Tetrodo
Un tetrodo es un tubo de vacío (llamado válvula en inglés británico) que tiene cuatro electrodos activos. Los cuatro electrodos en orden desde el centro son: un cátodo termoiónico, una primera y una segunda rejilla y una placa (llamada ánodo en inglés británico). Hay varias variedades de tetrodos, siendo los más comunes el tubo de rejilla de pantalla y el tetrodo de haz. En los tubos de rejilla de pantalla y los tetrodos de haz, la primera rejilla es la rejilla de control y la segunda rejilla es la rejilla de pantalla. En otros tetrodos, una de las rejillas es una rejilla de control, mientras que la otra puede tener una variedad de funciones.
El tetrodo se desarrolló en la década de 1920 al agregar una rejilla adicional al primer tubo de vacío amplificador, el triodo, para corregir las limitaciones del triodo. Durante el período de 1913 a 1927, aparecieron tres tipos distintos de válvulas de tetrodo. Todos tenían una rejilla de control normal cuya función era actuar como control principal para la corriente que pasaba por el tubo, pero diferían según la función prevista de la otra rejilla. En orden de aparición histórica, estos son: el tubo de rejilla de carga espacial, la válvula de doble rejilla y el tubo de rejilla de pantalla. El último de estos apareció en dos variantes distintas con diferentes áreas de aplicación: la válvula de rejilla de pantalla propiamente dicha, que se usó para amplificación de señal pequeña de frecuencia media, y el tetrodo de haz que apareció más tarde y se usó para audio o radio. amplificación de potencia de frecuencia. El primero fue rápidamente reemplazado por el pentodo rf, mientras que el segundo se desarrolló inicialmente como una alternativa al pentodo como un dispositivo amplificador de potencia de audio. El tetrodo de haz también se desarrolló como un tubo transmisor de radio de alta potencia.
Los tetrodos se usaban ampliamente en muchos dispositivos electrónicos de consumo, como radios, televisores y sistemas de audio, hasta que los transistores reemplazaron a las válvulas en las décadas de 1960 y 1970. Los tetrodos de haz han permanecido en uso hasta hace muy poco tiempo en aplicaciones de potencia como amplificadores de audio y transmisores de radio.
Cómo funciona
El tetrodo funciona de manera similar al triodo, a partir del cual se desarrolló. Una corriente a través del calentador o filamento calienta el cátodo, lo que hace que emita electrones por emisión termoiónica. Se aplica un voltaje positivo entre la placa y el cátodo, provocando un flujo de electrones del cátodo a la placa a través de las dos rejillas. Un voltaje variable aplicado a la rejilla de control puede controlar esta corriente, provocando variaciones en la corriente de la placa. Con una carga resistiva o de otro tipo en el circuito de la placa, la corriente variable dará como resultado una tensión variable en la placa. Con la polarización adecuada, este voltaje será una versión amplificada (pero invertida) del voltaje de CA aplicado a la red de control, proporcionando ganancia de voltaje. En el tetrodo, la función de la otra rejilla varía según el tipo de tetrodo; esto se discute a continuación.
Tubo de rejilla de carga espacial
El tubo de rejilla de carga espacial fue el primer tipo de tetrodo que apareció. En el curso de su investigación sobre la acción del tubo triodo audion inventado por Edwin Howard Armstrong y Lee de Forest, Irving Langmuir descubrió que la acción del cátodo termoiónico calentado era crear una carga espacial, o nube de electrones, alrededor del cátodo. Esta nube actuó como un cátodo virtual. Con un voltaje de ánodo bajo aplicado, muchos de los electrones en la carga espacial regresaron al cátodo y no contribuyeron a la corriente del ánodo; solo aquellos en su límite exterior se verían afectados por el campo eléctrico debido al ánodo y serían acelerados hacia él. Sin embargo, si se insertara una rejilla con un potencial aplicado positivo bajo (alrededor de 10 V) entre el cátodo y la rejilla de control, se podría hacer que la carga espacial se extendiera más lejos del cátodo. Esto tuvo dos efectos ventajosos, ambos relacionados con la influencia de los campos eléctricos de los otros electrodos (ánodo y rejilla de control) sobre los electrones de la carga espacial. Primero, se podría lograr un aumento significativo en la corriente del ánodo con un voltaje del ánodo bajo; se podría hacer que la válvula funcione bien con un voltaje de ánodo aplicado más bajo. En segundo lugar, se aumentó la transconductancia (velocidad de cambio de la corriente del ánodo con respecto al voltaje de la rejilla de control) del tubo. El último efecto fue particularmente importante ya que aumentó la ganancia de voltaje disponible de la válvula.
