¿Qué es el tubo de vacío y cómo funciona?

Es posible que sienta la tentación de descartar el viejo tubo como una reliquia del pasado; después de todo, ¿cómo pueden algunas piezas de metal en una bombilla glorificada resistir los transistores y circuitos integrados de hoy? Aunque los tubos perdieron su lugar en la tienda de productos electrónicos de consumo, siguen siendo un uso insignificante donde se necesita mucha energía en frecuencias muy altas (rango de GHz), como en la radiodifusión y televisión, calefacción industrial, hornos microondas, satélite comunicaciones, aceleradores de partículas, radares, armas electromagnéticas y algunas aplicaciones que requieren niveles de potencia y frecuencias más bajos, como medidores de radiación, máquinas de rayos X y amplificadores para audiófilos.

Hace 20 años, la mayoría de las pantallas usaban un tubo de imagen al vacío. ¿Sabías que también puede haber algunos tubos al acecho en tu casa? En el corazón de su horno de microondas hay, o más bien se encuentra en un enchufe, un tubo de magnetrón. Su trabajo es generar señales de RF de alta potencia y alta frecuencia que se utilizan para calentar lo que se ponga en el horno. Un dispositivo doméstico diferente con un tubo en el interior es el viejo televisor CRT que ahora probablemente se encuentra en una caja de cartón en el ático después de ser reemplazado por un nuevo televisor de pantalla plana. El CRT significa "tubo de rayos catódicos"- esos tubos se utilizan para mostrar la señal de vídeo recibida. Son bastante pesados, grandes e ineficientes en comparación con las pantallas LCD o LED, pero hicieron el trabajo antes de que aparecieran las otras tecnologías. Es una buena idea aprender sobre ellos porque gran parte del mundo moderno todavía depende de ellos, la mayoría de los transmisores de TV usan tubos de vacío como su dispositivo de salida de energía, porque son más eficientes en altas frecuencias que los transistores. Sin los tubos de vacío de magnetrón, los hornos de microondas baratos no existirían, porque las alternativas de semiconductores se inventaron recientemente y siguen siendo caras. Muchos circuitos como osciladores, amplificadores, mezcladores, etc.son más fáciles de explicar con válvulas y ver cómo funcionan, porque las válvulas clásicas, especialmente los triodos,son extremadamente fáciles de sesgar con pocos componentes y calculan su factor de amplificación, sesgo, etc.

¿Cómo funcionan los tubos de vacío?

Los tubos de vacío regulares funcionan según un fenómeno llamado emisión termoiónica, también conocido como efecto Edison.. Imagina que es un día caluroso de verano, estás esperando en la fila en una habitación mal ventilada, junto a una pared con un calentador a lo largo, algunas otras personas también están esperando en la fila y alguien enciende la calefacción, la gente comienza a alejarse calentador: luego alguien abre la ventana y deja entrar una brisa fría, lo que hace que todos migren hacia ella. Cuando se produce una emisión termoiónica en un tubo de vacío, la pared con el calentador es el cátodo, calentada por un filamento, las personas son los electrones y la ventana es el ánodo. En la mayoría de los tubos de vacío, el cátodo cilíndrico se calienta mediante un filamento (no muy diferente al de una bombilla), lo que hace que el cátodo emita electrones negativos que son atraídos por un ánodo cargado positivamente, lo que hace que una corriente eléctrica fluya hacia el ánodo. y fuera del cátodo (recuerda,la corriente va en la dirección opuesta a los electrones).

A continuación, explicamos la evolución del tubo de vacío: diodo, triodo, tetrodo y pentodo junto con algunos tipos especiales de tubos de vacío como magnetrón, CRT, tubo de rayos X, etc.

