Las válvulas de vacío

Introducción

Las válvulas de vacío descubiertas por Sir Ambrose Flemig en el año 1.904 eran llamadas diodos. Estas cuentan con un conductor emisor (que puede ser el filamento o el cátodo) y un colector que atrae los electrones que emite el emisor. De esta forma se produce el pasaje de corriente en su interior. Para que esto ocurra, el emisor tiene polaridad positiva y el colector negativa (la corriente circula de positivo a negativo).

En 1.906 Lee Forest fue quien descubre que se puede controlar el paso de la corriente agregando un nuevo electrodo al que se denominó reja o grilla que por estar próxima al emisor, con un bajo potencial controla el paso de la corriente hacia el colector, logrando con ello amplificar la señal de entrada, o bien cortándola por completo, entonces podía actuar como llave electrónica. Este nuevo elemento se llamó válvula tríodo. Con estos dispositivos comenzó a poder manipularse señales. Con el desarrollo de una amplia variedad de válvulas de vacío agregando más electrodos que cumplen otras funciones se pudo diseñar distintos tipos de válvulas con las cuales se desarrollaron las primeras computadoras. Comenzó así la evolución de las computadoras electrónicas disponiendo de una base tecnológica.

Los primeros osciladores fueron construidos con válvulas de vacío, las cuales tenían una vida muy limitada y un elevado mantenimiento.

Las válvulas de vacío operaban con unas tensiones elevadas, del orden de unos 250v, lo que producía unos niveles de oscilación muy elevados con el considerable nivel de stress en el cristal de cuarzo.

Con la aparición de los semiconductores se puso más énfasis en las prestaciones que en la amplitud de las señales, consiguiendo unos osciladores mucho más estables en frecuencia.

* Válvulas de vacío

Los primeros dispositivos basados en tubos de vacío para la utilización con microondas se remontan a principios del siglo XIX cuando, en 1906, Lee de Forest inventó el tríodo. No obstante, intentar emplear en microondas un tubo de vacío convencional basado en un tríodo es una operación muy limitada, ya que éste no soporta frecuencias excesivamente altas.

Con posterioridad, fueron inventados otros dispositivos basados en tubos de vacío, como el magnetrón en 1924, cuya utilización práctica tuvo mucha repercusión en la Segunda Guerra Mundial. El magnetrón pertenecía a la familia de los tubos de vacío de campo transversal, donde la energía potencial de los electrones se transformaba en energía electromagnética.

Otros dispositivos como el oscilador Heil (1935) o el amplificador Klystron (hermanos Varian, 1939) estaban basados en tubos de haz lineal (linear-beam), donde lo que se transformaba en energía electromagnética era la energía cinética de los electrones.

Más adelante, como evolución de los tubos de haz lineal, R. Kompfner inventó en 1944 el tubo de onda viajera (‘’Travelling Wave Tube’’, TWT) . A comienzos de 1950 la potencia de salida de los tubos de haz lineal superó finalmente a la potencia de dispositivos como el magnetrón.

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.

Fundamentalmente se trata de una ampolla de vidrio completamente cerrada, dentro de la cual se ha practicado el vacío, o sea, que se le ha extraído todo el aire de su interior.

Dispone de dos electrodos, como puede deducirse de su nombre ("di-odo" del griego "dos caminos"), uno llamado ánodo y el otro llamado cátodo, tal y como ocurre en el caso del diodo semiconductor.

Inventada por el físico británico John Ambrose Fleming a principios del siglo pasado, para muchos la invención de aquella primera válvula termoiónica supuso a la sazón el inicio de la era electrónica.

En un principio el cátodo de esta válvula estaba formado por un hilo metálico resistente, al cual se le han soldado dos hilos de un material buen conductor los cuales salen al exterior a través del cristal. Justo frente a él, dentro de la ampolla, se ha colocado una placa metálica, la cual también tiene soldado un hilo conductor que sale al exterior a través del vidrio de la ampolla.

El hilo metálico resistente se llama filamento. 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.

La placa metálica, conocida simplemente como "placa", es el ánodo del diodo. A todo el conjunto, incluida la ampolla de vidrio, se le llama diodo termoiónico o de vacío.

Cátodo: El cátodo es el responsable de la emisión de electrones, que debe ser constante a lo largo de la vida de la válvula. Sin embargo, 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 los anuncios fluorescentes (VFD).

Ánodo: 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. Pero 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 adsorción y absorción 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 vídrio 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.

* Klistrón

El klistrón o klystron es una válvula de vacío de electrones en la cual se produce una modulación inicial de velocidad impartida a los electrones. En la última etapa se genera un campo eléctrico que es función de la velocidad modulada del haz de electrones y que finalmente genera una corriente de microondas. Se utiliza como amplificador en la banda de microondas o como oscilador.

Fue inventada en 1937 por los hermanos Russell y Sigurd Varian quienes estudiaban y trabajaban en la universidad estadounidense de Stanford.

Los klystron pueden trabajar a frecuencias que superan los 200 GHz. Los de varias cavidades se utilizan como amplificadores de alta potencia. Con mayor número de cavidades se consigue mayor ganancia. Algunos tienen hasta siete cavidades. Sintonizando todas las cavidades a la misma frecuencia se consigue la máxima ganancia y el menor ancho de banda y variando la sintonía de las cavidades se aumenta el ancho de banda y la ganancia disminuye. Se utilizan en radares, transmisores de TV, satélites, medicina, etc.

FUNCIONAMIENTO: El funcionamiento del klystron, tanto como oscilador o como amplificador

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