Vàlvula termoiònica

Erro al crear miniatura:

Vàlvula termoiònica

La vàlvula termoiònica, també cridada vàlvula electrònica, vàlvula de buit, tubo de buit o bulbo, és un component electrònic utilisat per a amplificar, commutar, o modificar una senyal elèctrica per mig del control del moviment dels electrons en un espai buit a molt baixa pressió, o en presència de gasos especialment seleccionats. La vàlvula originària va ser el component crític que va possibilitar el desenroll de l'electrònica durant la primera mitat del XX, incloent l'expansió i comercialisació de la radiodifusió, televisió, radar, àudio, rets telefòniques, computadores analògiques i digitals, control industrial, etc. Algunes d'estes aplicacions són anteriors a la vàlvula, pero varen experimentar un creiximent explosiu gràcies a ella. A lo llarc de la seua història, varen ser introduïts molts tipos de vàlvules, pero els principis de funcionament bàsics són:

• Efecte Edison. La gran majoria de les vàlvules electròniques estan basades en la propietat que tenen els metals en calent de lliberar electrons des de la seua superfície.
• Gasos ionizados. En atres casos, s'utilisen les característiques de la conducció electrònica en gasos ionizados, açò resulta principalment important en els reguladors de tensió, rectificadores de vapor de mercuri, vàlvula de conmutación T/R, etc.
• Efecte fotoeléctrico En atres casos, el principi de funcionament es basa en l'emissió d'electrons pel efecte fotoeléctrico. L'ocàs d'esta tecnologia va començar en l'invenció del transistor i el posterior desenroll de components d'estat sòlit que eren molt més chicotets, barats i fiables que la vàlvula. No obstant hui en dia encara sobreviu en certes aplicacions específiques, a on per raons tècniques resulten més convenient. Per eixemple en transmissors de radiofrecuencia d'alta potència i sistemes de radar s'utilisen magnetrones, vàlvules d'ona progressiva TWT, tiratrones, etc. En televisió i sistemes d'image medicinal encara s'utilisen tubos de rajos catódicos o tubos de captura d'image, i en la llar és la base de funcionament del forn microones. També seguixen sent àmpliament utilisades en preamplificadores de micròfons, guitarres i baixos, aixina com en equips de sò d'alta fidelitat.

Història

Artícul principal → Història de la vàlvula termoiònica.

Erro al crear miniatura:

Diodo de buit produït per Philips.

Encara que l'efecte d'emissió termoiònica va ser originalment informat per Frederick Guthrie en 1873, és l'investigació de Thomas Alva Edison el treball més a sovint mencionat. Edison, al vore que en l'us el cristal de les llànties incandescents s'anava enfosquint, va buscar la forma d'aminorar dit efecte, realisant per a això diversos experiments. Un d'ells va ser introduir en l'ampolla de la llàntia un electrodo en forma de placa, que es polarisava eléctricamente en la finalitat d'atraure les partícules que, segons pareix, es desprenien del filament. A pesar de que Edison no comprenia a nivell físic el funcionament, i desconeixia el potencial del seu «descobriment», en 1884 ho va patentar baix el nom de "Efecte Edison".

Triodo de 1906.

En agregar un electrodo pla (placa), quan el filament es calfa es produïx una agitació dels àtoms del material que ho recobrix, i els electrons de les òrbites de valència són accelerats, alcançant velocitats d'escape, en lo que es forma un núvol d'electrons per damunt del mateix. El núvol termoiònic, fortament atreta per la placa, pel potencial positiu aplicat en la mateixa, dona lloc a la circulació d'una corrent electrònica a través de la vàlvula entre el filament i l'ànodo. A este fenomen se li denomina Efecte Edison-Richardson o termoiònic. Aplegats a este punt, tenim que la vàlvula termoiònica més simple està constituïda per una ampolla de vidre, similar a la de les llànties d'incandescència, a la que se li ha practicat el buit i en la que es troben tancats dos electrodos, denominats càtodo i ànodo. Físicament, el càtodo, consistix en un filament de wolframio, recobert per una substància rica en electrons lliures, que es calfa per mig del pas d'una corrent. L'ànodo està format per una placa metàlica que rodeja al filament a una certa distància i a la que s'aplica un potencial positiu. Per constar de dos electrodos a la vàlvula abans descrita se li denomina diodo. Mentres que la funció de càtodo és realisada directament pel filament, es tracta d'una vàlvula de caldeo directe. Quan es volen obtindre majors corrents a través de la vàlvula i un aïllament elèctric entre la font de corrent de caldeo del filament i la d'ànodo-càtodo, s'utilisa un càtodo independent constituït per un chicotet tubo metàlic revestit o "pintat" en algun material ric en electrons lliures, com el òxit de tori, que rodeja el filament, aïllat eléctricamente, pero molt pròxim a ell per a poder calfar-ho adequadament. En este cas la vàlvula es denomina de caldeo indirecte, podent llavors la corrent del caldeo ser inclús alterna. En este tipo de vàlvules el filament solament és l'element calefactor i no es considera un electrodo actiu. En estar els filaments aïllats es poden conectar junts (en série o paral) els filaments de totes les vàlvules de l'equip, lo que no és possible en càtodos de caldeo directe. Si s'agreguen atres electrodos entre ànodo i càtodo (cridats reixetes) es pot controlar o modular el fluix d'electrons que apleguen a l'ànodo, d'ahí la denominació de vàlvula. Pel fet de que la corrent per l'interior de la vàlvula solament pot circular en un sentit, una de les aplicacions de les vàlvules termoiòniques és la seua utilisació com rectificador. Aixina mateix, i ya que en chicotetes diferències de potencial aplicades entre reixeta i càtodo es poden produir variacions considerables de la corrent circulant entre càtodo i ànodo, una atra aplicació, possiblement la més important, és com amplificador.

