Tubo de vacío o Válvula termoiónica, concepto e historia

El componente electrónico conocido como válvula termoiónica, válvula electrónica, válvula de vacío, tubo de vacío o bulbo, tiene como función amplificar, conmutar o alterar una señal eléctrica al regular el movimiento de los electrones en un espacio desprovisto de presión o en presencia de gases específicos cuidadosamente elegidos.

 

Introducción y concepto

El tubo de vacío, también conocido como tubo de electrones o válvula termoiónica, es un dispositivo utilizado para regular el flujo de corriente eléctrica en un ambiente de alto vacío entre electrodos con una diferencia de potencial eléctrico aplicada.

Existen diferentes tipos de tubos de vacío, siendo el tubo termoiónico o válvula termoiónica el más común. Este tipo de tubo utiliza la emisión termoiónica de electrones desde un cátodo caliente para funciones esenciales en electrónica, como la amplificación de señales y la rectificación de corriente. Por otro lado, los tubos no termoiónicos, como el fototubo de vacío, generan emisión de electrones a través del efecto fotoeléctrico y se utilizan para detectar intensidades de luz. En ambos casos, los electrones son acelerados desde el cátodo hacia el ánodo por el campo eléctrico presente en el tubo.

El diodo, también conocido como válvula Fleming, es el tubo de vacío más simple. Fue inventado en 1904 por John Ambrose Fleming y consta de un cátodo emisor de electrones calentado y un ánodo. Los electrones solo pueden fluir en una dirección a través del dispositivo, desde el cátodo hacia el ánodo. La adición de una o más rejillas de control dentro del tubo permite regular la corriente entre el cátodo y el ánodo mediante el voltaje aplicado a las rejillas.

Estos dispositivos fueron componentes clave en los circuitos electrónicos durante la primera mitad del siglo XX. Jugaron un papel fundamental en el desarrollo de la radio, la televisión, el radar, la grabación y reproducción de sonido, las redes telefónicas de larga distancia y las primeras computadoras analógicas y digitales. Aunque se utilizaron tecnologías anteriores en algunas aplicaciones, como el transmisor de chispa para la radio o las computadoras mecánicas para el cálculo, la invención del tubo de vacío termoiónico fue lo que permitió que estas tecnologías se generalizaran, fueran prácticas y dio origen a la disciplina de la electrónica.

En la década de 1940, la invención de los dispositivos semiconductores posibilitó la producción de dispositivos de estado sólido, los cuales son más pequeños, eficientes, confiables, duraderos, seguros y económicos que los tubos termoiónicos. A partir de mediados de la década de 1960, los transistores reemplazaron ampliamente a los tubos de vacío. Sin embargo, el tubo de rayos catódicos (CRT) continuó siendo utilizado en los monitores de televisión y los osciloscopios hasta principios del siglo XXI.

A pesar de la disminución en su uso, los tubos termoiónicos todavía encuentran aplicación en algunos dispositivos, como el magnetrón utilizado en los hornos de microondas, ciertos amplificadores de alta frecuencia, amplificadores para instrumentos musicales eléctricos como las guitarras y los amplificadores de audio de alta gama, que son preferidos por muchos audiófilos debido a su característico "sonido de tubo".

Es importante destacar que no todos los tubos de electrones o válvulas de circuitos electrónicos son tubos de vacío. También existen tubos llenos de gas, que son dispositivos similares pero que contienen un gas, generalmente a baja presión, y aprovechan los fenómenos relacionados con las descargas eléctricas en los gases, sin necesidad de un calentador.

Clasificaciones

Los tubos de vacío termoiónicos se pueden clasificar de diversas formas. Una clasificación común se basa en el número de electrodos activos. Por ejemplo, los diodos son dispositivos con dos elementos activos y se utilizan principalmente para la rectificación de corriente. Los triodos, que tienen tres elementos activos, se utilizan para amplificación y conmutación. Los tubos con electrodos adicionales, como tetrodos y pentodos, tienen funciones adicionales gracias a los electrodos controlables adicionales.

Otras clasificaciones de los tubos de vacío termoiónicos incluyen:

• Por rango de frecuencia, como audio, radio, VHF, UHF y microondas.
• Por clasificación de potencia, como pequeña señal, potencia de audio y transmisión de radio de alta potencia.
• Por tipo de cátodo o filamento, como calentado indirectamente, calentado directamente, y tiempo de calentamiento (incluyendo "emisor brillante" o "emisor opaco").
• Por diseño de curvas características, como corte agudo versus corte remoto en algunos pentodos.
• Por aplicación, como tubos receptores, tubos transmisores, amplificación o conmutación, rectificación y mezcla.
• Parámetros especializados, como larga vida útil, muy baja sensibilidad microfónica, amplificación de audio de bajo ruido y versiones resistentes o militares.
• Funciones especializadas, como detectores de luz o radiación, tubos de imágenes de video.
• Tubos utilizados para mostrar información, como tubos de "ojo mágico", pantallas fluorescentes de vacío y tubos de rayos catódicos (CRT).

