Cátodo frío
Un cátodo frío es un cátodo que no se calienta eléctricamente mediante un filamento. Un cátodo puede considerarse "frío" si emite más electrones de los que puede suministrar la emisión termoiónica sola. Se utiliza en lámparas de descarga de gas, como lámparas de neón, tubos de descarga y algunos tipos de tubos de vacío. El otro tipo de cátodo es un cátodo caliente, que se calienta con la corriente eléctrica que pasa a través de un filamento. Un cátodo frío no funciona necesariamente a baja temperatura: a menudo se calienta a su temperatura de funcionamiento por otros métodos, como la corriente que pasa del cátodo al gas.
Dispositivos de cátodo frío
Un tubo de vacío de cátodo frío no depende del calentamiento externo de un electrodo para proporcionar la emisión termoiónica de electrones. Los primeros dispositivos de cátodo frío incluían el tubo Geissler y el tubo Plucker, y los primeros tubos de rayos catódicos. El estudio de los fenómenos en estos dispositivos condujo al descubrimiento del electrón.
Las lámparas de neón se utilizan tanto para producir luz como indicadores y para iluminación especial, como también como elementos de circuito que muestran resistencia negativa. La adición de un electrodo disparador a un dispositivo permitió que un circuito de control externo iniciara la descarga luminiscente; Bell Laboratories desarrolló un "tubo de disparo" dispositivo de cátodo frío en 1936.
Se desarrollaron muchos tipos de tubos de conmutación de cátodo frío, incluidos varios tipos de thyratron, krytron, pantallas de cátodo frío (tubo Nixie) y otros. Los tubos reguladores de voltaje se basan en el voltaje relativamente constante de una descarga luminiscente en un rango de corriente y se utilizaron para estabilizar los voltajes de la fuente de alimentación en instrumentos basados en tubos. Un Dekatron es un tubo de cátodo frío con múltiples electrodos que se utiliza para contar. Cada vez que se aplica un pulso a un electrodo de control, una descarga luminiscente se mueve hacia un electrodo escalonado; proporcionando diez electrodos en cada tubo y conectando los tubos en cascada, se puede desarrollar un sistema contador y observar el conteo por la posición de las descargas luminiscentes. Los tubos contadores se usaban ampliamente antes del desarrollo de los dispositivos contadores de circuitos integrados.
El tubo de flash es un dispositivo de cátodo frío lleno de gas xenón, que se utiliza para producir un pulso de luz intenso y corto para la fotografía o para actuar como un estroboscopio para examinar el movimiento de las piezas móviles.
Lámparas
Las lámparas de cátodo frío incluyen lámparas fluorescentes de cátodo frío (CCFL) y lámparas de neón. Las lámparas de neón se basan principalmente en la excitación de las moléculas de gas para emitir luz; Los CCFL utilizan una descarga de vapor de mercurio para desarrollar luz ultravioleta, que a su vez hace que un recubrimiento fluorescente en el interior de la lámpara emita luz visible.
Las lámparas fluorescentes de cátodo frío se usaban para la retroiluminación de las pantallas LCD, por ejemplo, monitores de computadora y pantallas de televisión.
En la industria de la iluminación, "cátodo frío" históricamente se refiere a tubos luminosos de más de 20 mm de diámetro y que funcionan con una corriente de 120 a 240 miliamperios. Esta tubería de mayor diámetro se usa a menudo para alcobas interiores e iluminación general. El término "lámpara de neón" se refiere a tubos que tienen menos de 15 mm de diámetro y normalmente funcionan a aproximadamente 40 miliamperios. Estas lámparas se usan comúnmente para letreros de neón.
Detalles
El cátodo es el electrodo negativo. Cualquier lámpara de descarga de gas tiene un electrodo positivo (ánodo) y uno negativo. Ambos electrodos alternan entre actuar como ánodo y cátodo cuando estos dispositivos funcionan con corriente alterna.
Un cátodo frío se distingue de un cátodo caliente que se calienta para inducir la emisión termoiónica de electrones. Los tubos de descarga con cátodos calientes tienen una envoltura llena de gas a baja presión y que contiene dos electrodos. Los dispositivos de cátodo caliente incluyen tubos de vacío comunes, lámparas fluorescentes, lámparas de descarga de alta presión y pantallas fluorescentes de vacío.
La superficie de los cátodos fríos puede emitir electrones secundarios en una proporción superior a la unidad (ruptura). Un electrón que sale del cátodo chocará con moléculas de gas neutral. La colisión puede simplemente excitar la molécula, pero a veces liberará un electrón para crear un ion positivo. El electrón original y el electrón liberado continúan hacia el ánodo y pueden crear más iones positivos (ver avalancha de Townsend). El resultado es que por cada electrón que sale del cátodo, se generan varios iones positivos que finalmente chocan contra el cátodo. Algunos iones positivos que chocan pueden generar un electrón secundario. La descarga es autosuficiente cuando por cada electrón que sale del cátodo, suficientes iones positivos golpean el cátodo para liberar, en promedio, otro electrón. El circuito externo limita la corriente de descarga. Las lámparas de descarga de cátodo frío utilizan voltajes más altos que las de cátodo caliente. El fuerte campo eléctrico resultante cerca del cátodo acelera los iones a una velocidad suficiente para crear electrones libres a partir del material del cátodo.
