TUBOS O VÁLVULAS ELECTRONICAS

el

Tubo electrónico

El tema de este artículo es los “Tubos electrónicos” también conocidos como “tubos al vacío”, “válvulas electrónicas”, “válvulas termoiónicas”, etc. Ha sido el elemento fundamental de los circuitos electrónicos desde que se inventó a principio del siglo 20 y aun después de más de 100 años se siguen produciendo y usando en equipos electrónicos a pesar de existir ahora otros dispositivos que realizan funciones similares.

Para encontrar sus orígenes debemos recordar a un famoso inventor norteamericano llamado Tomas Alva Edison quien a finales del siglo 19 invento entre otros el fonógrafo y las bombillas eléctricas para iluminación.

Todos conocemos las bombillas eléctricas. (Bueno aun, ya que hay planes para acabar su producción). Está compuesta de un recipiente de vidrio donde su interior se encuentra al vacío, es decir sin aire. La corriente eléctrica se aplica a un delgado filamento metálico que cuando lo atraviesa la corriente se calienta tanto que se vuelve incandescente y emite luz.

Cuando Edison invento la bombilla eléctrica hizo varios experimentos con el fin de mejorar la eficiencia de la bombilla. Uno de sus experimentos consistió en poner una placa metálica cerca del filamento de la lámpara pero sin tocarla, luego le aplico un voltaje entre el filamento y la placa. Observo que si la polaridad de la placa con respecto al filamento era positiva existía una circulación de corriente en el circuito, en cambio si la placa se polarizaba negativamente no había circulación de corriente. Para Edison este experimento no contribuyo a mejorar la eficiencia del bombillo por lo cual lo descarto pero dio a conocer sus resultados que desde entonces se conoce como “efecto Edison”.

La explicación actual del efecto Edison es que el filamento al calentarse emite electrones libres. Como los electrones tienen carga negativa entonces si la placa se polariza positiva, los electrones serán atraídos hacia la placa generando una circulación de corriente. En cambio si la placa es polarizada negativamente, los electrones son rechazados por la placa y no existirá ninguna circulación de corriente.

Tiempo después del descubrimiento de Edison, en el año de 1904, el Dr. John Fleming, un científico inglés perfecciono la “válvula Fleming” que era un tubo al vacío con un filamento y una placa. Poco después se le denomino DIODO por el hecho de estar constituido de dos elementos. Fleming utilizo el diodo para rectificar corrientes alternas, es decir convertir corrientes alternas en corrientes continuas.  Si recordamos una corriente alterna cambia constantemente su polaridad, como el diodo solo pasa corriente cuando la placa es positiva, entonces se puede usar como una “compuerta” que permite el paso de corriente en un ciclo de la corriente y lo aísla en el opuesto.  Es decir que el diodo actúa como una “válvula” de ahí su nombre.

Pocos años después y con un mejor conocimiento del efecto Edison, el inventor norteamericano Dr. Lee DeForest introdujo un tercer elemento en el Diodo consistente en una rejilla o malla poco tupida entre el filamento y la placa. En contraposición al diodo esta nueva configuración empezó a llamarse “Tríodo”, es decir de tres elementos.

En la configuración de DeForest la placa siempre se polariza positivamente es decir que siempre va a atraer los electrones generados en el filamento, pero la malla o rejilla se polariza ligeramente negativa con respecto al filamento. Como la rejilla esta polarizada negativamente se va a oponer a que los electrones emitidos por el filamento alcancen la placa. La mayor o menor oposición al flujo de electrones entre filamento y placa depende de la mayor o menor tensión (o voltaje) existente en la rejilla. En otras palabras, el voltaje de rejilla controla la corriente de la placa, como la rejilla se polariza negativamente no va a ver circulación de corriente por la rejilla o lo que es lo mismo no hay consumo de potencia (P = V*I).

El resultado es que un voltaje aplicado a la rejilla, sin consumo de potencia, puede controlar un flujo de corriente de placa que representa una potencia lo que significa una “amplificación”. Una potencia casi nula controla a una potencia mayor.

Este poder de amplificación de los Tríodos tuvo aplicación inmediata en la naciente tecnología de la Radio.  Permitió hacer osciladores que generaran corrientes alternas de alta frecuencia de manera continua lo que se llamó “onda continua” in inglés “continuos wave” abreviado CW. La otra aplicación de los tríodos fue servir de amplificador de las pequeñísimas señales captadas por la antena y convertirlas en señales de más potencia.

Nota: El término CW actualmente es sinónimo de telegrafía por radio pero en su origen indicaba telegrafía usando transmisores de tubos que producían una onda continua en oposición a los antiguos transmisores en que la radiofrecuencia se generaba por chispas que producían una onda amortiguada.

Las características del tubo Tríodo permitió a un sinnúmero de inventores y científicos desarrollar la radio y la electrónica a unos niveles ni siquiera imaginados por nuestros antepasados. En la primera mitad del siglo 20 se inventaros dispositivos electrónicos cada vez mas sofisticados todos ellos basados en explotar las características de los tubos electrónicos.

En 1946 se inventó el “transistor” que realiza funciones casi idéntica a los tubos y con algunas características mejores y poco a poco ha ido remplazando a los tubos y actualmente hay muy pocos dispositivos electrónicos que utilizan tubos.

