Las Válvulas Termoiónicas


La válvula termoiónica o tubo de vacío, es un componente electrónico utilizado para amplificar, conmutar, o modificar una señal eléctrica mediante el control del movimiento de los electrones en un espacio “vacío” a muy baja presión, o en presencia de gases especialmente seleccionados.

Diferentes tipos de válvulas termoiónicas
Diferentes tipos de válvulas termoiónicas

La válvula originaria fue el componente crítico que posibilitó el desarrollo de la electrónica durante la primera mitad del siglo XX, incluyendo la expansión y comercialización de la radiodifusión, televisión, radar, audio, redes telefónicas, computadoras analógicas y digitales, control industrial, etc.

Algunas de estas aplicaciones son anteriores a la válvula, pero vivieron un crecimiento explosivo gracias a ella.

A lo largo de su historia, fueron introducidos muchísimos tipos de válvulas, pero los principios de funcionamiento básicos son:

 Efecto Edison. La gran mayoría de las válvulas electrónicas están basadas en la propiedad que tienen los metales en caliente de liberar electrones desde su superficie.

 Gases ionizados. En otros casos, se utilizan las características de la conducción electrónica en gases ionizados, esto resulta principalmente importante en los reguladores de tensión, rectificadores de vapor de mercurio, válvula de conmutación T/R, etc.

 Efecto fotoeléctrico En otros casos, el principio de funcionamiento se basa en la emisión de electrones por el efecto fotoeléctrico.

El ocaso de esta tecnología comenzó con la invención del transistor y el posterior desarrollo de componentes de estado sólido que eran mucho más pequeños, baratos y fiables que la válvula. Sin embargo hoy en día aún sobrevive en ciertas aplicaciones específicas, donde por razones técnicas resultan más conveniente.

Por ejemplo en transmisores de radiofrecuencia de alta potencia y sistemas de radar se utilizan magnetrones, válvulas de onda progresiva TWT, thyratrones, etc. En televisión y sistemas de imagen medicinal aún se utilizan tubos de rayos catódicos o tubos de captura de imagen, y en el hogar es la base de funcionamiento del horno microondas.

También siguen siendo ampliamente utilizadas en preamplificadores de micrófonos, guitarras y bajos, así como en equipos de sonido de alta fidelidad.

Composición de la válvula

Aunque el efecto de emisión termoiónica fue originalmente informado por Frederick Guthrie en 1873, es la investigación de Thomas Alva Edison el trabajo más a menudo mencionado. Edison, al ver que con el uso el cristal de las lámparas incandescentes se iba oscureciendo, buscó la forma de aminorar dicho efecto, realizando para ello diversos experimentos.

Estructura interna de la válvula termoiónica
Estructura interna de la válvula termoiónica

Uno de ellos fue la introducción en la ampolla de la lámpara de un electrodo en forma de placa, que se polarizaba eléctricamente con el fin de atraer las partículas que, al parecer, se desprendían del filamento.
A pesar de que Edison no comprendía a nivel físico el funcionamiento, y desconocía el potencial de su “descubrimiento”, en 1884 Edison lo patentó bajo el nombre de “Efecto Edison”.

Al agregar un electrodo plano (placa), cuando el filamento se calienta se produce una agitación de los átomos del material que lo recubre, y los electrones de las órbitas de valencia son acelerados, alcanzando velocidades de escape, con lo que se forma una nube de electrones por encima del mismo. La nube termoiónica, fuertemente atraída por la placa, debido al potencial positivo aplicado en la misma, da lugar a la circulación de una corriente electrónica a través de la válvula entre el filamento y el ánodo. A este fenómeno se le denomina Efecto Edison-Richardson o termoiónico.

Características

Aunque existe una gran diversidad de tipos de válvulas termoiónicas, tanto en su aplicación como en sus principios de funcionamiento (control de la cantidad de electrones, en triodos, tetrodos, pentodos; modulación de su velocidad en klistrones; acoplo entre el flujo de electrones y una onda electromagnética en tubos de onda progresiva; etc), la mayoría comparten una serie de características comunes que se han ido potenciando al ir avanzando su desarrollo tecnológico.

Filamentos

El filamento es el órgano calefactor que proporciona la energía suficiente para que el cátodo emita una cantidad de electrones adecuada.

