Tubos de electrones: historia, principio de funcionamiento, diseño, aplicación.
tubo de electrones (tubo de radio) — una innovación técnica a principios del siglo XX que cambió fundamentalmente los métodos de uso de ondas electromagnéticas, determinó la formación y el rápido florecimiento de la ingeniería de radio. La aparición de la lámpara de radio también fue una etapa importante en la dirección del desarrollo y la aplicación del conocimiento de la ingeniería de radio, que más tarde se conoció como "electrónica".
Historia de los descubrimientos
El descubrimiento del mecanismo de trabajo de todos los dispositivos electrónicos de vacío (radiación termoelectrónica) fue realizado por Thomas Edison en 1883 mientras trabajaba en la mejora de su lámpara incandescente. Para obtener más detalles sobre el efecto de emisión termoiónica, consulte aquí:Corriente eléctrica en el vacío.
Radiación termal
En 1905, utilizando este descubrimiento, John Fleming creó el primer tubo de electrones, "un dispositivo para convertir corriente alterna en corriente continua". Esta fecha se considera el comienzo del nacimiento de toda la electrónica (ver — ¿Cuáles son las diferencias entre la electrónica y la ingeniería eléctrica?). El período de 1935 a 1950se considera la época dorada de todos los circuitos de válvulas.
Patente de John Fleming
Los tubos de vacío jugaron un papel muy importante en el desarrollo de la ingeniería de radio y la electrónica. Con la ayuda de un tubo de vacío resultó posible generar oscilaciones continuas, necesarias para la radiotelefonía y la televisión. Se hizo posible amplificar las señales de radio recibidas, gracias a lo cual estuvo disponible la recepción de estaciones muy distantes.
Además, la lámpara electrónica resultó ser el modulador más perfecto y confiable, es decir, un dispositivo para cambiar la amplitud o fase de las oscilaciones de alta frecuencia a baja frecuencia, lo cual es necesario para la radiotelefonía y la televisión.
El aislamiento de las oscilaciones de frecuencia de audio en el receptor (detección) también se logra con mayor éxito utilizando un tubo de electrones. El funcionamiento del tubo de vacío como rectificador de CA durante mucho tiempo proporcionó energía para los dispositivos de transmisión y recepción de radio. Además de todo esto, los tubos de vacío fueron muy utilizados en ingeniería eléctrica (voltímetros, frecuencímetros, osciloscopios, etc.), así como los primeros ordenadores.
La aparición en la segunda década del siglo XX de tubos de electrones técnicamente adecuados disponibles comercialmente dio a la ingeniería de radio un poderoso impulso que transformó todos los equipos de ingeniería de radio y permitió resolver una serie de problemas inaccesibles a la ingeniería de radio de oscilación amortiguada.
Patente de tubo de vacío 1928
Anuncio de lámparas en revista de ingeniería de radio 1938
Desventajas de los tubos de vacío: gran tamaño, volumen, baja confiabilidad de los dispositivos construidos en una gran cantidad de lámparas (se usaron miles de lámparas en las primeras computadoras), la necesidad de energía adicional para calentar el cátodo, alta liberación de calor, que a menudo requiere refrigeración adicional.
El principio de funcionamiento y el dispositivo de los tubos de electrones.
El tubo de vacío utiliza el proceso de emisión termoiónica: la emisión de electrones del metal calentado en un cilindro al vacío. La presión del gas residual es tan insignificante que la descarga en la lámpara prácticamente puede considerarse puramente electrónica, ya que la corriente de iones positivos es muy pequeña en comparación con la corriente de electrones.
Veamos el dispositivo y el principio de funcionamiento de un tubo de vacío usando el ejemplo de un rectificador electrónico (kenotron).Estos rectificadores, que usan una corriente electrónica en el vacío, tienen el factor de corrección más alto.
El kenotrón consiste en un globo de vidrio o metal en el que se crea un alto vacío (alrededor de 10-6 mmHg Art.). En el interior del globo se coloca una fuente de electrones (filamento), que sirve de cátodo y se calienta con una corriente procedente de una fuente auxiliar: está rodeado por un electrodo de gran superficie (cilíndrico o plano), que es el ánodo.
Los electrones emitidos por el cátodo que caen en el campo entre el ánodo y el cátodo se transfieren al ánodo si su potencial es mayor. Si el potencial del cátodo es mayor, entonces el kenotrón no transmite corriente. La característica corriente-voltaje del kenotrón es casi perfecta.
Los kenotrones de alto voltaje se utilizaron en circuitos de potencia para transmisores de radio.En la práctica de laboratorio y radioaficionados, los pequeños rectificadores kenotron fueron ampliamente utilizados, lo que permitió obtener una corriente rectificada de 50 a 150 mA a 250 a 500 V. corriente alternaretirado del devanado auxiliar del transformador que alimenta los ánodos.