Otro mecanismo para generar electrones libres a partir de una superficie metálica fría es la emisión de electrones de campo. Se utiliza en algunos tubos de rayos X, el microscopio electrónico de campo (FEM) y las pantallas de emisión de campo (FED).
Los cátodos fríos a veces tienen un recubrimiento de tierras raras para mejorar la emisión de electrones. Algunos tipos contienen una fuente de radiación beta para iniciar la ionización del gas que llena el tubo. En algunos tubos, la descarga luminiscente alrededor del cátodo suele minimizarse; en cambio, hay una llamada columna positiva que llena el tubo. Algunos ejemplos son la lámpara de neón y los tubos de nixie. Los tubos Nixie también son pantallas de neón de cátodo frío que son dispositivos de visualización en línea, pero no en el plano.
Los dispositivos de cátodo frío suelen utilizar una fuente de alimentación compleja de alto voltaje con algún mecanismo para limitar la corriente. Aunque crear la carga espacial inicial y el primer arco de corriente a través del tubo puede requerir un voltaje muy alto, una vez que el tubo comienza a calentarse, la resistencia eléctrica cae, aumentando así la corriente eléctrica a través de la lámpara. Para compensar este efecto y mantener el funcionamiento normal, la tensión de alimentación se reduce gradualmente. En el caso de tubos con un gas ionizante, el gas puede convertirse en un plasma muy caliente y la resistencia eléctrica se reduce mucho. Si funciona con una fuente de alimentación simple sin limitación de corriente, esta reducción de la resistencia provocaría daños en la fuente de alimentación y un sobrecalentamiento de los electrodos del tubo.
Aplicaciones
Los cátodos fríos se utilizan en rectificadores de cátodo frío, como las válvulas de arco de mercurio y crossatron, y amplificadores de cátodo frío, como en la contabilidad automática de mensajes y otras aplicaciones de conmutación de pseudochispa. Otros ejemplos incluyen los tubos thyratron, krytron, sprytron y ignitron.
Una aplicación común de cátodos fríos es en letreros de neón y otros lugares donde es probable que la temperatura ambiente descienda por debajo del punto de congelación, la Torre del Reloj, el Palacio de Westminster (Big Ben) utiliza iluminación de cátodos fríos detrás de las esferas del reloj donde golpear y no golpear en clima frío sería indeseable. Las lámparas fluorescentes de cátodo frío grandes (CCFL) se han producido en el pasado y todavía se utilizan hoy en día cuando se requieren fuentes de luz lineales de larga vida útil. A partir de 2011, los CCFL en miniatura se utilizaron ampliamente como retroiluminación para pantallas de cristal líquido de computadoras y televisores. La vida útil de CCFL varía en los televisores LCD según las sobretensiones transitorias y los niveles de temperatura en los entornos de uso.
Debido a su eficiencia, la tecnología CCFL se ha expandido a la iluminación de habitaciones. Los costos son similares a los de la iluminación fluorescente tradicional, pero con varias ventajas: tiene una vida útil prolongada, la luz que emite es más agradable a la vista, las bombillas se encienden instantáneamente a su máxima potencia y también son regulables.
Efectos del calentamiento interno
En los sistemas que usan corriente alterna pero sin estructuras de ánodos separadas, los electrodos se alternan como ánodos y cátodos, y los electrones que chocan pueden causar un calentamiento localizado sustancial, a menudo al rojo vivo. El electrodo puede aprovechar este calentamiento para facilitar la emisión termoiónica de electrones cuando actúa como cátodo. (Las lámparas fluorescentes de encendido instantáneo emplean este aspecto; comienzan como dispositivos de cátodo frío, pero pronto el calentamiento localizado de los cátodos finos de alambre de tungsteno hace que funcionen en el mismo modo que las lámparas de cátodo caliente.)
Este aspecto es problemático en el caso de la retroiluminación utilizada para pantallas de TV LCD. Las nuevas regulaciones de eficiencia energética que se proponen en muchos países requerirán retroiluminación variable; la retroiluminación variable también mejora el rango de contraste percibido, lo cual es deseable para los televisores LCD. Sin embargo, los CCFL están estrictamente limitados en el grado en que se pueden atenuar, tanto porque una corriente de plasma más baja reducirá la temperatura del cátodo, provocando un funcionamiento errático, como porque el funcionamiento del cátodo a una temperatura demasiado baja acorta drásticamente la vida útil del cátodo. lámparas Se está investigando mucho este problema, pero los fabricantes de gama alta ahora están recurriendo a los LED blancos de alta eficiencia como una mejor solución.