Usuari:Mcapdevila/Vàlvula de buit

Plantilla:Fitxa de component electrònic

Vàlvula doble-tríode de fabricació russa

La vàlvula electrònica , també anomenada vàlvula termoiònica , vàlvula de buit , tub de buit ', , és un component electrònic utilitzat per amplificar, commutar, o modificar un senyal elèctric mitjançant el control del moviment dels electrons en un espai "buit" a molt baixa pressió, o en presència de gasos especialment seleccionats. La vàlvula originària va ser el component crític que va possibilitar el desenvolupament de l'electrònica durant la primera meitat del segle XX, incloent l'expansió i comercialització de la radiodifusió, televisió, radar, àudio, xarxes telefòniques, computadores analògiques i digitals, control industrial, etc. Algunes d'aquestes aplicacions són anteriors a la vàlvula, però van viure un creixement explosiu gràcies a ella.

Estaven constituïdes per dos o més elèctrodes rodejats de buit en un tub de cristall, amb un aspecte semblant al de les làmpades incandescents. L'invent primitiu va ser el díode, que va ser realitzat el 1904 per John Ambrose Fleming, de l'empresa Marconi, basant-se en observacions realitzades per Thomas Alva Edison. Encara que estos díodes encara s'empren en certes aplicacions especialitzades, i malgrat haver tingut un cert ressorgiment, la majoria dels díodes moderns es basen en l'ús de materials semiconductors, especialment en electrònica.

Igual que les làmpares incandescents, els tubs de buit més senzills tenen un filament a través del qual circula el corrent, escalfant-lo per l'efecte Joule. El filament està tractat amb òxid de bari, de manera que en escalfar-se emet electrons al buit circumdant, que són conduïts electrostàticament cap a una placa metàl·lica carregada positivament (l'ànode), produint-se així la conducció. Evidentment, si l'ànode no s'escalfa, no podrà cedir electrons al buit circumdant, per la qual cosa el pas del corrent en sentit invers es veu impedit.

Al llarg de la seva història, van ser introduïts moltíssims tipus de vàlvules, però els principis de funcionament bàsics són:

  • Efecte Edison. La gran majoria de les vàlvules electròniques estan basades en la propietat que tenen els metalls en calent d'alliberar electrons des de la seva superfície.
  • Gasos ionitzats. En altres casos, s'utilitzen les característiques de la conducció electrònica en gasos ionitzats, això resulta principalment important en els reguladors de tensió, rectificadors de vapor de mercuri, vàlvula de commutació T/R, etc.
  • Efecte fotoelèctric En altres casos, el principi de funcionament es basa en l'emissió d'electrons pel efecte fotoelèctric.

L'ocàs d'aquesta tecnologia va començar amb la invenció del transistor i el posterior desenvolupament de components d'estat sòlid que eren molt més petits, barats i fiables que la vàlvula. No obstant això avui dia encara sobreviu en certes aplicacions específiques, on per raons tècniques resulten més convenient. Per exemple en transmissors de radiofreqüència d'alta potència i sistemes de radar s'utilitzen magnetrons, vàlvules d'ona progressiva TWT, thyratrones, etc. En televisió i sistemes d'imatge medicinal encara s'utilitzen tubs de raigs catòdics o tubs de captura d'imatge, i en la llar és la base de funcionament del forn microones. També segueixen sent àmpliament utilitzades en preamplificadors de micròfons, guitarres i baixos, així com en equips de so d'alta fidelitat.

HistòriaModifica

 
Díode de buit produït per Philips.

Encara que l'efecte d'emissió termoiònica va ser originalment reportat per Frederick Guthrie en 1873, és la investigació de Thomas Alva Edison el treball més sovint esmentat. Edison, en veure que amb l'ús el vidre de les làmpades incandescents s'anava enfosquint, va buscar la forma de minorar aquest efecte, realitzant per a això diversos experiments. Un va ser la introducció en l'ampolla del llum d'un elèctrode en forma de placa, que es polaritzava elèctricament per tal d'atreure les partícules que, segons sembla, es desprenien del filament. Tot i que Edison no comprenia a nivell físic el funcionament, i desconeixia el potencial del seu "descobriment" , el 1884 Edison ho va patentar sota el nom de "Efecte Edison".

 
tríode de 1906.

