Válvula termoiónica para niños
Datos para niños Válvula termoiónica |
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 Válvulas termoiónicas
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| Tipo | Diodo de vacío | |
| Principio de funcionamiento | Emisión termoiónica | |
| Invención | John Ambrose Fleming (1904) Lee De Forest (1906) Walter H. Schottky (1919) Bernhard D.H. Tellegen (1926) |
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| Símbolo electrónico | ||
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| Terminales | Ánodo, cátodo, filamento, rejilla de control, rejilla pantalla y rejilla supresora | |
La válvula termoiónica, también conocida como válvula electrónica o tubo de vacío, es un componente electrónico. Se usa para amplificar, encender o apagar, o cambiar una señal eléctrica. Esto lo logra controlando el movimiento de electrones en un espacio casi sin aire.
Estas válvulas fueron clave para el desarrollo de la electrónica en la primera mitad del siglo XX. Gracias a ellas, surgieron y se expandieron la radio, la televisión, el radar y las computadoras. Aunque algunas de estas tecnologías existían antes, las válvulas las hicieron crecer rápidamente.
Existen muchos tipos de válvulas, pero la mayoría funcionan con principios básicos. Uno es el Efecto Edison, donde los metales calientes liberan electrones. Otro es el uso de gases ionizados, importante en reguladores de voltaje. También se basan en el Efecto fotoeléctrico, que es la emisión de electrones por la luz.
Con la invención del transistor, las válvulas termoiónicas se usaron menos. Los transistores eran más pequeños, baratos y confiables. Sin embargo, las válvulas todavía se usan en algunas áreas específicas. Por ejemplo, en transmisores de radio de alta potencia y sistemas de radar. También se encuentran en los hornos de microondas y en equipos de sonido de alta calidad.
Contenido
¿Cómo funciona una válvula termoiónica?
El Efecto Edison y la emisión de electrones
El efecto de emisión termoiónica fue observado por Frederick Guthrie en 1873. Sin embargo, la investigación más conocida es la de Thomas Alva Edison. Él notó que el cristal de sus bombillas se oscurecía con el uso. Para entenderlo, Edison puso un electrodo extra dentro de la bombilla. Este electrodo atraía las partículas que se desprendían del filamento. Aunque no entendía completamente el fenómeno, Edison lo patentó en 1884 como el "Efecto Edison".
Cuando un filamento se calienta, los átomos de su material se agitan. Los electrones de sus capas externas se aceleran y escapan, formando una nube de electrones. Si hay una placa con carga positiva cerca, esta atrae a los electrones. Así se crea una corriente eléctrica que fluye a través de la válvula. Este proceso se llama Efecto Edison-Richardson o termoiónico.
Componentes básicos de una válvula
La válvula termoiónica más sencilla es un tubo de vidrio sin aire. Dentro tiene dos partes principales: el cátodo y el ánodo.
El cátodo es un filamento de wolframio cubierto con una sustancia que libera muchos electrones. Se calienta con una corriente eléctrica. El ánodo es una placa de metal que rodea al filamento. Se le aplica una carga positiva para atraer los electrones. A esta válvula de dos electrodos se le llama diodo.
Cuando el filamento actúa directamente como cátodo, se dice que es de caldeo directo.
Para obtener más corriente y aislar el filamento, se usa un cátodo separado. Este es un pequeño tubo de metal cubierto con un material que libera electrones. El filamento lo calienta sin tocarlo. A estas válvulas se les llama de caldeo indirecto. En ellas, el filamento solo calienta y no es un electrodo activo.
Si se añaden más electrodos entre el ánodo y el cátodo, llamados rejillas, se puede controlar el flujo de electrones. Por eso se les llama "válvulas", porque regulan el paso de la corriente.
Una de las funciones de las válvulas termoiónicas es la de rectificador. Esto significa que permiten que la corriente fluya en una sola dirección. También son muy importantes como amplificadores. Con pequeños cambios de voltaje en una rejilla, pueden producir grandes cambios en la corriente.