En honor a la verdad el gran desarrollo de la electrónica se hizo utilizando tubos que posteriormente se reemplazaron por transistores. La mayoría de las aplicaciones actuales con transistores son circuitos que fueron inventados y desarrollados con tubos y son una “replica” “transistorizada” de circuitos que existen con tubos.

El tema del Transistor será tema de otro documento, pero permítame continuar como siguió el desarrollo de los tubos o válvulas electrónicas.

El Tríodo de DeForest fue mejorado con la introducción de una rejilla colocada entre la primera rejilla y la placa. La rejilla más cerca del filamento se llama actualmente “reja” o “rejilla” mientras que la segunda se denomina “pantalla”.  La pantalla siempre se polariza positivamente y su función es tomar los electrones que logran pasar la rejilla y acelerarlos hacia su destino en la placa. Como este dispositivo tiene cuatro elementos: filamento, rejilla, pantalla y placa se denomina “Tetrodo”  y tiene mejores características de amplificación que los triodos.

El diseño de los tubos continúo con la adición de otra rejilla entre la pantalla y la placa creando los Pentodos (tubos de 5 elementos). La última rejilla se llama supresora y se polariza negativamente. La función de la “supresora” depende de la arquitectura del tubo, en unos el voltaje de la supresora se usa para redirigir en forma segura a los electrones hacia el lugar exacto en que esta la placa y en otros actúa sobre algunos electrones que llegan con mucha fuerza a la placa y son rebotados, la supresora los devuelve a la placa.

Otro avance importante en los tubos fue usar una superficie altamente emisora de electrones y usar el filamento para calentarla. Este elemento se llama “cátodo” y mejoro el manejo de corriente de los tubos y separo las funciones de emisión de electrones de la calefacción.

La industria traduce todo tipo de tubos: Diodos, Tríodos, Tetrodos, Pentodos. Cada uno conserva ciertas características que son las que se utilizan en una aplicación dada.

Aunque actualmente los transistores han reemplazado el uso de tubos en la industria electrónica los tubos conserva su uso en algunos circuitos. El lugar en que aún se utilizan los tubos en los amplificadores de audio y radiofrecuencia de alta potencia. Su linealidad de la amplificación y el manejo de altas potencias con seguridad y confiabilidad además de circuitos más sencillos los hacen muy competitivo es esta área.

Para los radioaficionados es muy común la presencia de tubos en los amplificadores finales de radiofrecuencia cuando se utilizan potencia de cientos de vatios hasta el límite máximo de 1.5 Kwatts.  En general los amplificadores con tubos son sensiblemente más baratos que sus equivalentes con transistores.

En el mercado actual de tubos para amplificadores se ofrecen modelos de diseño antiguo aunque producidos con técnicas modernas y prestaciones de servicio superior. En general existe el siguiente grupo de tubos:

Tubos diseñados durante la segunda guerra mundial, significa que fueron diseñados hace mas de 60 años y aun sigue siendo usados debido a su robustez y bajo costo ya que no hay pagos de licencias. Los tubos tiene denominaciones de  números de la serie 800.

Los más conocidos son el 807 un tetrodo para amplificadores de menos de 100 watts, el tríodo 811 y el pentodo 813 para potencias alrededor de 200 y 300 watts.  En la práctica se colocan 2 o más tubos de estos trabajando en paralelo para lograr mayores potencias de salida.

En la década de los 60 aparecieron unos tubos diseñados para osciladores de fly-back en televisores de color de pantallas grandes.  Estos tubos resultaron muy apropiados para usar en amplificadores de RF para potencias alrededor de los 100 watts. La denominación de estos tubos son 6DQ6, 6AQ5 y otros similares.

Hay tubos en ampollas de vidrio de tamaño grande diseñados para trasmisores de radio comerciales los cuales son usados en el área de radioaficionados. Su denominación es de la forma 3X150, 3X400, 3X1000, 4X500, 4X1000, etc.  En esta denominación el primer número 3 indica que es un tríodo y el 4 que es un tetrodo. El número después de la X indica lo que se llama disipación de placa del tubo en watts.  La explicación es la siguiente: Un amplificador consume una potencia dada pero la potencia suministrada en radiofrecuencia es una fracción de la potencia alimentada. Esta fracción es la eficiencia del circuito, el resto de la energía se pierde en forma de calor en la placa y es conocida como disipación de placa.  Los fabricantes de tubos especifican cual es la máxima potencia que un tubo puede disipar en placa sin dañarse. Un tubo puede usarse para amplificadores de potencia 2 o 3 veces la disipación de placa.

Hay tubos de diseño más modernos que no usan ampollas de vidrio sino que utilizan material cerámico y las placas metálicas se sellan directamente a la cerámica. Esto permite construir tubos de tamaño más reducidos y de mayores potencias. La denominación de estos tubos son de la forma 3CX1000, 4CX1500, etc. y el criterio es el mismo de los tubos en vidrio, sino que la combinación CX indica que son tubos en cerámica.

Hay más denominaciones de tubos en el mercado no mencionados en este documento debido a su brevedad y además existen tubos equivalentes a los anteriores nombrados que recibe diferente denominación debido a estándares militares, políticas de compañías o restricciones de patentes en países donde los fabrican.

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