Vàlvula electrònica

(S'ha redirigit des de: Vàlvula de buit)

Una vàlvula electrònica o un tub electrònic[1] és un dispositiu electrònic tancat dins d'un tub de vidre, consistix en un conjunt d'elèctrodes organitzats de manera adquada per tal d'aconseguir el control de la circulació del corrent entre ells i obtenir certs efectes de sortida. Els tubs de vidre són estancs, habitualment s'hi fa el buit o s'omplen d'algun gas inert a baixa pressió.[2]

Vàlvula doble-tríode de fabricació russa

Malgrat haver tingut un cert ressorgiment, la majoria les vàlvules electròniques han estat reemplaçades per altres dispositius que es basen en l'ús de materials semiconductors, especialment en electrònica. Amb tot, aquests díodes encara s'utilitzen en certes aplicacions especialitzades com ara l'alta fidelitat.[3]

El ventall de vàlvules que va existir va se ampli, però bàsicament n'hi havia de tres tipus: els rectificadors de mercuri, els rectificadors Tungar, els rectificadors de gas i una grean varietat de vàlvules termoiòniques.[2]

Vàlvules termoiòniquesModifica

Les primeres vàlvules termoiòniques, o tubs de buit,[4] evolucionaren a partir de les bombetes d'incandescència, i contenien un filament (anomenat càtode) dins d'un recipient de vidre segellat al buit. El filament està tractat amb òxid de bari, de manera que en escalfar-se allibera electrons al buit circumdant, un efecte anomenat emissió termoiònica o «Efecte Edison». Un segon elèctrode, l'ànode o placa, atrau electroestàticament aquests electrons si és a una tensió positiva respecte del càtode. El resultat és un flux net d'electrons del càtode a l'ànode. Tanmateix, si s'inverteix la polaritat entre càtode i ànode, els electrons no poden fluir en sentit contrari perquè l'ànode no està escalfat i no emet electrons. Un tub d'aquestes característiques s'anomena díode, i té aplicacions en rectificació. El seu inventor fou John Ambrose Fleming (1904), de l'empresa Marconi, basant-se en observacions realitzades per Thomas Alva Edison.

Pocs anys després (1907) Lee De Forest desenvolupà l'Audion, un dispositiu precursor de la vàlvula tríode, en el qual, introduint un tercer elèctrode anomenat «reixeta de control» (o simplement «reixeta») entre el càtode i l'ànode, era possible de modular el flux d'electrons (i, per tant, la magnitud del corrent elèctric que travessava el dispositiu) variant només el potencial de la reixeta respecte del càtode. D'aquesta manera, una variació de pocs volts a la reixeta podia produir unes variacions relativament grans de corrent i, en conseqüència, una variació de la tensió de l'ànode de forma similar a l'aplicada a la reixeta, però de magnitud molt més elevada. Naixia així un dispositiu capaç d'amplificar un senyal, fet que suposà una autèntica revolució i (juntament amb el descobriment de l'electró uns anys abans) es pot considerar que inaugurà el camp de l'electrònica.

ClassificacionsModifica

 
Receptor de ràdio amb tubs de buit

Una classificació dels tubs de buit termoiònics és pel nombre d'elèctrodes actius. Un dispositiu amb dos elements actius és un díode, normalment utilitzat per a rectificació. Els dispositius amb tres elements són tríodes utilitzats per a l'amplificació i la commutació. Els elèctrodes addicionals creen tètrodes, pèntodes, i així successivament, que tenen múltiples funcions addicionals possibles gràcies als elèctrodes controlables addicionals.

Altres classificacions són:

  • per rang de freqüències (àudio, ràdio, VHF, UHF, microones)
  • per potència (senyal petit, potència d'àudio, transmissió de ràdio d'alta potència)
  • pel tipus de càtode/filament (escalfat indirectament, escalfat directament) i temps d'escalfament (incloent "emissor de brillantor" o "emissor sord")
  • pel disseny de corbes característiques (p. ex., nítids versus remots-tall en alguns pèntodes)
  • per aplicació (tubs receptors, tubs transmissors, amplificació o commutació, rectificació, mescla)
  • paràmetres especialitzats (llarga vida, molt baixa sensibilitat microfònica i amplificació d'àudio de baix soroll, versions robustes o militars)
  • Funcions especialitzades (detectors de llum o radiació, tubs d'imatge de vídeo)
  • tubs utilitzats per mostrar informació (tubs "ull màgic", pantalles fluorescents al buit, CRT)

Els tubs tenen diferents funcions, com ara els tub de raigs catòdics que creen un feix d'electrons amb finalitats de visualització (com ara el tub d'imatge de televisió) a més de funcions més especialitzades com la microscòpia electrònica i electrons de litografia de feix. El tub de raigs X també és un tub de buit. Els fototubs i fotomultiplicadors es basen en el flux d'electrons a través del buit, tot i que en aquests casos l'emissió d'electrons del càtode depèn de l'energia dels fotons en lloc de l'emissió termiònica. Com que aquest tipus de "tubs de buit" tenen funcions diferents de l'amplificació i rectificació electrònica, es descriuen en altres llocs.