Característiques

Símbol del diodo de buit.

Símbol del triodo.

Símbol del tetrodo.

Símbol del pentodo.

Encara que existix una gran diversitat de tipos de vàlvules termoiòniques, tant en la seua aplicació com en els seus principis de funcionament (control de la cantitat d'electrons, en triodos, tetrodos, pentodos; modulació de la seua velocitat en klistrones; acople entre el fluix d'electrons i una ona electromagnètica en tubos d'ona progressiva; etc.), la majoria compartixen una série de característiques comunes que s'han anat potenciant en anar alvançant el seu desenroll tecnològic.

Filaments

El filament és l'orgue calefactor que proporciona l'energia suficient per a que el càtodo emeta una cantitat d'electrons adequada. En les primeres vàlvules, el filament també actuava com a càtodo (càtodo de caldeo directe). Posteriorment es varen separar les funcions, quedant el filament sol com calefactor i el càtodo com a electrodo separat (càtodo de caldeo indirecte). Abdós formes varen conviure, ya que el caldeo directe millora la transferència tèrmica entre el càtodo i el filament, mentres que el caldeo indirecte simplifica grandemente el disseny dels circuits i permet optimisar cada u dels electrodos. El filament, en estar calent, es veu somés l'efecte de sublimació del material de la seua superfície, és dir, el seu pas a l'estat gaseós, lo que va reduint la seua secció en certs punts que ara es calfen més que el restant, aumentant la sublimació en ells fins que el filament es trenca. Este efecte disminuïx enormement si es treballa a temperatures baixes en materials d'alt punt de fusió (wolframio...). Per això la temperatura dels filaments ha anat descendint. Efecte microfónico: este efecte consistix en la transmissió al filament de vibracions mecàniques. Quan el filament vibra, transmet estes oscilacions al càtodo, variant la seua distància en la reixeta, lo que produïx una modulació en la corrent d'electrons. En l'ànodo, la senyal útil apareix modulada per les vibracions mecàniques, lo que és especialment desagradable en el cas d'amplificadors d'àudio, ya que les vibracions que s'acoplen provenen del propi altaveu. Els camps magnètics també poden crear oscilacions del filament, per això algunes vàlvules es tancaven en tubos de gran permeabilidad magnètica (mu-metal).

Ajust de bias

En l'àmbit dels amplificadors d'àudio, especialment en els d'instruments musicals, la polarisació o bias determina el punt d'operació de les vàlvules de potència. Un ajust correcte és crític per a evitar la distorsió per creuament (bias fret) o el sobrecalfament i reducció de la vida útil de la vàlvula (bias calenta). La medició es realisa habitualment calculant el malbarat de placa en repòs, sent l'estàndart habitual un valor propenc al 70% de la seua capacitat màxima en amplificadors de classe AB

Càtodos

El càtodo és el responsable de l'emissió d'electrons, que deu ser constant a lo llarc de la vida de la vàlvula. Desgraciadament, açò no és aixina, i els càtodos es van agotant segons envellixen. Per a prolongar la vida dels filaments, la temperatura de funcionament dels càtodos ha anat fent-se cada volta menor, gràcies a l'ocupació de materials en un potencial d'extracció d'electrons més baix (aleacions de tori, òxits de lantànits... ). Els càtodos també deuen ser bons conductors, lo que llimita l'aplicació d'alguns recobriment a aplicacions molt particulars. Per eixemple, l'òxit de calcio sol recobrir els filaments de les pantalles de buit fluorescents (VFD).

