que tienen solo dos electrodos activos, sin embargo, sigue siendo un componente importante cuya operación debe entenderse si se deben comprender otras formas de tecnología de válvulas.

Fundamentos de la válvula de diodo

La forma más básica de válvula de diodo o tubo de vacío es el diodo. Consiste en dos electrodos conductores que están contenidos dentro de un tubo de vidrio evacuado. Estos se denominan el cátodo y el ánodo.

El cátodo se calienta y los electrones "escapan" del electrodo como resultado de la energía que tienen como resultado del calor.

Los electrones cargados negativamente dejan una carga positiva en el cátodo que tiende a atraerlos hacia atrás y, como resultado, existe una nube de electrones alrededor del cátodo, que se reduce en intensidad a medida que aumenta la distancia desde el cátodo. Los electrones que más "viajan" son los que tienen más energía.

Sin embargo, se encuentra que si se coloca una resistencia entre el cátodo y el ánodo, se verá que la corriente realmente fluye como resultado de los electrones emitidos por el cátodo.

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Si un electrón tiene suficiente energía para alcanzar el ánodo, entonces permanecerá allí y no tendrá suficiente energía para escapar, pero puede regresar al cátodo a través de la resistencia externa.

Se puede ver que la corriente de electrones puede fluir desde el cátodo hacia el ánodo como resultado de los electrones que se escapan del cátodo, pero los electrones no pueden abandonar el ánodo.
Como resultado, la corriente solo es capaz de fluir en una dirección. Por lo tanto, si se aplica una señal alterna a la válvula de diodo o al tubo de diodo, entonces solo permitirá la mitad del ciclo, rectificando así la señal.

Si el circuito se cambia ligeramente y se aplica un potencial positivo al ánodo, atraerá más electrones y la corriente fluirá como resultado de la batería. De nuevo, la corriente solo es capaz de fluir en una dirección.

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Esta función se puede utilizar para rectificar la alimentación de la línea o de la entrada de la red, lo que permite la creación de corriente continua, la alimentación de CC se crea a partir de una corriente alterna, la entrada de CA. También se puede usar para detectar señales de radio, y de hecho, esta fue la primera que se utilizó para válvulas termoiónicas o tubos de vacío. Fue Ambrose Fleming, del University College London, quien primero pensó en la idea de detectar señales usando una válvula de diodo.

Válvula de diodo calentada indirectamente

Las válvulas tempranas del diodo utilizaron un cátodo calentado directamente. Consistía en un elemento calentador que también actuaba como cátodo. Esto limitó significativamente el funcionamiento de estos dispositivos. El uso de CA para los calentadores permitió que un transformador proporcionara el suministro del calentador directamente desde la red eléctrica entrante, reduciendo así el coste de operación, ya que las baterías no duraban mucho y eran caras

Zumbido inducido:  

Cuando se usaba CA para suministrar válvulas directamente calentadas, se encontró que la CA afectaba el funcionamiento de la válvula y que algunas CA podrían superponerse a la salida.
El cátodo calentado directamente está conectado al suministro del calentador:  un cátodo calentado directamente significa que el cátodo está conectado a la tensión del calentador y esto evita que se use un suministro de calentador común para varias válvulas que pueden necesitar diferentes voltajes del cátodo.
La solución a ambos problemas fue usar un elemento calentador separado eléctricamente que se usó para calentar el cátodo. Este método conocido como calentamiento indirecto se usa casi universalmente para todas las válvulas, ya sean válvulas de diodo, triodos o lo que sea.


Rectificador de válvula de diodo de media onda


La forma más simple de rectificador de válvula de diodo es el rectificador de media onda. Solo requiere el uso de un solo rectificador de válvula de diodo. Sin embargo, no es tan eficiente como algunas otras formas de rectificador.

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Se puede ver que si se aplica una forma de onda alterna a la válvula de diodo, o tubo de diodo, se conduce más de la mitad de la forma de onda y no la otra. Esto significa que al rectificar las formas de onda de CA solo es eficiente en un 50%, ya que la mitad de la forma de onda se usa y la otra mitad se descarta.

Rectificador de válvula de diodo de onda completa

Para hacer uso de ambas mitades de un ciclo de forma de onda alterna, se puede usar un rectificador de onda completa. De la misma manera que se puede implementar con diodos semiconductores, se puede lograr lo mismo usando válvulas de diodo. De hecho, las válvulas de diodo rectificador de onda completa están disponibles con un dispositivo que contiene los dos rectificadores.

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En el circuito rectificador de onda completa, diferentes diodos dentro del rectificador manejan diferentes mitades de la forma de onda. De esta manera se utilizan ambas mitades de la forma de onda. Además, el hecho de que el tiempo entre picos sea más corto significa que suavizar la forma de onda es mucho más fácil.

Como se ve en el diagrama, las válvulas / tubos rectificadores de onda completa estan disponibles. Estos contienen dos ánodos y un solo cátodo que permite la rectificación de onda completa con una sola válvula.
Otro punto a tener en cuenta es que los diodos rectificadores de la fuente de alimentación a menudo usan una fuente de 5 V separada, mientras que el estándar común para los calentadores utilizados para el equipo en sí es de 6,3 voltios, aunque a menudo se usan otros voltajes.

Detector de señal de válvula de diodo

Fue a través de la investigación de la detección o demodulación de señales de radio que Ambrose Fleming inventó la primera válvula de diodo. De hecho, el detector de válvula de diodo puede usarse para señales moduladas en amplitud.

La acción del rectificador de la válvula de diodo se puede ver a continuación, donde se demodula la señal modulada en amplitud que consiste en la portadora de amplitud variable. Para recuperar la modulación, la señal se rectifica y luego la portadora se elimina utilizando un condensador como filtro de alta frecuencia.

