Válvulas de Vacío Electrónicas

También llamada válvula electrónicaválvula de vacíotubo 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.

Corrían los primeros años del siglo XIX, cuando Davy, consiguió iluminar una lamina de platino, haciendo que una corriente eléctrica la atravesara. Seguía corriendo el siglo de los inventos y en el año 1879, Edison comercializo una lámpara incandescente que tenía el filamento de carbono.

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 experimentaron un crecimiento explosivo gracias a ella.

Tomás Alva Edison observo que el cristal de las lámparas con las que experimentaba, se ennegrecían cada vez más al fenómeno lo llamo”efecto Edison”, hoy día lo llamamos emisión termoionica. Más adelante se le ocurrió colocar una plaquita para evitar el molesto fenómeno; cuando aplico una tensión eléctrica correctamente polarizada, observo que por el circuito circulaba una corriente eléctrica, no supo explicar dicho fenómeno físico, cuando en realidad había descubierto o inventado el diodo o válvula diodo rectificadora.

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.

Válvulas de Vacío

Las Válvulas de vacio

Los electrones libres pueden obtenerse de diferentes modos:

– Por efecto fotoeléctrico.
– Emisión electronica secundaria.
– Emisión termoionica.

Solo de esta última emisión, la termoionica, es de la que vamos a ocuparnos, ya que es el fundamento de las válvulas de vacio.

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.

Existen dos tipos de cátodo atendiendo al modo en que se calienta.

  • 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.

Al principio, las válvulas eran de caldeo directo la mayoría, por su simplicidad, pero después se introdujo en masa la fabricación de válvulas con caldeo indirecto, que es más fiable y duradero. últimamente ha resurgido la demanda de triodos de caldeo directo, por supuesta superioridad sónica. En inglés se llama DHT (Direct Heated Triode) y la más famosa DHT que existe es la 300B de Western Electric.

¿Por qué necesitan las válvulas el vacío? Si existiera aire en el interior de la válvula, los electrones chocarían con las moléculas del gas y la corriente disminuiría. Además, el filamento podría destruirse por oxidación al entrar en contacto con el oxígeno del aire. Esto mismo se hace en las bombillas normales. Otro fenómeno es que al chocar los electrones con los átomos del gas, éstos perderían algún electrón, convirtiéndose en iones positivos que serían atraídos por el cátodo negativo, que sería bombardeado y dañado por estos iones.

Así pues, el diodo se caracteriza porque conduce la corriente sólo en una dirección, cuando está polarizado en sentido directo: esto es, el ánodo positivo y el cátodo negativo. Esto hace que sea utilizado en la rectificación de una corriente alterna para obtener corriente continua. Una válvula típica europea es la GZ34, que es un doble diodo.

Las tensiones habituales de polarización son del orden de 300 ó 400 voltios, incluso más. Esto es un gran inconveniente de las válvulas, por el peligro que conlleva para nuestra seguridad.

2. El triodo

En el año 1906 Lee de Forest añadió un tercer electrodo, la rejilla, con la que es posible amplificar tensiones, corrientes o ambas a la vez (potencia).

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 cuanto más negativa hagamos la rejilla. Esto se traduce en una disminución de la corriente de placa Ia , tanto más cuanto más negativa hagamos la rejilla (Vg). Si la tensión aplicada a la rejilla es nula, entonces el triodo se comporta como un diodo y es como si no existiera la rejilla de control. Si la rejilla es positiva, entonces algunos electrones circularían por este electrodo, pero esta polarización no es la habitual. En resumidas cuentas, tenemos 3 casos:

  • Vg < 0 la rejilla es negativa con respecto al cátodo y la corriente de placa disminuye
  • Vg = 0 la rejilla está al mismo potencial que el cátodo y es como si no existiera (sería un diodo)
  • Vg > 0 la rejilla es positiva con respecto al cátodo y algunos electrones se van por ella (no se utiliza).

Características (parámetros) del triodo.- Son los que expresan el comportamiento de la válvula, y que sirven para el diseño de circuitos. Dependen en gran manera de la geometría de los electrodos, o sea, su forma, disposición, tamaño y distancia que guardan entre sí. Los parámetros más utilizados son:

  • Factor de amplificación (m).- Mide como varía la tensión de placa en función de la tensión de rejilla, manteniendo la corriente de placa constante. Matemáticamente:

Si, por ejemplo, un triodo tiene un factor de amplificación de 30, obtendríamos el mismo resultado en cuanto a corriente de placa, variando 30V la tensión anódica o variando 1 voltio la de rejilla.