Las válvulas de carga espacial siguieron siendo dispositivos útiles durante la era de las válvulas y se usaron en aplicaciones como radios de automóviles que funcionan directamente con un suministro de 12 V, donde solo se disponía de un voltaje de ánodo bajo. El mismo principio se aplicó a otros tipos de tubos de rejilla múltiple como los pentodos. Como ejemplo, el Sylvania 12K5 se describe como "un tetrodo diseñado para funcionar con carga espacial". Está destinado al servicio como controlador de amplificador de potencia donde los potenciales se obtienen directamente de una batería de automóvil de 12 V." La rejilla de carga espacial se hizo funcionar a +12 V, lo mismo que el voltaje de suministro del ánodo.
Otra aplicación importante del tetrodo de carga espacial fue como tubo electrómetro para detectar y medir corrientes extremadamente pequeñas. Por ejemplo, el General Electric FP54 se describió como un "tubo de rejilla de carga espacial... diseñado para tener una impedancia de entrada muy alta y una corriente de red muy baja". Está diseñado especialmente para la amplificación de corrientes continuas inferiores a 10 −9
amperios, y se ha encontrado capaz de medir corrientes tan pequeñas como 5 x 10−18
amperios. Tiene un factor de amplificación de corriente de 250 000 y funciona con un voltaje de ánodo de 12 V y un voltaje de red de carga espacial de +4 V."
El mecanismo por el cual la rejilla de carga espacial reduce la corriente de la rejilla de control en un tetrodo electrómetro es que evita que los iones positivos que se originan en el cátodo lleguen a la rejilla de control.
Tenga en cuenta que cuando se agrega una cuadrícula de carga espacial a un triodo, la primera cuadrícula del tetrodo resultante es la cuadrícula de carga espacial y la segunda cuadrícula es la cuadrícula de control.
Válvula bi-rejilla
En el tipo de tetrodo de doble rejilla, ambas rejillas están destinadas a transportar señales eléctricas, por lo que ambas son rejillas de control. El primer ejemplo que apareció en Gran Bretaña fue el Marconi-Osram FE1, que fue diseñado por H. J. Round y estuvo disponible en 1920. El tubo estaba destinado a ser utilizado en un circuito reflejo (por ejemplo, el receptor de barco de una sola válvula Tipo 91) donde la misma válvula realizó las múltiples funciones de amplificador de RF, amplificador de AF y detector de diodos. La señal de RF se aplicó a una cuadrícula de control y la señal de AF a la otra. Este tipo de tetrodo se usó de muchas maneras imaginativas en el período anterior a la aparición de la válvula de rejilla de pantalla que revolucionó el diseño del receptor.
En la ilustración se muestra una aplicación. Esto es reconocible como un transmisor de telefonía AM en el que la segunda rejilla y el ánodo forman un oscilador de potencia, y la primera rejilla actúa como un electrodo de modulación. La corriente del ánodo en la válvula, y por lo tanto la amplitud de salida de RF, es modulada por el voltaje en G1, que se deriva de un micrófono de carbono. Un tubo de este tipo también podría utilizarse como receptor CW (radiotelegrafía) de conversión directa. Aquí la válvula oscila como consecuencia del acoplamiento entre la primera rejilla y el ánodo, mientras que la segunda rejilla está acoplada a la antena. La frecuencia de pulsación de AF es audible en los auriculares. La válvula actúa como un detector de producto auto-oscilante. Otra aplicación muy similar de la válvula bi-grid fue como mezclador de frecuencia auto oscilante en los primeros receptores superhet. Una rejilla de control transportaba la señal de RF entrante, mientras que la otra estaba conectada a un circuito oscilador que generaba la oscilación local dentro de la misma válvula. Dado que la corriente del ánodo de la válvula de doble rejilla era proporcional tanto a la señal en la primera rejilla como también al voltaje del oscilador en la segunda rejilla, se logró la multiplicación requerida de las dos señales y la señal de frecuencia intermedia fue seleccionada por un circuito sintonizado conectado al ánodo. En cada una de estas aplicaciones, el tetrodo bi-grid actuó como un multiplicador analógico desequilibrado en el que la corriente de placa, además de pasar ambas señales de entrada, incluye el producto de las dos señales aplicadas a las rejillas.