Para simplificar la instalación de rectificadores (generalmente rectificadores de onda completa), se utilizaron kenotrones de doble ánodo, que contenían dos ánodos separados en un cilindro común con un cátodo común. La capacitancia entre electrodos relativamente pequeña del kenotron con un diseño adecuado (en este caso se llama diodo) y la no linealidad de sus características hicieron posible su uso para diversas necesidades de ingeniería de radio: detección, configuración automática del modo receptor y otros propósitos
Se utilizaron dos estructuras de cátodo en tubos de vacío. Los filamentos catódicos directos (directos) se fabrican en forma de un cable o tira incandescente calentado por la corriente de una batería o transformador. Los cátodos calentados indirectamente (calentados) son más complejos.
Filamento de tungsteno: el calentador está aislado con una capa resistente al calor de cerámica u óxidos de aluminio y se coloca dentro de un cilindro de níquel cubierto por una capa de óxido en el exterior. El cilindro se calienta por intercambio de calor con el calentador.
Debido a la inercia térmica del cilindro, su temperatura, incluso alimentado con corriente alterna, es prácticamente constante. La capa de óxido que da emisiones apreciables a bajas temperaturas es el cátodo.
La desventaja del cátodo de óxido es la inestabilidad de su funcionamiento cuando se calienta o se sobrecalienta.Esto último puede ocurrir cuando la corriente del ánodo es demasiado alta (cerca de la saturación), ya que debido a la alta resistencia el cátodo se sobrecalienta, en este caso la capa de óxido pierde emisión e incluso puede llegar a colapsar.
La gran ventaja del cátodo calentado es la ausencia de una caída de voltaje a través de él (debido a la corriente del filamento durante el calentamiento directo) y la capacidad de alimentar los calentadores de varias lámparas desde una fuente común con total independencia de los potenciales de sus cátodos.
Las formas especiales de los calefactores están relacionadas con el deseo de reducir el campo magnético nocivo de la corriente de incandescencia, que crea un «fondo» en el altavoz del receptor de radio cuando el calefactor se alimenta con corriente alterna.
Portada de la revista "Radio-craft", 1934
Lámparas con dos electrodos
Se utilizaron lámparas de dos electrodos para la rectificación de corriente alterna (kenotrones). Las lámparas similares que se utilizan en la detección por radiofrecuencia se denominan diodos.
Lámparas de tres electrodos
Un año después de la aparición de una lámpara técnicamente adecuada con dos electrodos, se le introdujo un tercer electrodo: una rejilla hecha en forma de espiral, ubicada entre el cátodo y el ánodo. La lámpara de tres electrodos resultante (triodo) ha adquirido una serie de nuevas propiedades valiosas y se usa ampliamente. Tal lámpara ahora puede funcionar como un amplificador. En 1913, con su ayuda, se creó el primer autogenerador.
Inventor del triodo Lee de Forest (agregó una rejilla de control al tubo de electrones)
El triodo de Lee Forrest, 1906.
En un diodo, la corriente del ánodo es función únicamente del voltaje del ánodo, en un triodo, el voltaje de la rejilla también controla la corriente del ánodo. En los circuitos de radio se suelen utilizar triodos (y válvulas multielectrodo) con una tensión de red alterna denominada «tensión de control».
Lámparas multielectrodo
Los tubos de electrodos múltiples están diseñados para aumentar la ganancia y reducir la capacitancia de entrada del tubo. De todos modos, la rejilla adicional protege el ánodo de otros electrodos, por lo que se llama rejilla de protección (pantalla). La capacitancia entre el ánodo y la rejilla de control en lámparas blindadas se reduce a centésimas de picofaradio.
En una lámpara blindada, los cambios en el voltaje del ánodo afectan la corriente del ánodo mucho menos que en un triodo, por lo tanto, la ganancia y la resistencia interna de la lámpara aumentan considerablemente, mientras que la pendiente difiere relativamente poco de la pendiente del triodo.
Pero el funcionamiento de una lámpara blindada se complica por el llamado efecto dinatrón: a velocidades suficientemente altas, los electrones que llegan al ánodo provocan una emisión secundaria de electrones desde su superficie.
Para eliminarlo, se introduce entre la rejilla y el ánodo otra red llamada red protectora (antidinatrón). Se conecta al cátodo (a veces dentro de la lámpara). Al estar a potencial cero, esta rejilla ralentiza los electrones secundarios sin afectar significativamente el movimiento del flujo de electrones primarios. Esto elimina la caída en la característica de corriente del ánodo.
Tales lámparas de cinco electrodos (pentodos) se han generalizado porque, según el diseño y el modo de operación, pueden adquirir diferentes propiedades.