Es importante destacar que los tubos de vacío también tienen aplicaciones especializadas fuera de la amplificación y rectificación electrónica. Por ejemplo, los tubos de rayos catódicos se utilizan para crear un haz de electrones en fines de visualización, como en los tubos de imagen de televisión. Además, existen tubos de rayos X, fototubos y fotomultiplicadores, que se basan en el flujo de electrones a través del vacío, pero su emisión de electrones del cátodo depende de la energía de los fotones en lugar de la emisión termoiónica. Estos tipos de "tubos de vacío" tienen funciones distintas y se describen en otras categorías.

Características

A medida que ha avanzado el desarrollo tecnológico de las válvulas termoiónicas, se ha observado una amplia diversidad de tipos, tanto en términos de aplicaciones como de principios de funcionamiento. Estos principios incluyen el control de la cantidad de electrones en triodos, tetrodos y pentodos, la modulación de su velocidad en klistrones, y el acoplamiento entre el flujo de electrones y una onda electromagnética en tubos de onda progresiva, entre otros. A pesar de estas variaciones, la mayoría de las válvulas termoiónicas comparten una serie de características comunes que se han fortalecido con el avance de su desarrollo tecnológico.

Filamentos

El filamento desempeña el papel de elemento calefactor al proporcionar la energía necesaria para que el cátodo emita una cantidad adecuada de electrones.

En las primeras válvulas, el filamento también funcionaba como cátodo, conocido como cátodo de caldeo directo. Sin embargo, posteriormente se separaron estas funciones, dejando al filamento únicamente como calefactor y al cátodo como un electrodo independiente, conocido como cátodo de caldeo indirecto. Ambas configuraciones coexistieron, ya que el caldeo directo mejora la transferencia térmica entre el cátodo y el filamento, mientras que el caldeo indirecto simplifica el diseño de los circuitos y permite optimizar cada uno de los electrodos.

Debido a que el filamento se encuentra caliente, está sujeto al efecto de sublimación del material de su superficie, lo que provoca una reducción de su sección en ciertos puntos que se calientan más que el resto, aumentando así la sublimación en esas áreas hasta que el filamento se rompe. Este efecto se reduce significativamente si se trabaja a temperaturas bajas con materiales de alto punto de fusión, como el wolframio. Por esta razón, la temperatura de los filamentos ha disminuido con el tiempo.

Un efecto conocido como microfonía puede afectar al filamento, el cual consiste en la transmisión de vibraciones mecánicas al mismo. Cuando el filamento vibra, transmite estas oscilaciones al cátodo, lo que resulta en una variación en la distancia entre el cátodo y la rejilla, produciendo una modulación en la corriente de electrones. En el ánodo, la señal útil aparece modulada por estas vibraciones mecánicas, lo cual puede ser especialmente problemático en amplificadores de audio, ya que las vibraciones se acoplan desde el altavoz mismo.

Asimismo, los campos magnéticos también pueden generar oscilaciones en el filamento, por lo que algunas válvulas se recubrían con tubos de alta permeabilidad magnética, como el mu-metal. Esto ayuda a minimizar los efectos no deseados de los campos magnéticos en el filamento.

Cátodos

Los cátodos desempeñan un papel fundamental en la emisión constante de electrones a lo largo de la vida de la válvula. Sin embargo, con el tiempo, los cátodos se agotan a medida que envejecen.

Para prolongar la vida útil de los filamentos, se ha reducido gradualmente la temperatura de funcionamiento de los cátodos mediante el uso de materiales con un potencial de extracción de electrones más bajo, como aleaciones de torio y óxidos de lantánidos.

Además de su capacidad de emisión, los cátodos también deben tener una buena conductividad, lo que limita la aplicación de ciertos revestimientos a casos muy específicos. Por ejemplo, en las pantallas de vacío fluorescentes (VFD), a menudo se recubren los filamentos con óxido de calcio.

Ánodos

El ánodo desempeña el papel de recibir el flujo de electrones, que en la mayoría de las válvulas han sido acelerados y adquirido una gran energía antes de chocar contra él. Por esta razón, los ánodos en las válvulas de potencia suelen ser grandes, a veces masivos, y forman parte integral de la estructura de la válvula. Se pueden refrigerar directamente desde el exterior mediante contacto con una superficie fría, aire a presión, vapor de agua, etc. Anteriormente, la refrigeración del ánodo se basaba principalmente en la radiación, lo que requería que las ampollas de vidrio fueran grandes y estuvieran separadas del ánodo para permitir una alta temperatura.