En las primeras válvulas, el filamento también actuaba como cátodo (cátodo de caldeo directo). Posteriormente se separaron las funciones, quedando el filamento sólo como calefactor y el cátodo como electrodo separado (cátodo de caldeo indirecto). Ambas formas convivieron ya que el caldeo directo mejora la transferencia térmica entre el cátodo y el filamento, mientras que el caldeo indirecto simplifica grandemente el diseño de los circuitos y permite optimizar cada uno de los electrodos.

El filamento, al estar caliente, se ve sometido al efecto de sublimación del material de su superficie, es decir, su paso al estado gaseoso, lo que va reduciendo su sección en ciertos puntos que ahora se calientan más que el resto, aumentando la sublimación en ellos hasta que el filamento se rompe. Este efecto disminuye enormemente si se trabaja a temperaturas bajas con materiales de alto punto de fusión (wolframio…). Por ello la temperatura de los filamentos ha ido descendiendo.

Efecto microfónico: este efecto consiste en la transmisión al filamento de vibraciones mecánicas. Cuando el filamento vibra, transmite estas oscilaciones al cátodo, variando su distancia con la rejilla, lo que produce una modulación en la corriente de electrones. En el ánodo, la señal útil aparece modulada por las vibraciones mecánicas, lo que es especialmente desagradable en el caso de amplificadores de audio, ya que las vibraciones que se acoplan provienen del propio altavoz.

Los campos magnéticos también pueden crear oscilaciones del filamento, por ello algunas válvulas se encerraban en tubos de gran permeabilidad magnética (mu-metal).

Cátodos

El cátodo es el responsable de la emisión de electrones, que debe ser constante a lo largo de la vida de la válvula. Desgraciadamente, esto no es así, y los cátodos se van agotando según envejecen.

Para prolongar la vida de los filamentos, la temperatura de funcionamiento de los cátodos ha ido haciéndose cada vez menor, gracias al empleo de materiales con un potencial de extracción de electrones más bajo (aleaciones de torio, óxidos de lantánidos… )

Los cátodos también deben ser buenos conductores, lo que limita la aplicación de algunos recubrimientos a aplicaciones muy particulares. Por ejemplo, el óxido de calcio suele recubrir los filamentos de las pantallas de vacío fluorescentes (VFD).

Ánodos

El ánodo recibe el flujo de electrones que, en la mayoría de las válvulas, han sido acelerados hasta adquirir gran energía que transfieren al ánodo cuando chocan contra él. Por ello, los ánodos de las válvulas de potencia son grandes, muchas veces masivos y forman parte del propio cuerpo de la válvula, pudiendo refrigerarse directamente desde el exterior, por contacto con una superficie fría, aire a presión, vapor de agua, etc. Anteriormente, la refrigeración de ánodo se realizaba fundamentalmente por radiación, por lo que las ampollas de vidrio eran grandes y separadas del ánodo, para que éste pudiese adquirir gran temperatura.

La emisión secundaria es un efecto, normalmente indeseable, que se produce en el ánodo, cuando los electrones incidentes, de gran energía, arrancan electrones del metal. Aunque en algunas válvulas este efecto se aprovecha para obtener ganancia, en la mayoría de ellas degrada la señal y debe evitarse.

Vacío

Un menor grado de vacío implica la presencia de un mayor número de moléculas de gas en la válvula, aumentando el número de colisiones con los electrones y disminuyendo el rendimiento del tubo. Además un menor vacío implica un mayor desgaste de los filamentos, por lo que históricamente se ha ido avanzando hacia las válvulas de alto vacío mediante un avance conjunto en todos los demás componentes. Sin embargo, algunas válvulas como los tiratrones basan su funcionamiento en la presencia de ciertos gases llenando el tubo.

Los metales y otros materiales tienen propiedades de absorción y adsorción de gases de la atmósfera, y cuando se calientan a baja presión los van liberando lentamente. Por ello, aunque se extraiga todo el aire de una válvula, con el uso, el vacío interior se reduce. Para evitarlo se utiliza el getter, que es un material (por ejemplo, magnesio) que se evapora una vez sellado el tubo. El magnesio evaporado se deposita en la superficie del vidrio formando un recubrimiento brillante. El getter adsorbe las moléculas de gas que puedan liberarse en el tubo, manteniendo la integridad del vacío. Cuando entra aire en el tubo, el getter se vuelve blanquecino.