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Esta es una forma muy simple pero efectiva de demodulación de AM, aunque tiene sus inconvenientes. Los niveles de distorsión pueden ser altos porque la característica del diodo no será totalmente lineal, y esta forma de detector de diodo también está sujeta a la distorsión que resulta del desvanecimiento selectivo, un problema que es evidente en las bandas de frecuencia normalmente utilizadas para las transmisiones moduladas en amplitud.

Válvula de diodo / teoría de tubos y fórmulas

La válvula de diodo o el tubo de vacío tiene relaciones interesantes entre la corriente de la placa y el voltaje, así como la distribución del potencial en el espacio del cátodo.

La válvula de diodo o el tubo de vacío de diodo es relativamente fácil de usar en un circuito para actuar como un rectificador de potencia o detector de señal.

Sin embargo, la teoría de los antecedentes y algunos de los gráficos y fórmulas pueden ayudar a comprender el funcionamiento de los circuitos dentro de los cuales se pueden utilizar.

Diodo de ánodo de corriente y teoría del voltaje.

La relación entre la corriente que fluye en el circuito y la tensión del ánodo se muestra en el diagrama a continuación.

Se puede observar que los límites de corriente para cualquier temperatura de cátodo dada. La razón de esto es que cuando se alcanza un voltaje de ánodo suficientemente alto, el ánodo extrae todos los electrones emitidos por el cátodo. Como el número de electrones emitidos por el cátodo depende de su temperatura, esto se convierte en el factor limitante general para un material de cátodo dado.

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Con voltajes de ánodo moderados o bajos, la corriente del ánodo es menor que la emisión máxima del cátodo. La razón de esto es que los electrones que viajan en el espacio entre el cátodo y el ánodo producen una carga espacial negativa. Esto reduce la atracción del potencial positivo sobre el ánodo.

Como resultado, esto significa que el número total de electrones en tránsito en un instante dado no puede exceder el número que proporcionará la carga espacial negativa que neutraliza completamente el campo electrostático producido por el potencial del ánodo en la superficie del cátodo.

Teoría de la distribución del potencial del ánodo al cátodo diodo.

Si se examina la carga espacial a través del espacio entre el cátodo y el ánodo, se verá que existe una distribución interesante de potencial.

Se encuentra que la carga negativa de los electrones en las proximidades del cátodo da un potencial negativo leve con respecto al cátodo.

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Los electrones de la superficie del cátodo de la válvula de diodo se emiten en este campo negativo y sus velocidades variarán con los diferentes electrones.

El campo negativo alrededor del cátodo hace que los electrones se desaceleren a medida que son rechazados por la carga negativa. Aquellos con altas velocidades penetrarán este campo negativo, mientras que aquellos con solo bajas velocidades serán repelidos y volverán a la superficie del cátodo.

Carga de espacio corriente de ánodo de diodo limitada

Se puede determinar que la corriente del ánodo es proporcional a una ley de 3/2 de la tensión en el ánodo.

Para los cátodos de estilo calentador, la emisión es aproximadamente la misma en toda la superficie y, por lo tanto, la corriente de ánodo total para un voltaje de ánodo positivo se puede determinar mediante la ecuación o fórmula:

Corriente de ánodo = Kmi3/2

Continuara.... Un saludo.

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¿Qué es un tubo de vacío?: Válvula termoiónica parte 2 Empty Re: ¿Qué es un tubo de vacío?: Válvula termoiónica parte 2

Mensaje  Mistic0 el Miér 22 Mayo 2019 - 0:24

Muchísimas gracias por esta nueva entrega.
Las sigo con mucho interés, son muy didácticas.

Un saludo

Mistic0

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¿Qué es un tubo de vacío?: Válvula termoiónica parte 2 Empty Re: ¿Qué es un tubo de vacío?: Válvula termoiónica parte 2

Mensaje  galena el Jue 23 Mayo 2019 - 10:48

Si te gustan las válvulas y quieres aprender a manejarlas descárgate "La radio en 20 lecciones"

http://www.juntadeandalucia.es/averroes/centros-tic/29009909/helvia/aula/archivos/repositorio//0/87/entero.pdf

Lo tengo hace bastantes años y es el mejor curso de radio de válvulas que he visto, los tengo todos, no es específico para amplis de b.f. pero te enseña que es y como funciona una válvula.

Un saludo



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¿Qué es un tubo de vacío?: Válvula termoiónica parte 2 Empty Muy buenoho

Mensaje  Vicgarza el Dom 26 Mayo 2019 - 15:13

Hola. Me encanta este tipo de artículos. Con estos si se aprende. Muchas gracias.

Un abrazo
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¿Qué es un tubo de vacío?: Válvula termoiónica parte 2 Empty Re: ¿Qué es un tubo de vacío?: Válvula termoiónica parte 2

Mensaje  Euro-Audio el Jue 27 Jun 2019 - 18:55

Mistic0 escribió:Muchísimas gracias por esta nueva entrega.
Las sigo con mucho interés, son muy didácticas.

Un saludo

Hola muchas gracias a ti por leer el articulo.

Un saludo

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¿Qué es un tubo de vacío?: Válvula termoiónica parte 2 Empty Re: ¿Qué es un tubo de vacío?: Válvula termoiónica parte 2

Mensaje  Euro-Audio el Jue 27 Jun 2019 - 18:56

Vicgarza escribió:Hola. Me encanta este tipo de artículos. Con estos si se aprende. Muchas gracias.

Un abrazo

Gracias a ti.

Un abrazo.

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¿Qué es un tubo de vacío?: Válvula termoiónica parte 2 Empty Re: ¿Qué es un tubo de vacío?: Válvula termoiónica parte 2

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