A l'agregar un elèctrode pla (placa), quan el filament s'escalfa es produeix una agitació dels àtoms del material que el recobreix, i els electrons de les òrbites de valència són accelerats, aconseguint velocitats de fuita, amb el que es forma un núvol d'electrons per sobre d'aquest. El núvol termoiònica, fortament atreta per la placa, a causa del potencial positiu aplicat en la mateixa, dóna lloc a la circulació d'un corrent electrònica a través de la vàlvula entre el filament i l'ànode. A aquest fenomen se l'anomena Efecte Edison-Richardson o termoiònic.

Arribats a aquest punt, hem de la vàlvula termoiònica més simple està constituïda per una ampolla de vidre, similar a la de les làmpades d'incandescència, a la qual se li ha practicat el buit i en la qual es troben tancats dos elèctrodes, anomenats càtode i ànode .

Físicament, el càtode, consisteix en un filament de wolframi, recobert per una substància rica en electrons lliures, que s'escalfa mitjançant el pas d'un corrent. L'ànode està format per una placa metàl·lica que envolta al filament a una certa distància ia la qual s'aplica un potencial positiu. Per constar de dos elèctrodes a la vàlvula abans descrita se li denomina díode .

En la mesura que que la funció de càtode és realitzada directament pel filament, es tracta d'una vàlvula de escalfament directe .

Quan es volen obtenir majors corrents a través de la vàlvula i un aïllament elèctric entre la font de corrent d'escalfament del filament i la d'ànode-càtode, s'utilitza un càtode independent constituït per un petit tub metàl·lic revestit o "pintat" amb algun material ric en electrons lliures, com el òxid de tori, que envolta el filament, aïllat elèctricament, però molt proper a ell per poder escalfar adequadament. En aquest cas la vàlvula es denomina de escalfament indirecte , podent llavors el corrent del caldeo ser fins i tot alterna. En aquest tipus de vàlvules el filament solament és l'element calefactor i no es considera un elèctrode actiu. En estar els filaments aïllats es poden connectar junts (en sèrie o paral·lel) els filaments de totes les vàlvules de l'equip, el que no és possible amb càtodes de caldeig directe.

Si s'agreguen altres elèctrodes entre ànode i càtode (anomenats reixetes) es pot controlar o modular el flux d'electrons que arriben a l'ànode, d'aquí la denominació de vàlvula.

A causa del fet que el corrent per l'interior de la vàlvula solament pot circular en un sentit, una de les aplicacions de les vàlvules termoiòniques és la seva utilització com rectificador. Així mateix, i atès que amb petites diferències de potencial aplicades entre reixeta i càtode es poden produir variacions considerables del corrent circulant entre càtode i ànode, una altra aplicació, possiblement la més important, és com amplificador.

CaracterístiquesModifica

 
Indicador de díode de buit.
 
Indicador de tríode.
 
Indicador de tètrode.
 
Indicador de pèntode.

Encara que existeix una gran diversitat de tipus de vàlvules termoiòniques, tant en la seva aplicació com en els seus principis de funcionament (control de la quantitat d'electrons, en tríode s, tètrode s, pèntodes ; modulació de la seva velocitat en klistrones; acoblament entre el flux d'electrons i una ona electromagnètica en tubs d'ona progressiva, etc), la majoria comparteixen una sèrie de característiques comunes que s'han anat potenciant en anar avançant el seu desenvolupament tecnològic.

FilamentsModifica

El filament és l'òrgan calefactor que proporciona l'energia suficient perquè el càtode emeti una quantitat d'electrons adequada.

En les primeres vàlvules, el filament també actuava com a càtode (càtode de caldeo directe). Posteriorment es van separar les funcions, quedant el filament només com calefactor i el càtode com a elèctrode separat (càtode de caldeo indirecte). Ambdues formes van conviure, ja que el caldeo directe millora la transferència tèrmica entre el càtode i el filament, mentre que el caldeo indirecte simplifica molt el disseny dels circuits i permet optimitzar cadascun dels elèctrodes.

El filament, en estar calent, es veu sotmès a l'efecte de sublimació del material de la seva superfície, és a dir, el seu pas a l'estat gasós, el que va reduint la seva secció en certs punts que ara s'escalfen més que la resta, augmentant la sublimació en ells fins que el filament es trenca. Aquest efecte disminueix enormement si es treballa a temperatures baixes amb materials d'alt punt de fusió (Wolframio. ..). Per això la temperatura dels filaments ha anat descendint.