Ànodos

L'ànodo rep el fluix d'electrons que, en la majoria de les vàlvules, han segut accelerats fins a adquirir gran energia que transferixen a l'ànodo quan choquen contra ell. Per això, els ànodos de les vàlvules de potència són grans, moltes voltes massius i formen part del propi cos de la vàlvula, podent refrigerar-se directament des de l'exterior, per contacte en una superfície freda, aire a pressió, vapor d'aigua, etc. Anteriorment, la refrigeració d'ànodo es realisava fonamentalment per radiació, per lo que les ampolles de vidre eren grans i separades de l'ànodo, per a que este poguera adquirir gran temperatura. L'emissió secundària és un efecte, normalment indesijable, que es produïx en l'ànodo, quan els electrons incidents, de gran energia, arranquen electrons del metal. Encara que en algunes vàlvules este efecte s'aprofita per a obtindre guany, en la majoria d'elles degrada la senyal i deu evitar-se.

Buide

Un menor grau de buit implica la presència d'un major número de molècules de gas en la vàlvula, aumentant el número de colisions en els electrons i disminuint el rendiment del tubo. Ademés un menor buit implica un major desgast dels filaments, per lo que històricament s'ha anat alvançant cap a les vàlvules d'alt buit per mig d'un alvanç conjunt en tots els demés components. No obstant, algunes vàlvules com els tiratrones basen el seu funcionament en la presència de certs gasos omplint el tubo. Els metals i atres materials tenen propietats d'absorció i adsorció de gasos de l'atmòsfera, i quan es calfen a baixa pressió els van lliberant llentament. Per això, encara que s'extraga tot l'aire d'una vàlvula, en l'us, el buit interior es reduïx. Per a evitar-ho s'utilisa el getter, que és un material (per eixemple, magnesi) que s'evapora una volta sagellat el tubo. El magnesi evaporat es deposita en la superfície del vidre formant un recobriment lluent. El getter adsorbe les molècules de gas que puguen lliberar-se en el tubo, mantenint l'integritat del buit. Quan entra aire en el tubo, el getter es torna blanquecino.

Ceràmiques

El material més utilisat en construcció del "recipient" de la vàlvula és el vidre, ya heretat de la fabricació de peres. Pero el vidre té baix punt de fusió, és un bon aïllant tèrmic i és fràgil, de modo que per a vàlvules d'alta potència i radiofrecuencia es preferix utilisar ceràmiques, que són menys fràgils, tenen bona conductivitat tèrmica i alt punt de fusió. El seu taló d'Aquiles ha segut l'establiment d'unions estanques i duradores entre la ceràmica i el metal (conexions dels electrodos, ànodo, disipadores). Una volta resolt el problema, la ceràmica ha desplaçat al vidre en vàlvules de potència i de microones.

Diodos

AP

Els primers diodos de John Ambrose Fleming.

A finals del XIX, la tecnologia de radi o inalàmbrica es trobava en una etapa primerenca de desenroll i l'empresa Marconi es dedicava al desenroll i construcció de sistemes de comunicació per ràdio. Guglielmo Marconi va nomenar al físic anglés John Ambrose Fleming com a assessor científic en 1899. Fleming havia treballat com a assessor científic d'Edison Telephone (1879), com a assessor científic d'Edison Electric Light (1882) i també va ser consultor tècnic d'Edison-Swan. Una de les necessitats de Marconi era la millora del detector, un dispositiu que extrau informació d'una radiofrecuencia modulada. Marconi havia desenrollat un detector magnètic, que responia menys a les fonts naturals d'interferència de radiofrecuencia que el cohesor, pero el detector magnètic només proporcionava una senyal d'audiofrecuencia a un receptor de teléfon. Es necessitava un detector fiable que poguera controlar un instrument d'impressió. Com a resultat dels experiments realisats en peres d'efecte Edison, Fleming va desenrollar un tubo de buit al que va denominar vàlvula d'oscilació perque passava corrent en una sola direcció. El càtodo era un filament de llàntia de carbono, calfat en passar corrent a través d'ell, que produïa una emissió termoiònica d'electrons. Els electrons que havien segut emesos pel càtodo varen ser atrets cap a la placa (ànodo) quan la placa tenia un voltage positiu sobre el càtodo. Els electrons no podien passar en la direcció inversa perque la placa no estava calfada i no era capaç d'emetre electrons termoiònics. Fleming va presentar una palesa per a estos tubos, cedida a l'empresa Marconi, en el Regne Unit en novembre de 1904, i esta palesa es va otorgar en setembre de 1905. Més tart coneguda com a vàlvula de Fleming, la vàlvula d'oscilació es va desenrollar en el propòsit de rectificar la corrent de radiofrecuencia com a component detector dels circuits receptors de ràdio. Si ben no oferia cap ventaja sobre la sensibilitat elèctrica dels detectors de cristal(detector de bigots de gat) la vàlvula Fleming oferia ventages, particularment en l'us a bordo, sobre la dificultat d'ajust del detector de bigots de gat i la susceptibilitat del detector de bigots de gat a ser desestajat de l'ajust per vibració o chocar.