Al principio hubo diodos

Esto se utiliza en el tubo de vacío más simple.- el diodo, formado por el filamento, el cátodo y el ánodo. La corriente eléctrica fluye a través del filamento en el medio, lo que hace que se caliente, brille y emita radiación térmica, similar a una bombilla. El filamento calentado calienta el cátodo cilíndrico circundante, dando suficiente energía a los electrones para superar la función de trabajo, lo que hace que se forme una nube de electrones llamada región de carga espacial alrededor del cátodo calentado. El ánodo cargado positivamente atrae electrones de la región de carga espacial provocando un flujo de corriente eléctrica en el tubo, pero ¿qué pasaría si el ánodo fuera negativo? Como sabrá por sus lecciones de física de la escuela secundaria, como las cargas se repelen: el ánodo negativo repele los electrones y no fluye corriente, todo esto sucede en el vacío, porque el aire impide el flujo de electrones. Así es como se usa un diodo para rectificar CA.

¡Nada como el buen Triode!

En 1906, un ingeniero estadounidense llamado Lee de Forest descubrió que agregar una rejilla, llamada rejilla de control, entre el ánodo y el cátodo permite controlar la corriente del ánodo. La construcción de Triode es similar a la del diodo, con la rejilla hecha de alambre de mobildenio muy fino. El control se logra polarizando la red con un voltaje, el voltaje generalmente es negativo con respecto al cátodo. Cuanto más negativo sea el voltaje, menor será la corriente. Cuando la rejilla es negativa, repele los electrones, disminuyendo la corriente del ánodo; si es positiva, fluye más corriente del ánodo, a costa de que la rejilla se convierta en un ánodo diminuto, lo que hace que se forme una corriente de la rejilla que podría dañar el tubo.

El triodo y otros tubos "en cuadrícula" generalmente se polarizan conectando una resistencia de alto valor entre la red y la tierra, y una resistencia de menor valor entre el cátodo y la tierra. La corriente que fluye a través del tubo provoca una caída de voltaje en la resistencia del cátodo, aumentando el voltaje del cátodo con respecto a tierra. La rejilla es negativa con respecto al cátodo, porque el cátodo tiene un potencial más alto que el suelo al que está conectada la rejilla.

Los triodos y otros tubos regulares se pueden usar como interruptores, amplificadores, mezcladores y hay muchos otros usos para elegir. Puede amplificar señales aplicando la señal a la red y dejándola dirigir la corriente del ánodo, si se agrega una resistencia entre el ánodo y la fuente de alimentación, la señal amplificada se puede sacar del voltaje del ánodo, porque la resistencia del ánodo y el tubo actúan similar a un divisor de voltaje, con la parte del triodo variando su resistencia de acuerdo con el voltaje de la señal de entrada.

¡Tetrodes al rescate!

El triodo temprano sufría de baja ganancia y altas capacitancias parasitarias. En la década de 1920 se encontró que al poner una segunda cuadrícula (pantalla) entre la primera y el ánodo, se aumentaba la ganancia y se reducían las capacitancias parásitas, el nuevo tubo se llamaba tetrodo, que significa en griego cuatro (tetra) vías (oda, sufijo). El nuevo tetrodo no era perfecto, sufría de una resistencia negativa causada por una emisión secundaria que podía causar oscilaciones parasitarias. La emisión secundaria se produjo cuando el voltaje de la segunda rejilla era mayor que el voltaje del ánodo, lo que provocó una disminución en la corriente del ánodo con los electrones golpeando el ánodo y golpeando otros electrones y los electrones siendo atraídos por la rejilla de la pantalla positiva, causando un aumento adicional posiblemente dañino en corriente de red.

Pentodes: ¿la última frontera?

Las investigaciones sobre formas de reducir las emisiones secundarias dieron como resultado la invención del pentodo en 1926 por los ingenieros holandeses Bernhard DH Tellegen y Gilles Holst. Se descubrió que la adición de una tercera rejilla, llamada rejilla supresora, entre la rejilla de la pantalla y el ánodo, elimina los efectos de la emisión secundaria al repeler los electrones eliminados del ánodo de vuelta al ánodo, ya que está conectado a tierra o al ánodo. cátodo. Hoy en día, los pentodos se utilizan en transmisores por debajo de 50 MHz, ya que los tetrodos en los transmisores funcionan bien hasta 500 MHz y los triodos hasta el rango de gigahercios, sin mencionar el uso de audiófilos.

