Triodo
Un triodo es un tubo de vacío amplificador electrónico (o válvula en inglés británico) que consta de tres electrodos dentro de una envoltura de vidrio al vacío: un filamento calentado o cátodo, una rejilla, y una placa (ánodo). Desarrollado a partir del Audion de 1906 de Lee De Forest, un tubo de vacío parcial que agregaba un electrodo de rejilla al diodo termoiónico (válvula Fleming), el triodo fue el primer amplificador electrónico práctico y el antepasado de otros tipos de tubos de vacío como el tetrodo y pentodo. Su invención fundó la era de la electrónica, haciendo posible la tecnología de radio amplificada y la telefonía de larga distancia. Los triodos se utilizaron ampliamente en dispositivos electrónicos de consumo, como radios y televisores, hasta la década de 1970, cuando los transistores los reemplazaron. Hoy en día, su principal uso restante es en amplificadores de RF de alta potencia en transmisores de radio y dispositivos industriales de calentamiento por RF. En los últimos años ha habido un resurgimiento de la demanda de triodos de baja potencia debido al renovado interés en los sistemas de audio de tipo válvula por parte de los audiófilos que prefieren el sonido agradablemente distorsionado (cálido) de la electrónica basada en válvulas.
El nombre "triodo" fue acuñado por el físico británico William Eccles alrededor de 1920, derivado del griego τρίοδος, tríodos, de tri- (tres) y hodós (camino, camino), originalmente significando el lugar donde se encuentran tres caminos.
Historia
Dispositivos precursores
Antes de que se inventaran las válvulas termoiónicas, Philipp Lenard utilizó el principio de control de red mientras realizaba experimentos fotoeléctricos en 1902.
El primer tubo de vacío utilizado en radio fue el diodo termoiónico o válvula Fleming, inventado por John Ambrose Fleming en 1904 como detector para receptores de radio. Era un bulbo de vidrio al vacío que contenía dos electrodos, un filamento calentado (cátodo) y una placa (ánodo).
Invención
Los triodos surgieron en 1906 cuando el ingeniero estadounidense Lee De Forest y el físico austriaco Robert von Lieben patentaron de forma independiente unos tubos que añadían un tercer electrodo, una rejilla de control, entre el filamento y la placa para controlar la corriente. El tubo de tres elementos con vacío parcial de Von Lieben, patentado en marzo de 1906, contenía trazas de vapor de mercurio y estaba destinado a amplificar señales telefónicas débiles. A partir de octubre de 1906, De Forest patentó una serie de diseños de tubos de tres elementos al agregar un electrodo al diodo, al que llamó Audions, destinados a ser utilizados como detectores de radio. El que se convirtió en el diseño del triodo, en el que la rejilla estaba ubicada entre el filamento y la placa, fue patentado el 29 de enero de 1907. Al igual que el tubo de vacío de von Lieben, los Audions de De Forest fueron evacuados de forma incompleta y contenían algo de gas. a baja presión El tubo de vacío de von Lieben no experimentó mucho desarrollo debido a su muerte siete años después de su invención, poco antes del estallido de la Primera Guerra Mundial.
El Audion de De Forest no tuvo mucho uso hasta que su capacidad de amplificación fue reconocida alrededor de 1912 por varios investigadores, quienes lo usaron para construir los primeros receptores de radio amplificadores y osciladores electrónicos exitosos. Los múltiples usos de la amplificación motivaron su rápido desarrollo. En 1913, Harold Arnold de American Telephone and Telegraph Company, que había comprado los derechos del Audion a De Forest, e Irving Langmuir de General Electric, desarrollaron versiones mejoradas con mayor vacío, y llamaron a su tubo "Pliotron".;, Estos fueron los primeros triodos de válvulas. El nombre "triodo" apareció más tarde, cuando se hizo necesario distinguirlo de otros tipos de tubos de vacío con más o menos elementos (por ejemplo, diodos, tetrodos, pentodos, etc.). Hubo largos juicios entre De Forest y von Lieben, y De Forest y Marconi Company, que representaban a John Ambrose Fleming, el inventor del diodo.