Cerámicas

El material más utilizado en construcción del “recipiente” de la válvula es el vidrio, ya heredado de la fabricación de bombillas. Pero el vidrio tiene bajo punto de fusión, es un buen aislante térmico y es frágil, de modo que para válvulas de alta potencia y radiofrecuencia se prefiere utilizar cerámicas, que son menos frágiles, tienen buena conductividad térmica y alto punto de fusión. Su talón de Aquiles ha sido el establecimiento de uniones estancas y duraderas entre la cerámica y el metal (conexiones de los electrodos, ánodo, disipadores). Una vez resuelto el problema, la cerámica ha desplazado al vidrio en válvulas de potencia y de microondas.

Tipos de Válvulas Existentes

Válvula Diodo

Composición de la válvula termoiónica
Composición de la válvula termoiónica

La válvula termoiónica de vacío más simple que existe es el diodo y fue inventado por John Ambrose Fleming.

Consta de dos electrodos, el cátodo y el ánodo o placa. Gracias al efecto termoiónico, ocurre el milagro de la conducción eléctrica en el sentido cátodo-ánodo, y no al contrario. Por ello se le llama válvula a estos dispositivos, y los hay de dos tipos:

  • Cátodo de caldeo directo, el emisor es un simple filamento de tungsteno.
  • Cátodo de caldeo indirecto, el filamento está recubierto de óxido de bario e introducido en un pequeño cilindro de níquel; el filamento y el cilindro están eléctricamente aislados.

Válvula de Triodo

Símbolo de la válvula de Triodo
Símbolo de la válvula de Triodo

Lee de Forest añadió un tercer electrodo, la rejilla, con la que es posible amplificar tensiones, corrientes o ambas a la vez (potencia).
Este tercer electrodo se denomina también rejilla de control, y está constituida por un conductor fino dispuesto helicoidalmente y muy próximo al cátodo alrededor de éste.

Como la rejilla tiene grandes espacios entre los hilos, los electrones logran circular a través de ella sin dificultades y llegar al ánodo cuando el triodo está polarizado. Si ahora aplicamos una tensión negativa a la rejilla, los electrones encontrarán una oposición a su desplazamiento natural del cátodo al ánodo, y se verán repelidos hacia el cátodo, con mayor fuerza cuanta más negativa hagamos la rejilla.

Válvula de Tretodo

Símbolo de la válvula de Tretodo
Símbolo de la válvula de Tretodo

El tetrodo se desarrolló para evitar un efecto indeseable que se produce en la válvula triodo debido a que la rejilla y la placa de la misma se comportan como un condensador. Esta capacidad parásita realimenta la señal de la placa a la rejilla, dificultando el buen funcionamiento de la válvula en frecuencias altas, por lo que se introdujo una segunda rejilla, denominada pantalla, entre la rejilla normal y la placa. Con ello el condensador rejilla-placa queda desdoblado en dos condensadores en serie, desacoplando la señal entre la placa y la rejilla de control, consiguiéndose con ello una mejora de la amplificación de las frecuencias altas.

Válvula de Pentodo

Válvula de pentodo
Válvula de pentodo

El pentodo esta formado por cinco electrodos. Muy parecida funcionalmente al triodo, tiene tres rejillas en vez de una sola. Fue inventado por los neerlandeses Gilles Holst y Bernardus Dominicus Hubertus Tellegen, de la empresa Philips en 1926.

Símbolo del pentodo
Símbolo del pentodo

La razón para añadir una tercera rejilla a la válvula de cuatro electrodos o tetrodo es que aunque con la segunda rejilla se aumentaba la amplificación, había un inconveniente: se producía una emisión secundaria en la placa. Los electrones liberados en esta emisión secundaria son captados por la rejilla pantalla (positiva), introduciendo una gran distorsión en las señales amplificadas.

Es por ello que, para evitar esta emisión secundaria, se añadió una nueva rejilla, llamada supresora que, adecuadamente polarizada (más negativa que la placa), elimina este efecto indeseado, repeliendo los electrones secundarios nuevamente hacia el ánodo. En muchos pentodos la rejilla supresora va unida internamente al cátodo.

La segunda rejilla (pantalla) hace que funcione mejor en frecuencias más altas y la tercera (supresora) elimina la distorsión, por emisión secundaria.

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