Válvula termoiónica

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Válvula termoiónica

La válvula termoiónica, tamién llamada válvula electrónica, válvula de vacíu, tubu de vacíu o bulbu, ye un componente electrónicu utilizáu p'amplificar, conmutar, o modificar una señal llétrica por aciu el control del movimientu de los electrones nun espaciu "vacíu" a bien baxa presión, o en presencia de gases especialmente escoyíos. La válvula orixinaria foi'l componente críticu que fizo posible el desenvolvimientu de la electrónica mientres la primer metá del sieglu XX, incluyendo la espansión y comercialización de la radiodifusión, televisión, radar, audiu, redes telefóniques, ordenadores analóxicos y dixitales, control industrial, etc. Dalgunes d'estes aplicaciones son anteriores a la válvula, pero esperimentaron una crecedera esplosiva gracies a ella.

A lo llargo de la so historia, fueron introducíos munchos tipos de válvules, pero los principios de funcionamientu básicos son:

• Efeutu Edison. La gran mayoría de les válvules electróniques tán basaes na propiedá que tienen los metales en caliente de lliberar electrones dende la so superficie.
• Gases ionizados. N'otros casos, utilícense les carauterístiques de la conducción electrónica en gases ionizados, esto resulta principalmente importante n'el reguladores de tensión, rectificadores de vapor de mercuriu, válvula de conmutación T/R, etc.
• Efeutu fotoeléctricu N'otros casos, el principiu de funcionamientu basar na emisión d'electrones pol efeutu fotoeléctricu.

El ocaso d'esta teunoloxía empezó cola invención del transistor y el posterior desenvolvimientu de componentes d'estáu sólidu que yeren muncho más pequeños, baratos y fiables que la válvula. Sicasí anguaño entá sobrevive en ciertes aplicaciones específiques, onde por razones téuniques resulten más convenientes. Por casu, en tresmisores de radiofrecuencia d'alta potencia y sistemes de radar utilícense magnetrones, válvules d'onda progresiva TWT, thyratrones, etc. En televisión y sistemes d'imaxe melecinal entá s'utilicen tubos de rayos catódicos o tubos de captura d'imaxe, y nel llar ye la base de funcionamientu del fornu microondes. Tamién siguen siendo llargamente utilizaes en preamplificadores de micrófonos, guitarres y baxos, según n'equipos de soníu d'alta fidelidá.

Anque l'efeutu d'emisión termoiónica foi orixinalmente informáu por Frederick Guthrie en 1873, ye la investigación de Thomas Alva Edison el trabayu más de cutiu mentáu. Edison, al ver que col usu'l cristal de les llámpares incandescentes diba escureciéndose, buscó la forma d'amenorgar dichu efeutu, realizando pa ello diversos esperimentos. Unu d'ellos foi la introducción na angüeña de la llámpara d'un electrodu en forma de placa, que se polarizaba llétricamente col fin d'atraer les partícules que, al paecer, esprender del filamentu. A pesar de que Edison nun entendía a nivel físicu'l funcionamientu, y desconocía el potencial del so «descubrimientu», en 1884 patentar sol nome de "Efeutu Edison".

Al amestar un electrodu planu (placa), cuando'l filamentu calez se produz un baturiciu de los átomos del material que lo anubre, y los electrones de les órbites de valencia son aceleraos, algamando velocidaes d'escape, colo que se forma una nube d'electrones percima del mesmu. La nube termoiónica, fuertemente atraida pola placa, debíu al potencial positivu aplicáu na mesma, da llugar a la circulación d'una corriente electrónica al traviés de la válvula ente'l filamentu y l'ánodu. A esti fenómenu denominar Efeutu Edison-Richardson o termoiónico.

Llegaos a esti puntu, tenemos que la válvula termoiónica más simple ta constituyida por una angüeña de vidriu, similar a la de les llámpares de incandescencia, a la que se-y practicó'l vacíu y na que se topen zarraos dos electrodos, denominaos cátodu y ánodu.

Físicamente, el cátodu, consiste nun filamentu de wolframiu, recubiertu por una sustancia rica n'electrones llibres, que se calecer por aciu el pasu d'una corriente. L'ánodu ta formáu por una placa metálica qu'arrodia al filamentu a una cierta distancia y a la que s'aplica un potencial positivu. Por constar de dos electrodos a la válvula antes descrita denominar diodu.

En cuantes que la función de cátodu ye realizada direutamente pol filamentu, tratar d'una válvula de caldéu direutu.