Adopción más amplia
El descubrimiento de la capacidad amplificadora del triodo en 1912 revolucionó la tecnología eléctrica, creando el nuevo campo de la electrónica, la tecnología de dispositivos eléctricos activos (amplificadores). El triodo se aplicó de inmediato a muchas áreas de comunicación. Triodo "onda continua" Los transmisores de radio reemplazaron a los engorrosos e ineficientes "onda amortiguada" transmisores de chispas, que permiten la transmisión de sonido por modulación de amplitud (AM). Los receptores de radio de triodo amplificadores, que tenían el poder de impulsar los altavoces, reemplazaron las débiles radios de cristal, que debían escucharse con auriculares, lo que permitía que las familias escucharan juntas. Esto resultó en la evolución de la radio de un servicio de mensajes comerciales al primer medio de comunicación masiva, con el comienzo de la radiodifusión alrededor de 1920. Los triodos hicieron posible el servicio telefónico transcontinental. Los repetidores de triodo de tubo de vacío, inventados en Bell Telephone después de la compra de los derechos de Audion, permitieron que las llamadas telefónicas viajaran más allá del límite no amplificado de aproximadamente 800 millas. La apertura por parte de Bell de la primera línea telefónica transcontinental se celebró 3 años después, el 25 de enero de 1915. Otros inventos que el triodo hizo posibles fueron la televisión, los sistemas de megafonía, los fonógrafos eléctricos y las películas sonoras.
El triodo sirvió como base tecnológica a partir de la cual se desarrollaron los tubos de vacío posteriores, como el tetrodo (Walter Schottky, 1916) y el pentodo (Gilles Holst y Bernardus Dominicus Hubertus Tellegen, 1926), que remediaron algunas de las deficiencias del triodo. detallado abajo.
El triodo se usó mucho en productos electrónicos de consumo como radios, televisores y sistemas de audio hasta que fue reemplazado en la década de 1960 por el transistor, inventado en 1947, que trajo la "era del tubo de vacío" introducido por el triodo hasta el final. Hoy en día, los triodos se utilizan principalmente en aplicaciones de alta potencia para las que los dispositivos semiconductores de estado sólido no son adecuados, como transmisores de radio y equipos de calefacción industrial. Sin embargo, más recientemente, el triodo y otros dispositivos de válvulas de vacío han experimentado un resurgimiento y una reaparición en equipos musicales y de audio de alta fidelidad. También siguen en uso como pantallas fluorescentes de vacío (VFD), que vienen en una variedad de implementaciones, pero todas son esencialmente dispositivos triodo.
Construcción
Todos los triodos tienen un electrodo de cátodo caliente calentado por un filamento, que libera electrones, y un electrodo de placa metálica plana (ánodo) al que atraen los electrones, con una rejilla que consiste en una pantalla de cables entre ellos para controlar la corriente. Estos están sellados dentro de un recipiente de vidrio del que se ha eliminado el aire a un alto vacío, alrededor de 10−9 atm. Dado que el filamento finalmente se quema, el tubo tiene una vida útil limitada y se fabrica como una unidad reemplazable; los electrodos están unidos a terminales que se conectan a un enchufe. La vida útil operativa de un triodo es de aproximadamente 2000 horas para válvulas pequeñas y 10,000 horas para válvulas de potencia.
Triodos de baja potencia
Los triodos de baja potencia tienen una construcción concéntrica (ver dibujo a la derecha), con la rejilla y el ánodo como cilindros circulares u ovalados que rodean el cátodo. El cátodo es un tubo de metal estrecho en el centro. Dentro del cátodo hay un filamento llamado "calentador" consiste en una tira estrecha de alambre de tungsteno de alta resistencia, que calienta el cátodo al rojo vivo (800 - 1000 °C). Este tipo se denomina "cátodo calentado indirectamente". El cátodo está recubierto con una mezcla de óxidos alcalinotérreos como el calcio y el óxido de torio que reduce su función de trabajo por lo que produce más electrones. La rejilla está construida con una hélice o pantalla de alambres delgados que rodean el cátodo. El ánodo es un cilindro o caja rectangular de chapa que rodea la rejilla. Está ennegrecido para irradiar calor y, a menudo, está equipado con aletas que irradian calor. Los electrones viajan en dirección radial, desde el cátodo a través de la rejilla hasta el ánodo. Los elementos se mantienen en su posición mediante aisladores de mica o cerámica y se sostienen mediante alambres rígidos unidos a la base, donde los electrodos se conectan a las clavijas de conexión. Un 'captador', una pequeña cantidad de metal de bario brillante que se evapora en el interior del vidrio, ayuda a mantener el vacío al absorber el gas liberado en el tubo con el tiempo.