Triodos

AP

El primer triodo, el de Forest Audion, inventat en 1906.

Els triodos, tal com varen evolucionar a lo llarc d'uns 45 anys de fabricació de tubos, des del RE16 en 1918 fins a un tubo en miniatura de la década de 1960.

Símbol de triodo. De dalt avall: placa (ànodo), reixeta de control, càtodo, calfador (filament).

En el XIX, els ingeniers de telégrafs i teléfons varen reconéixer la necessitat d'ampliar la distància a la que es podien transmetre les senyals. En 1906, Robert von Lieben va solicitar una palesa per a un tubo de rajos catódicos que utilisava una bobina de desviació magnètica externa i estava destinat a ser utilisat com a amplificador en equips de telefonia. No obstant, este tubo de desviació magnètic de von Lieben no va ser un amplificador exitós per la potència utilisada per la bobina de desviació. Més tart, Von Lieben perfeccionaria els tubos de buit triodos. A Llig de Forest se li atribuïx l'invenció del tubo triodo en 1907 mentres experimentava per a millorar el seu Audion (diodo) original. En colocar un electrodo adicional entre el filament (càtodo) i la placa (ànodo), va descobrir la capacitat del dispositiu resultant per a amplificar senyals. A mida que el voltage aplicat a la reixeta de control (o simplement "reixeta") es reduïra del voltage del càtodo a voltages un poc més negatius, la cantitat de corrent del filament a la placa es reduiria. El camp electrostàtic negatiu creat per la reixeta en les proximitats del càtodo inhibiria el pas dels electrons emesos i reduiria la corrent a la placa. En el voltage de la ret menor que el del càtodo, no podria passar corrent contínua del càtodo a la ret. Per lo tant, un canvi de voltage aplicat a la ret, que requerix molt poca entrada d'energia a la ret, podria provocar un canvi en la corrent de la placa i conduir a un canvi de voltage molt major en la placa; el resultat va ser amplificament de voltage i potència. En 1908, a De Forest se li va concedir una palesa (palés nortamericà 879.532) per a una versió de tres electrodos del seu Audion original per al seu us com a amplificador electrònic en comunicacions per ràdio. Açò finalment es va conéixer com el triodo.

Tipologia

Segons el número d'electrodos les vàlvules es classifiquen en: diodos, triodos, tetrodos, pentodos, i aixina successivament. Atres tipos de vàlvules termoiòniques són:

• Tiratrones: triodos farcidures de gas.
• Tubo de rajos catódicos: les pantalles de televisió, osciloscopis, etc.
• Iconoscopios, orticones, vidicones, plumbicones: són tubos de cambra de televisió.
• Ulls màgics: indicadors de sintonia, indicador d'equilibri de pont, voltímetros i multímetros, indicador de saturació en gravadors de cinta magnètica.
• Klistrones, magnetrones, tubos d'ona progressiva, tots ells dispositius de microones.
• Decatrón i trocotrón, tubos contadors.
• Selectrón: memòria digital.
• Tubo Williams: memòria digital.
• VFD: displays fluorescents de buit.

Similars

Similars a les vàlvules termoiòniques, pero sense amprar l'efecte Edison són:

• Rectificadores de mercuri, Ignitrones, per al maneig d'alta potència.
• Tubos Nixie, Displays de neó.
• Cèles fotoeléctricas, basades en l'efecte Einstein.
• Cèles o tubos T-R, per a protecció dels receptors de radar.
• Detector Geiger-Müller, detector de radiacions ionisants.
• Estabistores, tubos reguladors de tensió.

Enllaços externs

Commons

• Wikimedia Commons alberga contingut multimèdia sobre Vàlvules termoiòniques.

• archive. org/web/20100916183616/http://hifi. suite101. net/artícul. cfm/amplificadores-transistorizados-vs-amplificadores-valvulares Transistors Vs. Vàlvules, Oscar Bonello, fundador de Solidyne i membre d'Àudio Engineering Society (AES), propon una interpretació possible sobre la rivalitat és un emo s preferixen un component o un atre en matèria d'equips d'àudio d'alta fidelitat per a us hogareño.
• archive. org/web/20100323040716/http://hifi. suite101. net/artícul. cfm/amplificadores-de-audio-a-vlvulas Informació sobre components per a amplificadors a vàlvules i vàlvules de recepció, per Matías Aizpurúa
• tubecollectors. org/ Associació de coleccionistes
• valvecollector. uk/ Virtual Valve Museum
• guitarristas. org/index. php? pid=26 Vàlvules d'amplificador
• simbologia-electronica. com/simbolos_electronicos/simbolos_valvulas_electronicas. htm Simbologia de les vàlvules termoiòniques