Anuncio antiguo de pentodo de Philips
Los pentodos de alta frecuencia tienen una resistencia interna del orden de un megaohmio, una pendiente de varios miliamperios por voltio y una ganancia de varios miles. Los pentodos de salida de baja frecuencia se caracterizan por una resistencia interna significativamente más baja (decenas de kiloohmios) con una inclinación del mismo orden.
En las llamadas lámparas de haz, el efecto dinatrón no es eliminado por la tercera rejilla, sino por la concentración del haz de electrones entre la segunda rejilla y el ánodo. Se logra disponiendo simétricamente las vueltas de las dos rejillas y la distancia del ánodo a ellas.
Los electrones salen de las rejillas en «haces planos» concentrados. La divergencia del haz está aún más limitada por las placas protectoras de potencial cero. Un haz de electrones concentrado crea una carga espacial en el ánodo. Cerca del ánodo se forma un potencial mínimo, que es suficiente para ralentizar los electrones secundarios.
En algunas lámparas, la rejilla de control tiene forma de espiral con paso variable. Dado que la densidad de red determina la ganancia y la pendiente de la característica, en esta lámpara la pendiente resulta ser variable.
Con potenciales de red ligeramente negativos, toda la red funciona, la inclinación resulta significativa. Pero si el potencial de la red es fuertemente negativo, entonces la parte densa de la red prácticamente no permitirá el paso de electrones, y el funcionamiento de la lámpara estará determinado por las propiedades de la parte de la espiral escasamente enrollada, por lo tanto, la ganancia y la inclinación se reducen significativamente.
Se utilizan cinco lámparas de rejilla para la conversión de frecuencia. Dos de las redes son redes de control: reciben voltajes de diferentes frecuencias, las otras tres redes realizan funciones auxiliares.
Un anuncio de revista de 1947 para tubos de vacío electrónicos.
Lámparas para decorar y marcar
Había una gran cantidad de diferentes tipos de tubos de vacío. Junto con las lámparas de bulbo de vidrio, las lámparas de bulbo de metal o vidrio metalizado son ampliamente utilizadas. Protege la lámpara de campos externos y aumenta su resistencia mecánica.
Los electrodos (o la mayoría de ellos) conducen a los pines en la base de la lámpara. La base de ocho pines más común.
Las lámparas pequeñas tipo "dedo", "bellota" y las lámparas en miniatura con un diámetro de globo de 4-10 mm (en lugar del diámetro habitual de 40-60 mm) no tienen una base: los cables de los electrodos se hacen a través de la base del globo - esto reduce la capacitancia entre las entradas. Los electrodos pequeños también tienen baja capacitancia, por lo que estas lámparas pueden operar a frecuencias más altas que las convencionales: hasta frecuencias del orden de los 500 MHz.
Las lámparas de baliza se utilizaron para operar a frecuencias más altas (hasta 5000 MHz). Se diferencian en el diseño del ánodo y la rejilla. La rejilla en forma de disco se encuentra en la base plana del cilindro, soldada al vidrio (ánodo) a una distancia de décimas de milímetro. En lámparas potentes, los globos están hechos de cerámicas especiales (lámparas de cerámica). Hay otras lámparas disponibles para frecuencias muy altas.
En los tubos electrónicos de muy alta potencia era necesario aumentar el área del ánodo e incluso recurrir al enfriamiento por aire forzado o por agua.
El marcado e impresión de las lámparas es muy diverso. Además, los sistemas de marcado han cambiado varias veces. En la URSS, se adoptó una designación de cuatro elementos:
1. Un número que indica el voltaje del filamento, redondeado al voltio más cercano (los voltajes más comunes son 1,2, 2,0 y 6,3 V).
2. Una letra que indica el tipo de lámpara. Entonces, los diodos se designan con la letra D, los triodos C, los pentodos con una característica corta Zh, con una longitud K, los pentodos de salida P, los triodos dobles H, los kenotrones Ts.
3. Un número que indica el número de serie del diseño de fábrica.
4. La letra que caracteriza el diseño de la lámpara.Entonces, ahora las lámparas de metal no tienen la última designación, las lámparas de vidrio se indican con la letra C, el dedo P, las bellotas F, la miniatura B.
La información detallada sobre las marcas, los pines y las dimensiones de las lámparas se busca mejor en la literatura especializada de los años 40 a los 60. siglo XX.
El uso de las lámparas en nuestro tiempo.
En la década de 1970, todos los tubos de vacío fueron reemplazados por dispositivos semiconductores: diodos, transistores, tiristores, etc. En algunas áreas, los tubos de vacío todavía se usan, por ejemplo, en hornos de microondas. magnetrones, y los kenotrones se utilizan para la rectificación y conmutación rápida de alto voltaje (decenas y cientos de kilovoltios) en subestaciones eléctricas para la transmisión de electricidad por corriente continua.
Hay un gran número de personas hechas a sí mismas, las llamadas «tube sound», que hoy en día construye dispositivos de sonido amateur sobre válvulas electrónicas de vacío.