Triodos de alta potencia
Los triodos de alta potencia generalmente usan un filamento que sirve como cátodo (un cátodo calentado directamente) porque el recubrimiento de emisión en los cátodos calentados indirectamente es destruido por el bombardeo de iones más alto en los tubos de potencia. Un filamento de tungsteno toriado es el más utilizado, en el que el torio del tungsteno forma una monocapa en la superficie que aumenta la emisión de electrones. Estos generalmente funcionan a temperaturas más altas que los cátodos calentados indirectamente. La envoltura del tubo a menudo está hecha de cerámica más duradera que de vidrio, y todos los materiales tienen puntos de fusión más altos para soportar los niveles de calor más altos producidos. Los tubos con una disipación de potencia de ánodo superior a varios cientos de vatios generalmente se enfrían activamente; el ánodo, hecho de cobre pesado, se proyecta a través de la pared del tubo y está conectado a un gran disipador de calor externo de metal con aletas que se enfría con aire forzado o agua.
Tubos de faro
Un tipo de triodo de baja potencia para usar en frecuencias ultraaltas (UHF), el "faro" tubo, tiene una construcción plana para reducir la capacitancia entre electrodos y la inductancia del cable, lo que le da la apariencia de un "faro". El cátodo en forma de disco, la rejilla y la placa forman planos en el centro del tubo, un poco como un sándwich con espacios entre las capas. El cátodo en la parte inferior está unido a las clavijas del tubo, pero la rejilla y la placa se llevan a los terminales de baja inductancia en el nivel superior del tubo: la rejilla a un anillo de metal a la mitad y la placa a un botón metálico en la parte superior. Estos son un ejemplo de "sello de disco" diseño. Los ejemplos más pequeños prescinden de la base de pin octal que se muestra en la ilustración y confían en los anillos de contacto para todas las conexiones, incluidos el calentador y el cátodo de CC.
Además, el rendimiento de alta frecuencia está limitado por el tiempo de tránsito: el tiempo necesario para que los electrones viajen del cátodo al ánodo. Los efectos del tiempo de tránsito son complicados, pero un efecto simple es la conductancia de entrada, también conocida como carga de rejilla. En frecuencias extremadamente altas, los electrones que llegan a la red pueden desfasarse con los que parten hacia el ánodo. Este desequilibrio de carga hace que la red muestre una reactancia que es mucho menor que su 'circuito abierto' de baja frecuencia. característica.
Los efectos del tiempo de tránsito se reducen al reducir los espacios en el tubo. Los tubos como el 416B (un diseño Lighthouse) y el 7768 (un diseño miniaturizado totalmente cerámico) están especificados para funcionar a 4 GHz. Presentan espacios entre rejilla y cátodo muy reducidos del orden de 0,1 mm.
Estos espacios de rejilla muy reducidos también brindan un factor de amplificación mucho más alto que los diseños axiales convencionales. El 7768 tiene un factor de amplificación de 225, en comparación con 100 para el 6AV6 utilizado en radios domésticas y aproximadamente el máximo posible para un diseño axial.
La capacitancia de la red de ánodos no es especialmente baja en estos diseños. La capacitancia del ánodo-rejilla del 6AV6 es de 2 picofaradios (pF), el 7768 tiene un valor de 1,7 pF. La estrecha separación entre electrodos utilizada en los tubos de microondas aumenta las capacitancias, pero este aumento se ve compensado por sus dimensiones reducidas en general en comparación con los tubos de baja frecuencia.