Efecte microfònic: aquest efecte consisteix en la transmissió al filament de vibracions mecàniques. Quan el filament vibra, transmet aquestes oscil·lacions al càtode, variant la seva distància amb la reixeta, el que produeix una modulació en el corrent d'electrons. En l'ànode, el senyal útil apareix modulada per les vibracions mecàniques, el que és especialment desagradable en el cas d'amplificadors d'àudio, ja que les vibracions que s'acoblen provenen del propi altaveu.

Els camps magnètics també poden crear oscil·lacions del filament, per això algunes vàlvules es tancaven en tubs de gran permeabilitat magnètica (mu-metall).

CàtodesModifica

El càtode és el responsable de l'emissió d'electrons, que ha de ser constant al llarg de la vida de la vàlvula. Malauradament, això no és així, i els càtodes es van esgotant segons envelleixen.

Per prolongar la vida dels filaments, la temperatura de funcionament dels càtodes ha anat fent-se cada vegada menor, gràcies a l'ús de materials amb un potencial d'extracció d'electrons més baix (aliatges de tori, òxids de lantànids ...)

Els càtodes també han de ser bons conductors, el que limita l'aplicació d'alguns recobriments a aplicacions molt particulars. Per exemple, l'òxid de calci sol recobrir els filaments de les pantalles de buit fluorescents (VFD).

ÀnodesModifica

L'ànode rep el flux d'electrons que, en la majoria de les vàlvules, han estat accelerats fins a adquirir gran energia que transfereixen a l'ànode quan xoquen contra ell. Per això, els ànodes de les vàlvules de potència són grans, moltes vegades massius i formen part del propi cos de la vàlvula, podent refrigerar directament des de l'exterior, per contacte amb una superfície freda, aire a pressió, vapor d'aigua, etc. Anteriorment, la refrigeració d'ànode es realitzava fonamentalment per radiació, de manera que les ampolles de vidre eren grans i separades de l'ànode, perquè aquest pogués adquirir gran temperatura.

L'emissió secundària és un efecte, normalment indesitjable, que es produeix a l'ànode, quan els electrons incidents, de gran energia, arrenquen electrons del metall. Encara que en algunes vàlvules aquest efecte s'aprofita per obtenir guany, en la majoria d'elles degrada el senyal i s'ha d'evitar.

BuitModifica

Un menor grau de buit implica la presència de més molècules de gas a la vàlvula, augmentant el nombre de col·lisions amb els electrons i disminuint el rendiment del tub. Però un menor buit implica un major desgast dels filaments, de manera que històricament s'ha anat avançant cap a les vàlvules d'alt buit mitjançant un avanç conjunt en tots els altres components. No obstant això, algunes vàlvules com els tiratrones basen el seu funcionament en la presència de certs gasos omplint el tub.

Els metalls i altres materials tenen propietats d'absorció i adsorció de gasos de l'atmosfera, i quan s'escalfen a baixa pressió els van alliberant lentament. Per això, encara s'extregui tot l'aire d'una vàlvula, amb l'ús, el buit interior es redueix. Per evitar-s'utilitza el getter, que és un material (per exemple, magnesi) que s'evapora una vegada segellat el tub. El magnesi evaporat es diposita en la superfície del vidre formant un recobriment brillant. El getter adsorbeix les molècules de gas que puguin alliberar-se en el tub, mantenint la integritat del buit. Quan entra aire en el tub, el getter es torna blanquinós.

CeràmiquesModifica

El material més utilitzat en construcció del "recipient" de la vàlvula és el vidre, ja heretat de la fabricació de bombetes. Però el vidre té baix punt de fusió, és un bon aïllant tèrmic i és fràgil, de manera que per a vàlvules d'alta potència i radiofreqüència es prefereix utilitzar ceràmiques, que són menys fràgils, tenen bona conductivitat tèrmica i alt punt de fusió. El seu taló d'Aquil·les ha estat l'establiment d'unions estanques i duradores entre la ceràmica i el metall (connexions dels elèctrodes, ànode, dissipadors). Un cop resolt el problema, la ceràmica ha desplaçat al vidre en vàlvules de potència i de microones.

TipologiaModifica

Segons el nombre d'elèctrodes les vàlvules es classifiquen en: Díode s, tríode s, tètrode s, pèntode s, i així successivament.

Altres tipus de vàlvules termoiòniques són els

SimilarsModifica

Similars a les vàlvules termoiòniques, però sense emprar l'efecte Edison són:

Vegeu tambéModifica

ReferènciesModifica

Enllaços externsModifica

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Tubs de buit