Válvulas
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Válvulas en Relación a este Tema
En este contexto, a efectos históricos puede ser de interés lo siguiente: [1] Válvulas de vacío. Hasta el advenimiento de los semiconductores (véase, si se desea, más sobre este último termino en la plataforma general), han- sido los tubos o válvulas de vacío y gas los elementos activos y unilaterales en los circuitos electrónicos. Hoy, desaparecida en gran parte la importancia de los mismos, desplazados por los semiconductores antedichos, siguen conservando su interés debido a que alguno de ellos aún no ha encontrado sustituto de «estado sólido». Tal es el caso de los llamados tubos de imagen (véase en esta plataforma: OSCILÓGRAFO; ÓPTICA I, 3) constituidos por el conjunto de tubos de pantalla de osciloscopio de rayos catódicos, los cinescopios y los cinescopios de proyección. También ocurre esto en una amplia gama de tubos fotoeléctricos, desde fotomultiplicadores a tubos especiales de memoria en máquinas calculadoras, y pese a que ya se ha iniciado su desplazamiento, siguen en gran parte utilizándose en equipos nuevos los tubos especiales para microondas (véase, si se desea, más sobre este último termino en la plataforma general) Klystron, magnetrones y tubos de onda progresiva. Los tubos que podríamos llamar convencionales (diodos, triodos, pentodos y, en general, los n-odos) tienen su interés como elementos constitutivos de muchos dispositivos electrónicos actualmente aún en uso, pero destinados indiscutiblemente a desaparecer en un futuro próximo.
Estos tubos convencionales están constituidos por una envoltura de vidrio, metal o material cerámico, en el interior del cual se ha hecho un vacío del orden de 10-8 Torr, lo que equivale a una concentración de moléculas de gas de 3,5.1014 moléculas/m³, que permite el paso de electrones (véase, si se desea, más sobre este último termino en la plataforma general) entre los diversos electrodos que contiene el tubo sin interacción apreciable con el llamado gas residual. Los electrodos están soldados a la envoltura con terminales al exterior que servirán para conectar el tubo a los restantes elementos del circuito del que forma parte.
Los electrones se obtienen en el electrodo llamado cátodo (K) mediante el suministro de energía al mismo, con el consiguiente calentamiento, lo que hace que algunos electrones libres en el metal adquieran suficiente energía para vencer la barrera de potencial formada en su superficie y que en las condiciones ordinarias les retiene en el interior del mismo (véase en esta plataforma: TERMOIÓNICA).Entre las Líneas En el cero absoluto de temperatura (0° K) la energía mínima a suministrar a un electrón para escapar sería la diferencia entre la energía correspondiente a la barrera de potencial y aquella correspondiente a la máxima energía a esta temperatura alcanzada por los electrones, nivel de energía llamado de Fermi. A temperaturas distintas de 0° K la distribución energética de los electrones varía, y existen electrones con energía infinitamente próxima a la de la barrera de potencial y, por consiguiente, no está definida la energía mínima necesaria para liberar los electrones del metal, si bien puede decirse que para densidades de corriente útiles es necesario que en el cátodo se alcance una temperatura de 1.200º K para cátodos de wolframio, níquel, molibdeno o tántalo, a los que se ha recubierto con una capa molecular de óxido de bario o de estroncio. Un cátodo se dice de caldeo directo o indirecto según la corriente de calefacción pase por él, o lo haga a través de un filamento auxiliar (secundario, subordinado)
sin o con contacto eléctrico con él.
Los electrones emitidos salen con muy pequeña y direccionalmente arbitraria velocidad, lo que hace que, atraídos por el campo procedente de otro electrodo, se aceleren al alejarse del mismo, provocando con ello una acumulación de carga en la proximidad del cátodo, creando un verdadero cátodo virtual que actúa como un regulador entre la corriente suministrada a los restantes electrodos y la liberada por el cátodo.
El diodo. La válvulas de vacío conceptual y físicamente más sencilla es el diodo, constituido por sólo dos electrodos: la placa o ánodo y el cátodo antes descrito, aparte, claro está, de los filamentos cuando se trate de tubos de caldeo indirecto y de los que ya no haremos más mención, pues en primera aproximación, su efecto se reduce al calentamiento ya citado. La curva correspondiente a la intensidad de placa (P) a cátodo (K) frente a tensión entre estos electrodos corresponde a la fig. 1 para tres temperaturas distintas y en ellas se aprecian tres zonas bien definidas: a) Para tensiones
vb=Vpk<0, ib=Ipk
es prácticamente nula a excepción de una zona muy próxima a
Vpk=0
en la cual existe una débil corriente. b) La llamada zona activa de la característica, desde Vpk=0 hasta el codo, en la cual
Ipk=CVnPk
con C y n constantes para cada tubo. c) El tramo casi horizontal que sigue al codo, llamado de saturación. Recibe el nombre de característica dinámica de un diodo la curva representativa de Ipk frente a la tensión total vi aplicada al circuito serie constituido por el diodo y la resistencia de carga RL,; naturalmente esta curva es una función del diodo y de RL y corresponde a los diversos puntos solución de la ecuación
vi=ibRL+vb.