Operación
En el triodo, los electrones se liberan en el tubo desde el cátodo de metal al calentarlo, un proceso llamado emisión termoiónica. El cátodo se calienta al rojo vivo por una corriente separada que fluye a través de un delgado filamento de metal. En algunos tubos, el filamento mismo es el cátodo, mientras que en la mayoría de los tubos hay un filamento separado que calienta el cátodo pero está eléctricamente aislado de él. El interior del tubo está bien evacuado para que los electrones puedan viajar entre el cátodo y el ánodo sin perder energía en las colisiones con las moléculas de gas. En el ánodo hay presente un voltaje de CC positivo, que puede ser tan bajo como 20 V o hasta miles de voltios en algunos tubos transmisores. Los electrones negativos son atraídos por el ánodo cargado positivamente (o 'placa') y fluyen a través de los espacios entre los cables de la rejilla hacia él, creando un flujo de electrones a través del tubo desde el cátodo hasta el ánodo.
La magnitud de esta corriente se puede controlar mediante un voltaje aplicado en la red (en relación con el cátodo). La rejilla actúa como una puerta para los electrones. Un voltaje más negativo en la rejilla repelerá más electrones, por lo que menos pasarán al ánodo, lo que reducirá la corriente del ánodo. Un voltaje menos negativo en la rejilla permitirá que más electrones del cátodo lleguen al ánodo, aumentando la corriente del ánodo. Por lo tanto, una señal de CA de entrada en la red de unos pocos voltios (o menos), incluso a una impedancia muy alta (ya que esencialmente no fluye corriente a través de la red) puede controlar una corriente de ánodo mucho más poderosa, lo que resulta en una amplificación. Cuando se usa en su región lineal, la variación en el voltaje de la red provocará una variación aproximadamente proporcional en la corriente del ánodo; esta relación se llama transconductancia. Si se inserta una resistencia de carga adecuada en el circuito del ánodo, aunque la transconductancia se reduzca un poco, la corriente de ánodo variable provocará una tensión variable en esa resistencia que puede ser mucho mayor que las variaciones de tensión de entrada, lo que dará como resultado una ganancia de tensión.
El triodo es normalmente "on" dispositivo; y la corriente fluye hacia el ánodo con voltaje cero en la red. La corriente del ánodo se reduce progresivamente a medida que la rejilla se vuelve más negativa en relación con el cátodo. Por lo general, se aplica un voltaje de CC constante ("polarización") a la red junto con el voltaje de señal variable superpuesto. Ese sesgo es necesario para que los picos positivos de la señal nunca hagan que la rejilla sea positiva con respecto al cátodo, lo que daría como resultado una corriente de rejilla y un comportamiento no lineal. Un voltaje lo suficientemente negativo en la red (generalmente alrededor de 3 a 5 voltios en válvulas pequeñas como la 6AV6, pero hasta –130 voltios en los primeros dispositivos de potencia de audio como la '45), evitará que los electrones entren. hasta el ánodo, apagando la corriente del ánodo. Esto se denomina "voltaje de corte". Dado que más allá del corte, la corriente del ánodo deja de responder al voltaje de la red, el voltaje en la red debe permanecer por encima del voltaje de corte para lograr una amplificación fiel (lineal) y no exceder el voltaje del cátodo.
El funcionamiento del triodo es algo similar al del JFET de canal n; normalmente está encendido y muestra una corriente de placa/drenaje cada vez más baja a medida que la rejilla/puerta se vuelve cada vez más negativa en relación con la fuente/cátodo. El voltaje de corte corresponde al voltaje de estrangulamiento del JFET (Vp) o VGS (apagado); es decir, el punto de voltaje en el que la corriente de salida esencialmente llega a cero. Sin embargo, esta similitud es limitada. La corriente del ánodo del triodo depende en gran medida del voltaje del ánodo y del voltaje de la red, lo que limita la ganancia de voltaje. Por otro lado, la corriente de drenaje del JFET prácticamente no se ve afectada por el voltaje de drenaje, por lo que aparece como un dispositivo de corriente constante, similar en acción a un tubo de tetrodo o pentodo (alta impedancia de salida dinámica). Tanto el JFET como las válvulas de tetrodo/pentodo son capaces de obtener ganancias de voltaje mucho más altas que el triodo, que rara vez supera los 100. Sin embargo, la ganancia de potencia o la potencia de salida obtenida de un cierto voltaje de entrada de CA suele ser de mayor interés. Cuando estos dispositivos se usan como seguidores de cátodo (o seguidores de fuente), todos tienen una 'ganancia' de voltaje. de poco menos de 1, pero con una gran ganancia de corriente.