El receptor superheterodino
Se inventó el principio del receptor superheterodino moderno (o superhet) (originalmente llamado receptor heterodino supersónico, porque la frecuencia intermedia era una frecuencia ultrasónica) en Francia por Lucien Levy en 1917 (pág. 66), aunque generalmente también se le da crédito a Edwin Armstrong. La razón original de la invención del superhet fue que antes de la aparición de la válvula de rejilla de pantalla, las válvulas amplificadoras, luego los triodos, tenían dificultades para amplificar las frecuencias de radio (es decir, frecuencias muy por encima de 100 kHz) debido al efecto Miller. En el diseño superheterodino, en lugar de amplificar la señal de radio entrante, primero se mezcló con un oscilador de RF constante (el llamado oscilador local) para producir un heterodino de típicamente 30 kHz. Esta señal de frecuencia intermedia (IF) tenía una envolvente idéntica a la de la señal entrante, pero una frecuencia portadora mucho más baja, por lo que podía amplificarse eficientemente usando triodos. Cuando se detecta, se obtiene la modulación original de la señal de radio de frecuencia más alta. Una técnica un tanto complicada, perdió popularidad cuando los tetrodos de rejilla de pantalla hicieron prácticos los receptores de radiofrecuencia sintonizada (TRF). Sin embargo, el principio superheterodino resurgió a principios de la década de 1930 cuando se apreciaron sus otras ventajas, como una mayor selectividad, y casi todos los receptores modernos funcionan según este principio pero con una frecuencia de FI más alta (a veces más alta que la RF original) con amplificadores (como el tetrodo) habiendo superado la limitación del triodo para amplificar señales de alta frecuencia (radio).
El concepto superheterodino podría implementarse usando una válvula como oscilador local y una válvula separada como mezclador que toma la señal de la antena y el oscilador local como señales de entrada. Pero por economía, esas dos funciones también podrían combinarse en un solo tetrodo de gran red que oscilaría y mezclaría la frecuencia de la señal de RF de la antena. En años posteriores, esto se logró de manera similar con el tubo convertidor pentagrid, una válvula amplificadora/oscilante de dos entradas similar, pero que (como los tubos pentodo) incorporaba una rejilla supresora y, en este caso, dos rejillas de pantalla para aislar electrostáticamente la placa y ambos. cuadrículas de señales entre sí. En los receptores actuales, basados en tecnología de semiconductores (transistores) de bajo costo, no hay beneficio de costo al combinar las dos funciones en un dispositivo activo.
Válvula de rejilla de pantalla
El tubo de rejilla de pantalla proporciona una rejilla de control mucho más pequeña a la capacitancia del ánodo y un factor de amplificación mucho mayor que un triodo. Los circuitos amplificadores de radiofrecuencia que usaban triodos eran propensos a la oscilación debido a la capacitancia de la rejilla al ánodo del triodo. En el tubo de rejilla de pantalla, se inserta una rejilla denominada rejilla de pantalla, rejilla de protección o, a veces, rejilla de aceleración entre la rejilla de control y la ánodo. La rejilla de pantalla proporciona un escudo electrostático entre la rejilla de control y el ánodo, reduciendo la capacitancia entre ellos a una cantidad muy pequeña. Para reducir la influencia del campo eléctrico del ánodo en la carga espacial del cátodo y en la rejilla de control, durante 1915 - 1916 el físico Walter H. Schottky desarrolló los primeros tubos con una rejilla colocada entre el ánodo y la rejilla de control para proporcionar un escudo electrostático. Schottky patentó estos tubos de rejilla de pantalla en Alemania en 1916 y en los EE. UU. en 1919. Estos tubos se produjeron en Alemania y se conocen como tubos Siemens-Schottky. En Japón, Hiroshi Ando patentó mejoras en la construcción de la rejilla de pantalla en 1919. Durante la segunda mitad de la década de 1920, Neal H. Williams y Albert Hull en General Electric, H. J. Round en MOV y Bernard Tellegen en Phillips desarrollaron tubos de rejilla de pantalla mejorados.. Estos tubos de rejilla de pantalla mejorados se comercializaron por primera vez en 1927.