DescripcióModifica

Díode: els electrons del càtode calent flueixen cap a l'ànode positiu, però no a l'inrevés
Triode: tensió aplicada al corrent de la placa de control de la xarxa (ànode).

Un tub de buit consta de dos o més elèctrodes al buit dins d'un embolcall hermètic. La majoria dels tubs tenen embolcalls de vidre amb un segell de vidre a metall basat en vidre kovar de borosilicat segellable, encara que s'han utilitzat embolcalls de ceràmica i metall (a sobre de bases aïllants). Els elèctrodes estan connectats a cables que travessen l'embolcall mitjançant un segell hermètic. La majoria dels tubs de buit tenen una vida útil limitada, a causa de la cremada del filament o de l'escalfador o d'altres modes de fallada, de manera que es fabriquen com a unitats reemplaçables; els cables de l'elèctrode es connecten a les agulles de la base del tub que es connecten a un conector del tub. Els tubs eren una causa freqüent de fallades en els equips electrònics, i s'esperava que els consumidors poguessin substituir els tubs ells mateixos. A més dels terminals de la base, alguns tubs tenien un elèctrode que acabava en una tapa superior. El motiu principal per fer-ho va ser evitar la resistència a les fuites a través de la base del tub, especialment per a l'entrada de la xarxa d'alta impedància.[5][6] Les bases es feien habitualment amb aïllament fenòlic que funciona malament com a aïllant en condicions humides. Altres raons per utilitzar una tapa superior inclouen la millora de l'estabilitat mitjançant la reducció de la capacitat de la xarxa a l'ànode,[7] rendiment d'alta freqüència millorat, mantenint una tensió de placa molt alta lluny de tensions més baixes i acomodant un elèctrode més del que permet la base. Fins i tot hi havia un disseny ocasional que tenia dues connexions superiors.

Els primers tubs de buit van evolucionar a partir de bombetes incandescents, que contenien un filament segellat en un embolcall de vidre evacuat. Quan està calent, el filament allibera electrons al buit, un procés anomenat emissió termiònica, originalment conegut com a efecte Edison. Un segon elèctrode, l'ànode o placa, atraurà aquests electrons si està a un voltatge més positiu. El resultat és un flux net d'electrons del filament a la placa. Tanmateix, els electrons no poden fluir en sentit invers perquè la placa no s'escalfa i no emet electrons. El filament (càtode) té una doble funció: emet electrons quan s'escalfa; i, juntament amb la placa, crea un camp elèctric a causa de la diferència de potencial entre ells. Aquest tub amb només dos elèctrodes s'anomena díode, i s'utilitza per a rectificació. Com que el corrent només pot passar en una direcció, aquest díode (o rectificador) convertirà el corrent altern (CA) en corrent continu polsant. Per tant, els díodes es poden utilitzar en una font d'alimentació de CC, com a desmodulador de senyals de ràdio modulats en amplitud (AM) i per a funcions similars.

Els primers tubs utilitzaven el filament com a càtode; això s'anomena tub "escalfat directament". La majoria dels tubs moderns són "escalfats indirectament" per un element "escalfador" dins d'un tub metàl·lic que és el càtode. L'escalfador està aïllat elèctricament del càtode circumdant i simplement serveix per escalfar el càtode prou per a l'emissió termiònica d'electrons. L'aïllament elèctric permet que tots els escalfadors dels tubs s'alimentin des d'un circuit comú (que pot ser de CA sense induir zumbits) alhora que permet que els càtodes dels diferents tubs funcionin a diferents voltatges. H. J. Round va inventar el tub escalfat indirectament cap al 1913.[8]

Els filaments requereixen una potència constant i sovint considerable, fins i tot quan amplifiquen senyals a nivell de microwatts. La potència també es dissipa quan els electrons del càtode xoquen contra l'ànode (placa) i l'escalfen; això pot ocórrer fins i tot en un amplificador inactiu a causa dels corrents en repòs necessaris per garantir la linealitat i la baixa distorsió. En un amplificador de potència, aquest escalfament pot ser considerable i pot destruir el tub si es condueix més enllà dels seus límits segurs. Com que el tub conté un buit, els ànodes de la majoria dels tubs de potència petita i mitjana es refreden per radiació a través de l'embolcall de vidre. En algunes aplicacions especials d'alta potència, l'ànode forma part de l'embolcall de buit per conduir la calor a un dissipador de calor extern, generalment refredat per un ventilador o una camisa d'aigua.

Els Klystrons i els magnetrons sovint operen els seus ànodes (anomenats col·lectors en klystrons) a potencial de terra per facilitar el refredament, especialment amb aigua, sense aïllament d'alta tensió. En canvi, aquests tubs funcionen amb alts voltatges negatius al filament i al càtode.