  • Conductancia mutua o pendiente (S, P, ó gm).- Mide como varía la corriente de placa en función de la tensión de rejilla, manteniendo constante la tensión de placa.

- Resistencia interna (ri ó rp).- Mide la variación de la tensión de placa en función de la corriente de placa, manteniendo constante la tensión de rejilla.

La resistencia interna representa la resistencia entre placa-cátodo cuando se produce un pequeño cambio en la tensión de placa, y no tiene nada que ver con la resistencia que existe entre dichos electrodos en condiciones de reposo, es decir, sin señal, ya que en este caso lo que hallaríamos sería la resistencia equivalente.

  • Relación entre los tres parámetros.- Conocidos dos parámetros cualquiera podemos deducir el tercero valiéndonos de la expresión

Polarización del triodo.- Para la operación normal del triodo se polariza de acuerdo a la figura, aunque en la práctica no se utilizan dos fuentes, sino que se intercala una resistencia en el cátodo, y la corriente hace que la caída de tensión en la misma ponga la rejilla a potencial negativo con respecto al cátodo (Vgk< 0).

Recordemos que la polarización habitual de la rejilla de control es negativa.

La representación de la figura es a efectos teóricos de polarización y nunca como circuito amplificador. La aplicación de una señal a la entrada sería de efectos nulos, puesto que la resistencia de la batería de rejilla es prácticamente cero, con lo que representa un cortocircuito.

Del mismo modo, la señal de salida ve un cortocircuito entre placa y tierra.

El circuito de la derecha muestra la llamada polarización automática, que consiste en añadir Rk al cátodo, y que al circular la corriente Ia produce una caída de tensión que pone a la rejilla con tensión negativa respecto al cátodo. La tensión de funcionamiento de este triodo sería la diferencia de potencial entre placa y cátodo, Vak y que en los manuales llaman Va, lo cual crea confusión.

Si la rejilla está en su zona de funcionamiento normal, esto es, Vg< 0, entonces la corriente que circula por la misma es prácticamente cero. Por tanto, la corriente anódica equivale a la corriente de cátodo. Siguiendo el camino desde placa a cátodo por el circuito obtenemos la expresión de Vak:

Vak = -Ia Ra +B - Ia Rk = B - Ia (Ra + Rk)

Según esta ecuación, si disminuimos los valores de las resistencias Ra, Rk, entonces aumenta la tensión Vak. Pero no podemos determinar cual es su valor exacto, puesto que la corriente de placa (Ia) también aumenta algo, y necesitamos consultar las familias de curvas Vak-Ia para poder determinar con una aproximación razonable el punto de polarización.

¿Qué se entiende por punto de polarización? En cualquier dispositivo electrónico del tipo válvula o transistor bipolar, Bipolar Junction Transistor), o transistor monopolar (FET, MOSFET, IGFET) se consideran "dos tipos" de corrientes, o generalizando, dos tipos de señales eléctricas. Por un lado las que se pueden considerar contínuas, que no tienen componente alterna, y por otro las señales alternas puras, sin componente contínua. Precisamente éstas últimas son las que configuran el punto de polarización. En el anterior circuito, cuando la señal de entrada por la rejilla es nula, se dice que el triodo está en reposo, aunque la corriente de placa no valga cero. Esto es porque en ese triodo, circulan sólo corrientes contínuas y por tanto las tensiones también son constantes en el tiempo, y diremos que son las de polarización.

  1. El tetrodo
    El triodo tiene algunos inconvenientes, como su elevada capacidad rejilla-placa (Cga) que limita su funcionamiento a frecuencias altas, pudiendo originar que una etapa amplificadora oscile a causa de la realimentación que se produce a través, precisamente de la capacidad interna Cga.

Para remediar esto, se inserta un nuevo electrodo, la rejilla pantalla, situada entre la rejilla de control y la placa. Está formada por una hélice de conductor fino, siendo el espacio entre las espiras consecutivas muy grandes en relación con el diámetro del conductor, de manera que no obstaculiza el paso de los electrones hacia la placa.

La rejilla pantalla, que abreviadamente se denomina "pantalla", tiene una conexión a tal efecto en el exterior del tubo en forma de pin, al igual que todos los demás electrodos de la válvula.

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