VALVULAS TERMOIONICAS
LA VALVULA COMO DISPOSITIVO ELECTRONICO
La válvula electrónica, también llamada válvula termoiónica, válvula de vacío, tubo de vacío o bulbo, 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. 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.
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| TIPOS DE VALVULAS DE VACIO |
* 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.
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| EL EFECTO FOTOELECTRICO |
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.
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| DIODO DE VACIO |
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| TRIODOS DE VACIO |
Tipología
Según el número de electrodos las válvulas se clasifican en: Diodos, Triodos, Tetrodos, Pentodos, y así sucesivamente.
Otros tipos de válvulas termoiónicas son:
* Tiratrones: triodos rellenos de gas.
* Tubo de rayos catódicos: las pantallas de televisión, osciloscopios, etc.
* Iconoscopios, orticones, vidicones, plumbicones: son tubos de cámara de televisión.
* Ojos mágicos: indicadores de sintonía, indicador de equilibrio de puente, voltímetros y multímetros, indicador de saturación en grabadores de cinta magnética.
* Klistrones, magnetrones, Tubos de onda progresiva, todos ellos dispositivos de microondas.
* Decatrón y trocotrón, tubos contadores.
* Selectrón: memoria digital.
* Tubo Williams: memoria digital.
* VFD: Displays fluorescentes de vacío.
PENTODO
Se denomina pentodo a la válvula termoiónica formada por cinco electrodos. Muy parecida funcionalmente al triodo, tiene tres rejillas en vez de una sola. Fue inventado por Bernhard D.H. Tellegen en el año 1926.
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| 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.
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| DIAGRAMA DEL PENTODO |
La segunda rejilla (pantalla) hace que funcione mejor en frecuencias más altas y la tercera (supresora) elimina la distorsión, por emisión secundaria.
TIRATRON
Se llama tiratrón a una válvula termoiónica parecida a un triodo que estuviera lleno de gas. Se utiliza para el control de grandes potencias y corrientes, lo que en un dispositivo de vacío es muy difícil debido al número limitado de electrones que puede producir un cátodo termoiónico.
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| TIRATRON SMALL |
Añadiendo un gas inerte que se ioniza, inicialmente por medio de los electrones termoiónicos, se tiene un número mucho mayor de portadores de corriente que en el triodo.
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| TIRATRON |
A diferencia del triodo, la corriente de ánodo no es proporcional a la tensión de rejilla, sino que cuando se dispara, se produce la ionización del gas que lleva al dispositivo a su resistencia mínima.
OJO MAGICO
Se llama ojo mágico a una válvula termoiónica, desarrollada por RCA, que incluye una pequeña pantalla de rayos catódicos. Se utilizó principalmente como indicador de sintonía en las radios de gama alta. Suele incluir un triodo que amplifica la señal de entrada antes de aplicarla a un electrodo de deflexión de la parte de rayos catódicos.
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| OJO MAGICO |
El efecto que se produce es que una zona luminosa crece o decrece según el nivel de señal. Esto ayudaría al usuario a sintonizar el aparato.
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| OJO MAGICO FUNCIONANDO |
Características
Básicamente, existen dos tipos:
* Con la pantalla circular. El tubo es cilíndrico, con la pantalla en la parte de arriba, formada por un ánodo en forma de cono invertido recubierto de fósforo. El haz de electrones sale del centro, creando una iluminación en forma de dos abanicos simétricos que se abren y cierran. La forma circular de la pantalla, con el círculo central oscuro recuerda la pupila de un ojo, de ahí el nombre del tubo.
* Con la pantalla rectangular. En este caso, la pantalla está en un lado, con el fósforo depositado directamente sobre el vidrio. Aquí se tiene una barra luminosa que crece del centro hacia los lados.
SELECTRON
El selectrón es una válvula termoiónica capaz de actuar como memoria de acceso aleatorio (RAM), diseñada por RCA en 1946, pero que no estuvo disponible comercialmente hasta la primavera de 1948.
Se fabricó con capacidades de 4096 bits, para el ordenador LAS, pero debido a las dificultades de RCA para poner a punto el tubo, finalmente LAS utilizó tubos Williams. Diseños posteriores del selectrón condujeron a modelos de 1024 y 256 bits, este último utilizado en el ordenador JOHNNLAC, de 1953. El selectrón era de acceso directo y mucho más fiable que el tubo de Williams, pero también más caro. Finalmente fue sustituido por las memorias de toros.
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| SELECTRON |
El diseño original de 4096 bits se diferencia de los posteriores en que los eyelets se forman sobre un dieléctrico circular, dividido en cuatro cuadrantes. Los otros diseños utilizaban capas planas de mica donde se depositaba una matriz de pequeños eyelets metálicos, aislados entre ellos.
Funcionamiento
El selectrón se basa en pequeñas celdas aisladas, llamadas eyelets, capaces de permanecer en dos estados estables: con carga eléctrica y descargadas. Una fuente termoiónica de electrones mantiene la carga de estos eyelets. Cuando está descargado, los electrones que inciden sobre ellos traen gran energía y producen la emisión de gran cantidad de electrones secundarios que impiden que el eyelet adquiera más carga; pero, si está cargado, los electrones provenientes del cátodo se encuentran con una barrera de potencial que los frena, de modo que al incidir sobre el eyelet ya no tienen energía para producir electrones secundarios.