La fig. 2 explica por sí misma el trazado de dicha curva.
Un parámetro fundamental en un diodo es su resistencia dinámica, definida como
rp=dVpk / dIpk,
prácticamente infinita en los tramos de corte y de saturación
(Ipk=0 e Ipk=Ipk máx
para la temperatura normal del cátodo) y con un valor relativamente bajo, pero muy superior al análogo de la característica de un diodo a semiconductores, en el tramo activo. El diodo de vacío encuentra actualmente su máxima aplicación en la detección de señales y la rectificación de alta tensión.
Triodos, tetrodos y pentodos. La introducción de electrodos en forma de mallas o espirales, llamadas rejas, en el diodo da origen a los tubos llamados triodos, tetrodos y pentodos, según que el número de rejas sea una, dos o tres. Los tubos con cinco rejas son los llamados heptodos y tienen su aplicación más importante como «mezcladores» en los sistemas superheterodinos (véase en esta plataforma: OSCILADOR).
Triodos. El invento del triodo por Lee de Forest señala el principio de la aplicación de la electrónica en prácticamente todos los aspectos de la técnica. Con el triodo se construye el primer amplificador (véase, si se desea, más sobre este último termino en la plataforma general) electrónico, ya que pequeñas variaciones de la tensión reja-cátodo dan lugar a grandes variaciones de la intensidad placa-cátodo con la inherente posibilidad de ampliación de tensión y energía.
Las características típicas de un triodo en su zona activa se representan en la fig. 3; son las curvas Ib (intensidad de placa) frente a Vb (tensión de placa) con la tensión Vgk (reja a cátodo) como parámetro. Son parámetros fundamentales de un triodo: a) el factor de amplificación
µ=-?Vb/?Vgk
para Ib constante; b) la transconductancia
gm= ?Ib/?Vgk
para Vb constante; y c) la resistencia interna o dinámica
rp= ?Vb/?Ib
con Vgk constante.
Estos parámetros pueden determinarse a partir de las características estáticas del tubo para cada punto de operación del mismo, ya que
Rp= ?Vb/?Ib=lím?Vb/?ib]Vgk ,
y lo mismo con los otros parámetros. El proceso operativo está indicado en la misma fig 3.
Todos los tubos de vacío son elementos unilaterales.Entre las Líneas En ellos la conducción sólo tiene lugar convencionalmente en sentido contrario a la corriente electrónica, o sea, de P a K, aumentando esta corriente en las aportaciones de las distintas rejas cuando éstas captan electrones. Un circuito elemental constituido por una fuente de tensión continua positiva respecto a K, una resistencia RL y el tubo puesto en serie PK, no será atravesado por corriente en tanto la reja sea más negativa que un cierto valor, que depende del tubo empleado y del valor de la tensión suministrada por la fuente. Iniciada la conducción, va ésta aumentando a medida que la reja se hace menos negativa, de forma que si se suponen las características estáticas tramos rectos paralelos de pendiente rp, la tensión en la placa estará dada por la suma de dos términos, uno constante y el otro igual a
-(µRL/RL+rp)Vgk.
Esta fórmula pone de manifiesto las tres características más importantes de los tubos de vacío con reja (o rejas) de control: a) dentro de la zona de conducción y supuestas rectas paralelas equidistantes las características del tubo, la tensión de placa es una función lineal de la de reja; b) dado que
Ib=0,
la tensión
Vpk-VBB
(la de la fuente de alimentación), manteniéndose constante en este valor para Vgk igual o menor que el necesario para establecer la conducción. Se dice entonces que el tubo está en corte, y c) para
Vgk>0
la reja capta electrones procedentes del cátodo, con lo cual varía sustancialmente la impedancia de entrada al tubo vista desde el generador que suministra Vgk y, con ello, el comportamiento del tubo y del circuito asociado (véase qué es, su concepto jurídico; y también su definición como “associate” en derecho anglo-sajón, en inglés) para el mismo generador de señal, a excepción del caso de impedancia de salida del generador nula; esta condición de existencia de corriente de reja se dice de saturación.Entre las Líneas En la zona activa desde corte a saturación, la linealidad de la relación entre Vgk y Vpk permite la utilización de señales
vgk=Vcc+vg
con Vcc constante y vg variable con oscilación en los dos sentidos, p. ej., una señal senoidal, lo que dará lugar, en la placa, a una tensión
vb=Vp+vp
con Vp constante y vp variable. Entre vg y vp existirá una relación lineal sin constante aditiva, es decir, una proporcionalidad
vp = -(µRL/RL+rp)vg
relación válida en tanto pueda suponerse que µ y rp son constantes, lo que fijará un límite a los valores máximos de vg y hará que los valores de los parámetros , µ, rp y gm sean una función de Vp e Ip (tensión e intensidad de P para vg,=0), valores que determinan el llamado punto de trabajo Q. La fórmula anterior es equivalente a afirmar que, desde el punto de vista incremental, el tubo se comporta como un generador ideal de tensión de valor 1cvg en serie con la resistencia dinámica del tubo rp o lo que es-lo mismo, un generador ideal de intensidad gmvg en paralelo con rp.