La retroalimentación a través del ánodo a la capacitancia de la rejilla (efecto Miller) del triodo podría causar oscilación, especialmente cuando tanto el ánodo como la rejilla estaban conectados a circuitos resonantes sintonizados como es habitual en un amplificador de radiofrecuencia (RF). Para frecuencias superiores a unos 100 kHz, era necesario un circuito de neutralización. Un triodo típico usado para amplificación de señal pequeña tenía una capacitancia de rejilla a ánodo de 8 pF, mientras que la cifra correspondiente para una válvula de rejilla de pantalla típica era de 0,025 pF. No se requerían circuitos de neutralización para una etapa amplificadora de RF de tubo de rejilla de pantalla bien diseñada.
La rejilla de la pantalla está conectada a un voltaje de CC positivo y a tierra de CA como lo asegura un condensador de derivación a tierra. La región útil de operación del tubo de rejilla de pantalla como amplificador está limitada a voltajes de ánodo mayores que el voltaje de rejilla de pantalla. A voltajes del ánodo mayores que el voltaje de la rejilla de la pantalla, algunos electrones del cátodo golpearán la rejilla de la pantalla, produciendo corriente de pantalla, pero la mayoría pasará a través de los espacios abiertos de la pantalla y continuará hacia el ánodo. A medida que el voltaje del ánodo se acerca y cae por debajo del de la rejilla de la pantalla, la corriente de la pantalla aumentará como se muestra en la imagen de características de la placa.
Una ventaja adicional de la cuadrícula de pantalla se hizo evidente cuando se agregó. La corriente del ánodo se vuelve casi completamente independiente del voltaje del ánodo, siempre que el voltaje del ánodo sea mayor que el voltaje de la pantalla. Esto corresponde a una resistencia dinámica del ánodo muy alta, lo que permite una ganancia de voltaje mucho mayor cuando la impedancia de carga del ánodo es grande. La corriente del ánodo está controlada por los voltajes de la rejilla de control y la rejilla de pantalla. En consecuencia, los tetrodos se caracterizan principalmente por su transconductancia (cambio en la corriente del ánodo en relación con el voltaje de la red de control), mientras que los triodos se caracterizan por su factor de amplificación (mu), su máxima ganancia de voltaje posible. En el momento de la introducción de las válvulas de rejilla de pantalla, un triodo típico utilizado en los receptores de radio tenía una resistencia dinámica del ánodo de 20 kΩ o menos, mientras que la cifra correspondiente para una válvula de rejilla de pantalla típica era de 500 kΩ. Una etapa de amplificador de RF de onda media de triodo típica produjo una ganancia de voltaje de alrededor de 14, pero las etapas de amplificador de RF de tubo de rejilla de pantalla produjeron ganancias de voltaje de 30 a 60.
Para aprovechar al máximo la muy baja capacitancia del ánodo de la red, se observó el blindaje entre el ánodo y los circuitos de la red en la construcción de la radio. La válvula S625 se montó en un blindaje de metal plano conectado a tierra alineado para corresponder con la posición de la rejilla de pantalla interna. El circuito de entrada o rejilla de control estaba en un lado del escudo, mientras que el ánodo o circuito de salida estaba en el otro. En el receptor que se muestra con tubos S23, cada etapa completa del amplificador de rf de 2 etapas, así como la etapa del detector sintonizado, se encerró en una caja metálica grande individual para protección electrostática. Estas cajas se han eliminado en la ilustración, pero se pueden ver los bordes vueltos hacia arriba de las bases de las cajas.