Excepte els díodes, els elèctrodes addicionals es col·loquen entre el càtode i la placa (ànode). Aquests elèctrodes s'anomenen quadrícules ja que no són elèctrodes sòlids sinó elements escassos a través dels quals els electrons poden passar en el seu camí cap a la placa. Aleshores, el tub de buit es coneix com a tríode, tètrode, pèntode, etc., depenent del nombre de quadrícules. Un tríode té tres elèctrodes: l'ànode, el càtode i una reixeta, etc. La primera xarxa, coneguda com a xarxa de control, (i de vegades altres xarxes) transforma el díode en un dispositiu controlat per tensió: la tensió aplicada a la xarxa de control afecta el corrent entre el càtode i la placa. Quan es manté negativa respecte al càtode, la xarxa de control crea un camp elèctric que repel·leix els electrons emesos pel càtode, reduint o fins i tot aturant el corrent entre el càtode i l'ànode. Mentre la xarxa de control sigui negativa en relació amb el càtode, essencialment no hi flueix corrent, però un canvi de diversos volts a la xarxa de control és suficient per fer una gran diferència en el corrent de la placa, possiblement canviant la sortida en centenars de volts (segons el circuit). El dispositiu d'estat sòlid que funciona més com el tub de pèntode és el transistor d'efecte de camp d'unió (JFET), encara que els tubs de buit normalment funcionen a més de cent volts, a diferència de la majoria de semiconductors en la majoria d'aplicacions.

Paquets de tubModifica

 
Tubs amb carcassa metàl·lica amb bases octals
 
Tub tríode tipus GS-9B; Dissenyat per utilitzar-se a freqüències de ràdio de fins a 2.000 MHz i classificat per a una dissipació de potència d'ànode de 300 watts.[9] El dissipador de calor amb aletes proporciona la conducció de la calor des de l'ànode fins al corrent d'aire.

La majoria dels tubs moderns tenen sobres de vidre, però també s'han utilitzat metall, quars fos (sílice) i ceràmica. Una primera versió del 6L6 utilitzava un sobre metàl·lic segellat amb perles de vidre, mentre que en versions posteriors es va utilitzar un disc de vidre fos al metall. El metall i la ceràmica s'utilitzen gairebé exclusivament per a tubs de potència superiors a 2 kW de dissipació. El nuvistor era un tub receptor modern que utilitzava un paquet de metall i ceràmica molt petit.

Els elements interns dels tubs sempre s'han connectat a circuits externs mitjançant pins a la seva base que es connecten a un endoll. Els tubs subminiatura es van produir utilitzant cables de cable en lloc de preses, però aquests es van limitar a aplicacions força especialitzades. A més de les connexions a la base del tub, molts primers tríodes connectaven la reixeta mitjançant una tapa metàl·lica a la part superior del tub; això redueix la capacitància dispersa entre la xarxa i els cables de la placa. També es van utilitzar taps de tubs per a la connexió de plaques (ànode), particularment en tubs de transmissió i tubs amb una tensió de placa molt alta.

Els tubs d'alta potència, com els tubs de transmissió, tenen paquets dissenyats més per millorar la transferència de calor. En alguns tubs, l'embolcall metàl·lic també és l'ànode. El 4CX1000A és un tub ànode extern d'aquest tipus. L'aire es bufa a través d'una sèrie d'aletes connectades a l'ànode, refredant-lo així. Els tubs de potència que utilitzen aquest esquema de refrigeració estan disponibles amb una dissipació de fins a 150 kW. Per sobre d'aquest nivell s'utilitza refrigeració per aigua o per vapor d'aigua. El tub de major potència disponible actualment és l'Eimac 4CM2500KG, un tètrode de potència forçat refrigerat per aigua capaç de dissipar 2,5 megawatts.[10] En comparació, el transistor de potència més gran només pot dissipar aproximadament 1 quilowatt.

Vegeu tambéModifica

ReferènciesModifica

  1. «vàlvula electrònica». Cercaterm. TERMCAT. [Consulta: 30 gener2022].
  2. 2,0 2,1 Chafee, E. Leon. Theory of Thermionic Vacuum Tubes. Nova York - London: McGraw-Hill, 1933, p. 1-2. ISBN n/a [Consulta: 10 setembre 2019]. 
  3. «The Vacuum Tube’s Many Modern-Day Uses» (en anglès). [Consulta: 10 setembre 2019].
  4. «vàlvula termoiònica». Cercaterm. TERMCAT. [Consulta: 30 gener2022].
  5. Morgan Jones, Valve Amplifiers, Elsevier, 2012 ISBN 0080966403.
  6. Olsen, George Henry. Electronics: A General Introduction for the Non-Specialist. Springer, 2013, p. 391. ISBN 978-1489965356. 
  7. Rogers, D. C. «Triode amplifiers in the frequency range 100 Mc/s to 420 Mc/s». Journal of the British Institution of Radio Engineers, vol. 11, 12, 1951, pàg. 569–575. DOI: 10.1049/jbire.1951.0074., p.571
  8. Bray, John. Innovation and the Communications Revolution: From the Victorian Pioneers to Broadband Internet. IET, 2002. ISBN 9780852962183. 
  9. GS-9B Oscillator Ultra-High Frequency Triode Archived 25 Feb. 2021
  10. «MULTI-PHASE COOLED POWER TETRODE 4CM2500KG». Arxivat de l'original el 11 October 2016. «The maximum anode dissipation rating is 2500 kilowatts.»
A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Vàlvula electrònica