Diferentes tipos de tubos de vacío

Aparte de estos tubos "regulares", hay muchos tubos industriales y comerciales especializados diseñados para diferentes usos.

Magnetrón

El magnetrón es similar al diodo, pero con cavidades resonantes formadas en el ánodo del tubo y todo el tubo ubicado entre dos potentes imanes. Cuando se aplica voltaje, el tubo comienza a oscilar, los electrones pasan por las cavidades del ánodo, lo que provoca la generación de señales de radiofrecuencia, en un proceso similar al silbido.

Tubos de rayos X

Los tubos de rayos X se utilizan para generar rayos X con fines médicos o de investigación. Cuando se aplica un voltaje suficientemente alto al diodo del tubo de vacío, se emiten rayos X, cuanto mayor es el voltaje, más corta es la longitud de onda. Para hacer frente al calentamiento del ánodo, causado por los electrones que lo golpean, el ánodo en forma de disco gira, por lo que los electrones golpean diferentes partes del ánodo durante su rotación, mejorando el enfriamiento.

CRT o tubo de rayos catódicos

El CRT o el "tubo de rayos catódicos" era la tecnología de visualización principal en su día. En un CRT monocromático, un cátodo caliente o un filamento que actúa como cátodo emite electrones. En su camino hacia los ánodos, pasan a través de un pequeño orificio en el cilindro de Wehnelt, el cilindro actúa como una rejilla de control para el tubo y ayuda a enfocar los electrones en un haz estrecho. Posteriormente son atraídos y enfocados por varios ánodos de alto voltaje. Esta parte del tubo (cátodo, cilindro de Wehnelt y ánodos) se llama cañón de electrones.. Después de pasar los ánodos, pasan las placas deflectoras e impactan en el frente fluorescente del tubo, provocando que aparezca un punto brillante donde incide el haz. Las placas deflectoras se utilizan para escanear el rayo a través de la pantalla atrayendo y repeliendo electrones en su dirección, hay dos pares de ellos, uno para el eje X y otro para el eje Y

Un pequeño CRT hecho para osciloscopios, se puede ver claramente (desde la izquierda) el cilindro de Wehnelt, los ánodos circulares y las placas deflectoras en forma de letra Y.

Tubo de onda viajera

Los tubos de ondas viajeras se utilizan como amplificadores de potencia de RF a bordo de satélites de comunicación y otras naves espaciales debido a su pequeño tamaño, bajo peso y eficiencia a altas frecuencias. Al igual que el CRT, tiene un cañón de electrones en la parte posterior. Una bobina llamada "hélice" se enrolla alrededor del haz de electrones, la entrada del tubo se conecta al extremo de la hélice más cerca del cañón de electrones y la salida se toma del otro extremo. La onda de radio que fluye a través de la hélice interactúa con el haz de electrones, ralentizándolo y acelerándolo en diferentes puntos, provocando amplificación. La hélice está rodeada por imanes de enfoque de haz y un atenuador en el medio, su propósito es evitar que la señal amplificada regrese a la entrada y cause oscilaciones parásitas. Al final del tubo se ubica un colector,siendo comparable al ánodo de un triodo o pentodo pero no se toma salida de él, se localiza. El haz de electrones impacta en el colector, terminando su historia dentro del tubo.

Tubos Geiger – Müller

Los tubos Geiger – Müller se utilizan en medidores de radiación, consisten en un cilindro de metal (cátodo) con un orificio en un extremo y un alambre de cobre en el medio (ánodo) dentro de una envoltura de vidrio llena de un gas especial. Siempre que una partícula atraviesa el orificio e impacta en la pared del cátodo por un breve momento, el gas en el tubo se ioniza, permitiendo que fluya la corriente. ¡Este impulso se puede escuchar en el altavoz del medidor como un clic característico!