Por lo tanto, las válvulas de rejilla de pantalla permitieron una mejor amplificación de radiofrecuencia en los rangos de frecuencia media y alta en equipos de radio. Se utilizaron comúnmente en el diseño de etapas de amplificación de radiofrecuencia de receptores de radio desde finales de 1927 hasta 1931, luego fueron reemplazados por el tubo de pentodo.
Característica del ánodo de las válvulas de rejilla
La razón de la aplicabilidad limitada de la válvula de rejilla de pantalla y su reemplazo rápido por el pentodo de RF (introducido alrededor de 1930) fue la peculiar característica del ánodo (es decir, la variación de la corriente del ánodo con respecto al voltaje del ánodo) del tipo anterior de tubo
En aplicaciones normales, el voltaje del ánodo era de unos 150 V, mientras que el de la rejilla de la pantalla era de unos 60 V (Lanzador p 183). Como la rejilla de la pantalla es positiva con respecto al cátodo, recoge una cierta fracción (quizás una cuarta parte) de los electrones que, de lo contrario, pasarían de la región de la rejilla al ánodo. Esto hace que la corriente fluya en el circuito de la rejilla de la pantalla. Normalmente, la corriente de pantalla debida a esta causa es pequeña y de poco interés. Sin embargo, si el voltaje del ánodo debe ser inferior al de la pantalla, la rejilla de la pantalla también puede recolectar electrones secundarios expulsados del ánodo por el impacto de los electrones primarios energéticos. Ambos efectos tienden a reducir la corriente del ánodo. Si el voltaje del ánodo aumenta desde un valor bajo, con la rejilla de la pantalla en su voltaje de funcionamiento normal (60 V, digamos), la corriente del ánodo aumenta inicialmente rápidamente porque más de esos electrones que pasan a través de la rejilla de la pantalla son recogidos por el ánodo en lugar de pasando de nuevo a la rejilla de la pantalla. Esta parte de la característica del ánodo del tetrodo se asemeja a la parte correspondiente de la de un triodo o pentodo. Sin embargo, cuando el voltaje del ánodo aumenta aún más, los electrones que llegan al ánodo tienen suficiente energía para causar una copiosa emisión secundaria, y muchos de estos electrones secundarios serán capturados por la pantalla, que tiene un voltaje positivo más alto que el del ánodo. Esto hace que la corriente del ánodo disminuya en lugar de aumentar cuando aumenta el voltaje del ánodo. En algunos casos, la corriente del ánodo puede volverse negativa (la corriente sale del ánodo); esto es posible ya que cada electrón primario puede producir más de un secundario. La caída de la corriente positiva del ánodo acompañada por el aumento del voltaje del ánodo le da a la característica del ánodo una región de pendiente negativa, y esto corresponde a una resistencia negativa que puede causar inestabilidad en ciertos circuitos. En un rango más alto de voltaje del ánodo, el voltaje del ánodo excede lo suficiente al de la pantalla para que una proporción creciente de los electrones secundarios sean atraídos hacia el ánodo, por lo que la corriente del ánodo aumenta una vez más y la pendiente de la característica del ánodo se vuelve positiva. de nuevo. En un rango aún mayor de voltajes de ánodo, la corriente de ánodo se vuelve sustancialmente constante, ya que ahora todos los electrones secundarios regresan al ánodo, y el control principal de la corriente a través del tubo es el voltaje de la rejilla de control. Este es el modo de funcionamiento normal del tubo.
La característica del ánodo de una válvula de rejilla es, por lo tanto, bastante diferente a la de un triodo. Cuando el voltaje del ánodo es menor que el de la rejilla de la pantalla, existe una característica de resistencia negativa distintiva, denominada región de dinatrón o torcedura de tetrodo. La región de corriente aproximadamente constante de baja pendiente a voltajes de ánodo mayores que el voltaje de rejilla de pantalla también es marcadamente diferente de la del triodo y proporciona la región útil de operación del tubo de rejilla de pantalla como amplificador. La pendiente baja es muy deseable, ya que mejora en gran medida la ganancia de voltaje que puede producir el dispositivo. Las primeras válvulas de rejilla de pantalla tenían factores de amplificación (es decir, el producto de la transconductancia y la resistencia de la pendiente del ánodo, Ra) cincuenta veces o más mayor que el del triodo comparable. La alta resistencia del ánodo en el rango de funcionamiento normal es consecuencia de la acción de blindaje electrostático de la rejilla de la pantalla, ya que evita que el campo eléctrico debido al ánodo penetre en la región de la rejilla de control, donde de lo contrario podría influir en el paso de electrones. aumentando la corriente de electrones cuando el voltaje del ánodo es alto, reduciéndolo cuando es bajo.