Cuando quieren llograse mayores corrientes al traviés de la válvula y un aislamientu llétricu ente la fonte de corriente de caldéu del filamentu y la d'ánodu-cátodu, utilízase un cátodu independiente constituyíu por un pequeñu tubu metálicu revistíu o "pintáu" con dalgún material rico n'electrones llibres, como'l óxidu de toriu, qu'arrodia'l filamentu, aislláu llétricamente, pero bien próximu a él pa poder calecer afechiscamente. Nesti casu la válvula denominar de caldéu indireutu, pudiendo entós la corriente del caldéu ser inclusive alterna. Nesti tipu de válvules el filamentu solo ye l'elementu calefactor y nun se considera un electrodu activu. Al tar los filamentos aisllaos pueden conectase xuntos (en serie o paralelu) los filamentos de toles válvules del equipu, lo que nun ye posible con cátodos de caldéu direutu.

Si amiéstense otros electrodos ente ánodu y cátodu (llamaos rexelles) puede controlase o modular el fluxu d'electrones que lleguen al ánodu, d'ende la denominación de válvula.

Debíu al fechu de que la corriente pel interior de la válvula solo puede circular nun sentíu, una de les aplicaciones de les válvules termoiónicas ye'l so usu como rectificador. Coles mesmes, y yá que con pequeñes diferencies de potencial aplicaes ente rexella y cátodu pueden producise variaciones considerables de la corriente circulante ente cátodu y ánodu, otra aplicación, posiblemente la más importante, ye como amplificador.

Anque esiste una gran diversidá de tipos de válvules termoiónicas, tantu na so aplicación como nos sos principios de funcionamientu (control de la cantidá d'electrones, en triodos, tetrodos, pentodos; modulación de la so velocidá en klistrones; acoplo ente'l fluxu d'electrones y una onda electromagnética en tubos d'onda progresiva; etc), la mayoría comparten una serie de carauterístiques comunes que se fueron potenciando al dir avanzando'l so desenvolvimientu teunolóxicu.

El filamentu ye l'órganu calefactor qu'apurre la enerxía abonda por que'l cátodu emita una cantidá d'electrones afecha.

Nes primeres válvules, el filamentu tamién actuaba como cátodu (cátodu de caldéu direutu). Darréu dixebráronse les funciones, quedando'l filamentu namái como calefactor y el cátodu como electrodu separáu (cátodu de caldéu indireutu). Dambes formes convivieron yá que el caldéu direutu ameyora la tresferencia térmica ente'l cátodu y el filamentu, ente que'l caldéu indireutu simplifica grandemente'l diseñu de los circuitos y dexa optimizar cada unu de los electrodos.

El filamentu, al tar caliente, vese sometíu al efeuto de sublimación del material de la so superficie, esto ye, el so pasu al estáu gaseosu, lo que va amenorgando la so seición en ciertos puntos qu'agora se calecer más que'l restu, aumentando la sublimación nellos hasta que'l filamentu ruémpese. Esti efeutu mengua descomanadamente si trabayar a temperatures baxes con materiales d'altu puntu de fusión (wolframiu...). Por ello la temperatura de los filamentos foi baxando.

Efeutu microfónico: esti efeutu consiste na tresmisión al filamentu de vibraciones mecániques. Cuando'l filamentu cimbla, tresmite estes oscilaciones al cátodu, variando la so distancia cola rexella, lo que produz una modulación na corriente d'electrones. Nel ánodu, la señal útil apaez modulada poles vibraciones mecániques, lo que ye especialmente desagradable nel casu d'amplificadores d'audiu, una y bones les vibraciones que s'acoplen provienen del propiu altavoz.

Los campos magnéticos tamién pueden crear oscilaciones del filamentu, por ello delles válvules zarrar en tubos de gran permeabilidá magnética (mu-metal).

El cátodu ye'l responsable de la emisión d'electrones, que tien de ser constante a lo llargo de la vida de la válvula. Desgraciadamente, esto nun ye asina, y los cátodos van escosándose según avieyen.

Pa enllargar la vida de los filamentos, la temperatura de funcionamientu de los cátodos foi faciéndose cada vez menor, gracies al emplegu de materiales con un potencial d'estracción d'electrones más baxu (aleaciones de toriu, óxidos de lantánidos... )

Los cátodos tamién tienen de ser bonos conductores, lo que llinda l'aplicación de dellos recubrimientos a aplicaciones bien particulares. Por casu, l'óxidu de calciu suel anubrir los filamentos de les pantalles de vacíu fluorescentes (VFD).