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| SELECTRON RCA |
Para grabar un bit se altera temporalmente el potencial del eyelet, haciendo que se cargue cuando se disminuye su potencial, o se descargue por emisión secundaria cuando éste se aumenta. Durante el proceso de grabación solo inciden electrones sobre el eyelet que se está manipulando.
La lectura se produce debido a que cuando el eyelet está cargado repele los electrones incidentes, mientras que si está descargado, algunos de ellos lo atraviesan. Midiendo esta corriente se sabe el estado del eyelet.
VISUALIZADOR FLUORESCENTE DE VACIO
El acrónimo VFD, del inglés Vacuum Fluorescent Display, refiere a las pantallas fluorescentes de vacío. Consisten en una ampolla de vidrio que contiene uno o varios filamentos que actúan de cátodo, varios ánodos recubiertos de fósforo y una rejilla por carácter. Al polarizar positivamente los ánodos y las rejillas, los electrones emitidos por el cátodo alcanzan un ánodo, que se ilumina. La figura 1 muestra la disposición de estos elementos. Los filamentos se suelen alimentar con corriente alterna, lo que evita que el VFD brille más por un extremo que por el otro. Funcionan con tensiones de alimentación de rejillas y ánodos a partir de 12 V dependiendo del modelo.
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| VISUALIZADOR FLUORESCENTE DE VACIO |
La evolución de los VFD corrió paralela a la evolución de las calculadoras digitales, en competencia con los displays de LED. Finalmente, debido a su elevado peso y consumo, esta aplicación cayó en desuso cuando aparecieron los LCD a precios competitivos.
El diseño del display es muy flexible, pudiendo añadir símbolos y gráficos especiales para cada aplicación (Custom). El fósforo de los ánodos se puede teñir de verde, amarillo, rojo, azul, etc., con lo que se obtienen displays coloridos muy vistosos, de aplicación común en equipos de alta fidelidad y vídeo, fotocopiadoras, etc. También se utilizan en cajas registradoras y pequeños paneles informativos.
Los fabricantes ofrecen módulos que contienen el VFD, los inversores para generar la alta tensión del display y los circuitos necesarios para adaptar y retener la información, siendo conectables directamente al bus de un microprocesador, alimentándose a la misma tensión que éste.
TROCOTRON
Se llama trocotrón (trochotron, en inglés) a un tipo de válvula termoiónica destinada a servir de contador decimal. El nombre proviene de que los electrones siguen trayectorias trocoidales, por la interacción de un campo magnético con el campo eléctrico entre los electrodos de la válvula. Llegan a una frecuencia de conteo de 2MHz.
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| TROCOTRON BURROUGHS |
Existen dos tipos de trocotrones. El más antiguo iba rodeado por un imán externo cilíndrico, como el de la foto. Posteriormente este se incluyó dentro de la ampolla de vidrio, sustituyéndolo por cilindros imantados, uno en cada "blanco" (Electrodo de salida), como se muestra en la figura.
El cátodo está en el centro, rodeado por 10 electrodos diana. Entre el cátodo y cada diana se dispone un electrodo en forma de "J", llamado pala (spade). Próximos a ellos se sitúan otros electrodos planos, llamados "rejillas". Las rejillas se conectan alternadamente, formando dos grupos: "par" e "impar".
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| DIAGRAMA DEL TROCOTRON |
Con todos los electrodos positivos (salvo el cátodo, evidentemente) se produce un campo eléctrico radial, que impulsa los electrones en esa dirección. Pero el campo magnético perpendicular curva las trayectorias, que adoptan forma trocoidal. Cuando una spade se conecta a masa, esta distorsiona el campo, haciendo que los electrones alcancen el blanco correspondiente. El dispositivo queda enclavado en ese estado, aunque se retire el pulso negativo. El haz se mueve por las dianas aplicando pulsos sucesivamente a las rejillas pares e impares.
DECATRON
Se llama decatrón a una válvula termoiónica que funciona como contador de pulsos.
Consta de diez ánodos que son las salidas del tubo. Además, tiene dos grupos de otros diez ánodos, los de cada grupo interconectados entre sí de modo que al exterior salen dos patillas, que son las señales de conteo. Aplicándoles consecutivamente un pulso positivo, se avanza o retrocede la cuenta.
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| DIAGRAMA DEL DECATRON |
Funcionamiento
El decatron contiene gas a baja presión, que se ioniza cuando los ánodos están a una tensión positiva suficiente. Esta nube de gas ionizado crea un camino de baja resistencia a uno de los ánodos. El tubo queda en este estado hasta que se aplique un pulso más positivo a un electrodo de conteo. En ese momento, la ionización se desplaza al ánodo auxiliar más cercano (ver figura). Un segundo pulso positivo en el otro ánodo auxiliar hace avanzar la ionización. Cuando el pulso desaparece, la nube ionizada pasa al siguiente ánodo, completando una cuenta.
También existen modelos con un sólo grupo de ánodos auxiliares que sólo permiten la cuenta unidireccional. En este tipo, es la geometría del tubo la que evita que la nube ionizada retroceda al ánodo de donde partió antes del pulso de conteo.