La región operativa de resistencia negativa del tetrodo se explota en el oscilador dinatrón, que es un ejemplo de un oscilador de resistencia negativa. (Eastman, p431)
Tetrodo de haz
El tetrodo de haz elimina la región de dinatrón o la torcedura de tetrodo del tubo de la rejilla de la pantalla al utilizar haces de electrones parcialmente colimados para desarrollar una región de carga espacial densa y de bajo potencial entre la rejilla de la pantalla y el ánodo que devuelve los electrones de emisión secundaria del ánodo al ánodo. La característica del ánodo del tetrodo de haz es menos redondeada a voltajes de ánodo más bajos que la característica del ánodo del pentodo de potencia, lo que da como resultado una mayor potencia de salida y menos distorsión del tercer armónico con el mismo voltaje de suministro de ánodo. Los tetrodos de haz se utilizan generalmente para la amplificación de potencia, desde la frecuencia de audio hasta la frecuencia de radio. El tetrodo de haz fue patentado en Gran Bretaña en 1933 por tres ingenieros de EMI, Isaac Shoenberg, Cabot Bull y Sidney Rodda.
Tetrodo de distancia crítica
La compañía High Vacuum Valve de Londres, Inglaterra (Hivac) introdujo una línea de tetrodos de salida de potencia en agosto de 1935 que utilizaba J. H. Owen Harries' Efecto de distancia crítica para eliminar la región de dinatrón de la característica tensión del ánodo - corriente del ánodo. Los tubos de distancia crítica utilizaron el retorno de carga espacial de los electrones secundarios del ánodo al ánodo. Las características físicas distintivas del tetrodo de distancia crítica eran la distancia entre la rejilla de pantalla grande y el ánodo y la estructura de rejilla elíptica. La gran distancia entre la rejilla de la pantalla y el ánodo facilitó la formación de la carga espacial de bajo potencial para devolver los electrones secundarios del ánodo al ánodo cuando el potencial del ánodo era menor que el de la rejilla de la pantalla. Las rejillas elípticas permitieron que las varillas de soporte de la rejilla de control estuvieran más alejadas del cátodo para reducir su efecto sobre el factor de amplificación con el voltaje de la rejilla de control. Con voltaje de rejilla de control cero y negativo, las barras de soporte de la rejilla de control y la rejilla de control formaron la corriente de electrones desde el cátodo en dos regiones principales de corriente espacial, separadas 180 grados, dirigidas hacia dos amplios sectores de la circunferencia del ánodo. Estas características dieron como resultado una potencia de salida algo mayor y una distorsión más baja que un pentodo de potencia comparable, debido a la saturación que se produce a un voltaje de ánodo más bajo y una curvatura aumentada (radio más pequeño) del voltaje de ánodo: característica de corriente de ánodo a voltajes de ánodo bajos. Se introdujo una gama de tetrodos de este tipo, destinados al mercado de receptores domésticos, algunos con filamentos clasificados para dos voltios de corriente continua, destinados a equipos de batería de baja potencia; otros que tienen cátodos calentados indirectamente con calentadores clasificados para cuatro voltios o más para operación de red. Las clasificaciones de potencia de salida oscilaron entre 0,5 vatios y 11,5 vatios. De manera confusa, varias de estas nuevas válvulas tenían el mismo número de tipo que los pentodos existentes con características casi idénticas. Los ejemplos incluyen Y220 (0,5 W, filamento de 2 V), AC/Y (3 W, calentador de 4 V), AC/Q (11,5 W, calentador de 4 V).