L'ánodu recibe'l fluxu d'electrones que, na mayoría de les válvules, fueron aceleraos hasta adquirir gran enerxía que tresfieren al ánodu cuando topeten contra él. Por ello, los ánodos de les válvules de potencia son grandes, munches vegaes masivos y formen parte del propiu cuerpu de la válvula, pudiendo esfrecese direutamente dende l'esterior, por contautu con una superficie fría, aire a presión, vapor d'agua, etc. Enantes, la refrigeración d'ánodu realizábase fundamentalmente por radiación, polo que les angüeñes de vidriu yeren grandes y separaes del ánodu, por que ésti pudiera adquirir gran temperatura.

La emisión secundaria ye un efeutu, de normal indeseable, que se produz nel ánodu, cuando los electrones incidentes, de gran enerxía, arrinquen electrones del metal. Anque en delles válvules esti efeutu aprovechar pa llograr ganancia, na mayoría d'elles degrada la señal y tien d'evitase.

Un menor grau de vacíu implica la presencia d'un mayor númberu de molécules de gas na válvula, aumentando'l númberu de choques colos electrones y menguando el rendimientu del tubu. Pero un menor vacíu implica una mayor gastadura de los filamentos, polo qu'históricamente se foi avanzando escontra les válvules d'altu vacíu por aciu una meyora conxunta en tolos demás componentes. Sicasí, delles válvules como los tiratrones basen el so funcionamientu na presencia de ciertos gases enllenando'l tubu.

Los metales y otros materiales tienen propiedaes d'absorción y adsorción de gases de l'atmósfera, y cuando se calecer a baxa presión van lliberar amodo. Por ello, anque s'estrayiga tol aire d'una válvula, col usu, el vacíu interior amenórgase. Pa evitalo utilízase'l getter, que ye un material (por casu, magnesiu) que se evapora una vegada selláu'l tubu. El magnesiu evaporado depositar na superficie del vidriu formando un recubrimientu brillosu. El getter adsorbe les molécules de gas que puedan lliberar nel tubu, calteniendo la integridá del vacíu. Cuando entra aire nel tubu, el getter vuélvese ablancazáu.

El material más utilizáu en construcción del "recipiente" de la válvula ye'l vidriu, yá heredáu de la fabricación de bombilles. Pero'l vidriu tien baxu puntu de fusión, ye un bon aislante térmicu y ye fráxil, de cuenta que pa válvules d'alta potencia y radiofrecuencia prefier utilizase cerámiques, que son menos fráxiles, tienen bona conductividá térmica y altu puntu de fusión. El so talón d'Aquiles foi l'establecimientu d'uniones enllanques y duraderes ente la cerámica y el metal (conexones de los electrodos, ánodu, disipadores). Una vegada resueltu'l problema, la cerámica movió al vidriu en válvules de potencia y de microondes.

Según el númberu d'electrodos les válvules clasificar en: diodos, triodos, tetrodos, pentodos, y asina socesivamente.

Otros tipos de válvules termoiónicas son los

• Tiratrones: triodos rellenos de gas.
• Tubu de rayos catódicos: les pantalles de televisión, osciloscopios, etc.
• Iconoscopios, orticones, vidicones, plumbicones: son tubos de cámara de televisión.
• Güeyos máxicos: indicadores de sintonía, indicador d'equilibriu de ponte, voltímetros y multímetros, indicador de saturación en grabadores de cinta magnética.
• Klistrones, magnetrones, tubos d'onda progresiva, toos ellos dispositivos de microondes.
• Decatrón y trocotrón, tubos contadores.
• Selectrón: memoria dixital.
• Tubu Williams: memoria dixital.
• VFD: displays fluorescentes de vacíu.

Similares a les válvules termoiónicas, pero ensin emplegar l'efeutu Edison son:

• Rectificadores de mercuriu, Ingnitrones, pal manexu d'alta potencia.
• Tubos Nixie, Displays de neón.
• Célules fotoeléctriques, basaes nel efeutu Einstein.
• Célules o tubos T-R, pa proteición de los receptores de radar.
• Detector Geiger-Müller, detector de radiaciones ionizantes.
• Estabistores, tubos reguladores de tensión.

• Wikimedia Commons acueye conteníu multimedia sobre Válvules termoiónicas.

• Transistores Vs. Válvules, Oscar Bonello, fundador de Solidyne y miembru d'Audiu Engineering Society (AES), propón una interpretación posible sobre la rivalidá ye un emo s prefieren un componente o otru en materia d'equipos d'audiu d'alta fidelidá pa usu llariegu.
• Información sobre componentes p'amplificadores a válvules y válvules de receición, por Matías Aizpurúa
• Asociación de coleicionistes
• Virtual Valve Museum
• Válvules d'amplificador
• Simboloxía de les válvules termoiónicas