Tetrodos y pentodos. Salida y entrada, P y G respectivamente, están acopladas entre sí por la capacidad que siempre existe entre dos conductores en presencia el uno del otro; esta capacidad representa una retroalimentación (véase en esta plataforma: AMPLIFICADOR; OSCILADOR) generalmente no deseada y pone un límite máximo a la frecuencia de utilización del tubo. Para reducir este efecto, muy importante en los triodos, se han introducido en el tubo otras rejas que intercaladas entre la reja de control G1 (la única que existe en un triodo) y la placa P apantallen estos electrodos entre sí, al obligar a las mismas G2 y G3 a permanecer a potencial constante.Entre las Líneas En el tetrodo sólo existe una de estas rejas, G2, la cual acelera los electrones frenados por G1 arrastrando la mayoría de ellos a la P, salvo aquellos que constituyen la intensidad que pasa por ella.Entre las Líneas En los tetrodos primitivos -y en algunos actuales en los que se busca intencionadamente el tramo de pendiente negativa- los electrones que atravesando G2 llegaban a P lo hacían a gran velocidad, o, lo que es lo mismo, con energía suficiente para que P emitiera electrones por emisión secundaria, con la consiguiente falta de linealidad entre vg, y vp. Para suprimir este efecto se intercaló entre G2 (llamada reja pantalla), a alto potencial positivo, otra reja G3, generalmente unida eléctricamente a K, lo cual produce un efecto de frenado y suprime el efecto de emisión secundaria. La reja G3 es llamada generalmente supresora.
La introducción de G2 a potencial constante hace que la corriente de P sea prácticamente independiente de la tensión de la misma en una ancha zona de las características. rp es prácticamente infinita y es muy útil usar el circuito equivalente incremental en función de gm vg1 sin elemento resistivo en paralelo y, lo que es más importante, sin elemento capacitivo Cpg1 hasta frecuencias muy altas por estar prácticamente anulada esta capacidad de P a G1 por la presencia de G2. La forma de las características de un pentodo es la de la fig. 4, en la cual se aprecia la zona de transconductancia nula (aquella en la que coinciden todas las líneas con independencia del valor de vg1, para Vg2 constante), el llamado codo de las características, con el que se pasa de baja resistencia interna a muy elevada rp, y, finalmente, los tramos de muy reducida pendiente para los cuales rp es prácticamente infinita, por lo menos en los pentodos de tensión (véase en esta plataforma: AMPLIFICADOR).
El valor de la tensión Vg2 es ahora el factor dominante en el valor de los parámetros que definen el tubo, fundamentalmente la gm, y, por consiguiente, en el circuito equivalente del tubo, una vez se ha elegido el punto de operación Q, y en la misma elección de este punto.
Físicamente el tamaño de los tubos varía con la potencia de trabajo de los mismos, desde los tubos subminiatura, como los nuvistores, hasta los empleados en emisión capaces de disipación de decenas de Kw, en los cuales, a diferencia de lo que ocurre en los amplificadores de tensión, se les polariza para que las oscilaciones de señal de reja sean de gran amplitud, alcanzándose durante gran parte del ciclo tensiones positivas reja-cátodo, con una importante corriente de reja y una elevada disipación en la misma.
V. t.: TERMOELECTRICIDAD; TERMOIÓNICA.
Basado en la experiencia de varios autores, mis opiniones, perspectivas y recomendaciones se expresarán a continuación (o en otros lugares de esta plataforma, respecto a las características en 2026 o antes, y el futuro de esta cuestión):
Recursos
Notas y Referencias
- Basado parcialmente en el concepto y descripción sobre válvulas en la Enciclopedia Rialp (f. autorizada), Editorial Rialp, 1991, Madrid
Véase También
Bibliografía
J. MILLMAN y S. SEELY, Electronics, Nueva York-Londres 1951; J. J. BROPHY, Electrónica fundamental para científicos, Barcelona 1969; J. MILLMAN y H. TAUB, Circuitos de impulsos, digitales y de conmutación, Nueva York 1965; R. H. MATTSON, Electronics, Nueva York-Londres 1966; L. K. BRANSON, Introduction to Electronics, Englewood Cliffs (N. 1., USA) 1967; G (se puede estudiar algunas de estas cuestiones en la presente plataforma online de ciencias sociales y humanidades). F. ALFREY, Physical Electronics, Londres-Nueva York 1964.
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