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

Vacío

Un vacío menos completo implica la presencia de un mayor número de moléculas de gas en la válvula, lo que aumenta las colisiones con los electrones y disminuye el rendimiento del tubo. Además, un vacío menos completo implica un mayor desgaste de los filamentos, por lo que históricamente se ha avanzado hacia válvulas de alto vacío mediante mejoras en todos los demás componentes. Sin embargo, algunas válvulas, como los tiratrones, se basan en el funcionamiento con ciertos gases que llenan el tubo.

Los metales y otros materiales tienen la capacidad de absorber y adsorber gases atmosféricos, liberándolos gradualmente cuando se calientan a baja presión. Por lo tanto, aunque se extraiga todo el aire de una válvula, con el uso, el vacío interior disminuye. Para evitar esto, se utiliza un getter, que es un material como el magnesio que se evapora una vez que el tubo está sellado. El magnesio evaporado se deposita en la superficie del vidrio formando un revestimiento 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 vidrio ha sido el material más utilizado en la construcción del "recipiente" de la válvula, heredado de la fabricación de bombillas. Sin embargo, el vidrio tiene un punto de fusión bajo, es un buen aislante térmico y es frágil. Por lo tanto, para válvulas de alta potencia y radiofrecuencia, se prefiere utilizar cerámicas, que son menos frágiles, tienen una buena conductividad térmica y un punto de fusión más alto. En el pasado, el desafío era establecer uniones herméticas y duraderas entre la cerámica y el metal (conexiones de electrodos, ánodos, disipadores). Una vez resuelto este problema, las cerámicas han desplazado al vidrio en las válvulas de potencia y microondas.

Vacío

Un tubo de vacío requiere un vacío extremadamente alto, conocido como vacío duro, para evitar los efectos negativos de la generación de iones positivos dentro del tubo. Cuando los átomos de gas residual son golpeados por electrones, se ionizan y pueden afectar la emisión del cátodo. Grandes cantidades de gas residual pueden provocar una descarga luminiscente visible entre los electrodos del tubo, sobrecalentamiento de los electrodos y daño al tubo y otros componentes debido al exceso de corriente.

Para evitar estos efectos, la presión residual dentro del tubo debe ser lo suficientemente baja como para que el camino libre medio de un electrón sea mucho más largo que el tamaño del tubo, lo que reduce la probabilidad de colisiones entre electrones y átomos residuales ionizados. En la fabricación, los tubos de vacío comerciales se evacuan hasta alcanzar aproximadamente 0,000001 mmHg (1,0 × 10^-6 Torr; 130 μPa; 1,3 × 10^-5 mbar; 1,3 × 10^-5 atm).

Para prevenir la interferencia de los gases en el vacío del tubo, los tubos modernos están equipados con getters, que suelen ser metales que se oxidan rápidamente, siendo el bario el más común. Durante el proceso de evacuación del tubo de vidrio, se calientan las partes internas, excepto el getter, mediante calentamiento por inducción de RF para eliminar cualquier gas restante de las partes metálicas. Luego, el tubo se sella y se calienta la cubeta o bandeja del getter, en el caso de los getters flash, a una temperatura alta mediante calentamiento por inducción de radiofrecuencia.

Esto hace que el material del getter se vaporice y reaccione con cualquier gas residual. El vapor se deposita en el interior de la envoltura de vidrio, formando un parche metálico de color plateado que continúa absorbiendo pequeñas cantidades de gas que puedan filtrarse en el tubo durante su vida útil. Se presta especial atención al diseño de la válvula para asegurar que este material no se deposite en ninguno de los electrodos activos.

Si el tubo desarrolla una fuga importante en la envoltura, este depósito se vuelve blanco al reaccionar con el oxígeno atmosférico. Los tubos de transmisión más grandes y especializados suelen utilizar materiales absorbentes más exóticos, como el circonio. En el pasado, los captadores de fósforo se utilizaron en lugar de los captadores de bario, pero el uso de fósforo fue breve y se reemplazó rápidamente por captadores de bario más efectivos. A diferencia de los captadores de bario, el fósforo no absorbe más gases una vez que ha sido activado.

Los captadores químicos se combinan con los gases residuales o intrusos, pero no pueden contrarrestar los gases inertes no reactivos. Un problema conocido, que afecta principalmente a las válvulas con envolturas grandes como los tubos de rayos catódicos y los tubos de cámara como los iconoscopios, los orticones y los orticones de imágenes, es la infiltración de helio.

Este efecto se manifiesta como un funcionamiento deteriorado o ausente, y como un resplandor difuso a lo largo de la corriente de electrones dentro del tubo. Este efecto no se puede corregir a menos que se vuelva a evacuar y sellar el tubo, y es responsable de que los ejemplares de trabajo de estos tubos sean cada vez más raros. Incluso los tubos sin usar ("New Old Stock") pueden presentar infiltración de gases inertes, por lo que no se puede garantizar a largo plazo la supervivencia de este tipo de tubos en el futuro.