Aplicaciones
Aunque el relé telefónico tipo G de S.G. Brown (usando un mecanismo de "auricular" magnético que acciona un elemento de micrófono de carbono) podía proporcionar amplificación de potencia y había estado en uso desde 1914, era un mecanismo puramente Dispositivo mecánico con rango de frecuencia y fidelidad limitados. Solo se adaptaba a un rango limitado de frecuencias de audio, esencialmente frecuencias de voz.
El triodo fue el primer dispositivo no mecánico en proporcionar ganancia de potencia en frecuencias de audio y radio, e hizo que la radio fuera práctica. Los triodos se utilizan para amplificadores y osciladores. Muchos tipos se usan solo a niveles de potencia y frecuencia de bajos a moderados. Se pueden usar grandes triodos enfriados por agua como amplificador final en transmisores de radio, con clasificaciones de miles de vatios. Los tipos especializados de triodo (tubos "faro", con baja capacitancia entre elementos) proporcionan una ganancia útil en frecuencias de microondas.
Los tubos de vacío están obsoletos en la electrónica de consumo comercializada en masa y han sido superados por dispositivos de estado sólido basados en transistores menos costosos. Sin embargo, más recientemente, los tubos de vacío han regresado. Los triodos continúan usándose en ciertos amplificadores y transmisores de RF de alta potencia. Mientras que los defensores de los tubos de vacío afirman su superioridad en áreas como aplicaciones de audio profesional y de gama alta, el MOSFET de estado sólido tiene características de rendimiento similares.
Características
En las hojas de datos de triodos, las características que vinculan la corriente del ánodo (Ia) con el voltaje del ánodo (Va) y el voltaje de la red (Vg) se suelen dar. Desde aquí, un diseñador de circuitos puede elegir el punto de operación del triodo en particular. Luego, el voltaje de salida y la amplificación del triodo se pueden evaluar gráficamente dibujando una línea de carga en el gráfico.
En la característica de ejemplo que se muestra en la imagen, supongamos que deseamos operarlo con un voltaje de ánodo de reposo Va de 200 V y una rejilla polarización de voltaje de -1 voltio. Esto implica una corriente de placa inactiva (ánodo) de 2,2 mA (usando la curva amarilla en el gráfico). En un amplificador de triodo de clase A, se podría colocar una resistencia de ánodo (conectada entre el ánodo y la fuente de alimentación positiva). Si elegimos Ra = 10000 ohmios, la caída de tensión en él sería V+ - Va = Ia × Ra = 22. V para la corriente de ánodo elegida de Ia = 2,2 mA. Por lo tanto, requerimos una tensión de alimentación V+ = 222V para obtener Va = 200V en el ánodo.
Supongamos ahora que imprimimos en el voltaje de polarización de -1 V una señal de pico a pico de 1 V, de modo que el voltaje de la red varía entre -0,5 V y -1,5 V. Cuando Vg=-.5V, la corriente del ánodo aumentará a 3.1mA, bajando el voltaje del ánodo a Va = V+ - 10000Ω × 3,1 mA = 191 V (curva naranja). Cuando Vg=-1.5V, la corriente del ánodo disminuirá a 1.4mA, elevando el voltaje del ánodo a Va = V+ - 10000Ω × 1,4 mA = 208 V (curva verde). Por lo tanto, una señal de pico a pico de 1 V en la entrada (red) provoca un cambio de voltaje de salida de aproximadamente 17 V.
Así se obtiene una amplificación de voltaje de la señal. La relación de estos dos cambios, el factor de amplificación de voltaje (o mu) es 17 en este caso. También es posible utilizar triodos como seguidores catódicos en los que no hay amplificación de tensión pero sí una gran reducción de la impedancia dinámica; en otras palabras, la corriente está muy amplificada (como también lo está en la configuración de cátodo común descrita anteriormente). Amplificar el voltaje o la corriente da como resultado una amplificación de potencia, el propósito general de un tubo amplificador (después de todo, la corriente o el voltaje solo se pueden aumentar con solo usar un transformador, un dispositivo pasivo).
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