Tipos de válvulas termoiónicas
Las válvulas termoiónicas se clasifican según el número de electrodos que tienen. Así, existen:
- Diodos: Tienen dos electrodos.
- Triodos: Tienen tres electrodos.
- Tetrodos: Tienen cuatro electrodos.
- Pentodos: Tienen cinco electrodos.
Además de estos, hay otros tipos de válvulas con funciones especiales:
- Tiratrones: Son triodos que contienen gas.
- Tubo de rayos catódicos: Se usaban en pantallas de televisión y osciloscopios.
- Tubos de cámara de televisión: Como los Iconoscopios o vidicones.
- Ojos mágicos: Indicadores visuales en radios antiguas.
- Dispositivos de microondas: Como klistrones y magnetrones (usados en hornos de microondas).
- Tubos contadores: Como el Decatrón.
- Displays fluorescentes de vacío (VFD): Usados en algunas pantallas digitales.
Historia y evolución de las válvulas
El diodo de Fleming
A finales del siglo XIX, la tecnología de la radio estaba empezando. La empresa Marconi buscaba mejorar sus sistemas de comunicación. Guglielmo Marconi contrató al físico inglés John Ambrose Fleming en 1899. Fleming había trabajado con Edison y era un experto. Marconi necesitaba un detector mejor para las señales de radio.
Fleming, basándose en los experimentos de Edison, desarrolló un tubo de vacío. Lo llamó "válvula de oscilación" porque solo dejaba pasar la corriente en una dirección. El cátodo era un filamento de carbono que, al calentarse, liberaba electrones. Estos electrones eran atraídos por una placa (ánodo) con carga positiva. Los electrones no podían ir en la dirección opuesta porque la placa no estaba caliente.
Fleming patentó esta válvula en el Reino Unido en 1904. Más tarde se conoció como la válvula de Fleming. Se usó para convertir las señales de radiofrecuencia en una corriente continua, lo que ayudó a los receptores de radio. Aunque no era más sensible que otros detectores, era más estable y fácil de usar en barcos.
El triodo de De Forest
En el siglo XIX, los ingenieros de telégrafos y teléfonos querían enviar señales a distancias más largas. En 1906, Robert von Lieben patentó un tubo que buscaba amplificar señales telefónicas. Sin embargo, no fue muy exitoso.
A Lee de Forest se le atribuye la invención del tubo triodo en 1907. Él estaba experimentando para mejorar su diodo original, llamado Audion. De Forest añadió un electrodo extra, llamado rejilla de control, entre el filamento (cátodo) y la placa (ánodo). Descubrió que este nuevo dispositivo podía amplificar señales.
Al cambiar el voltaje de la rejilla de control, se podía controlar la cantidad de corriente que iba del filamento a la placa. Un pequeño cambio en el voltaje de la rejilla, que requería poca energía, podía causar un gran cambio en la corriente de la placa. Esto resultaba en una amplificación de voltaje y potencia. En 1908, De Forest obtuvo una patente para esta versión de tres electrodos de su Audion, que se usó como amplificador en comunicaciones de radio. Este invento se conoció como el triodo.
Partes y características de las válvulas
Aunque hay muchos tipos de válvulas, la mayoría comparten algunas características importantes que mejoraron con el tiempo.
Filamentos
El filamento es la parte que se calienta para que el cátodo libere suficientes electrones. En las primeras válvulas, el filamento también era el cátodo (caldeo directo). Luego, se separaron las funciones: el filamento solo calentaba y el cátodo era un electrodo aparte (caldeo indirecto). Ambas formas se usaron, ya que el caldeo directo es más eficiente, pero el caldeo indirecto simplifica el diseño de los circuitos.
El filamento se desgasta con el tiempo debido al calor, lo que reduce su vida útil. Para que duren más, se usan materiales que soportan altas temperaturas, como el wolframio.
Un problema es el "efecto microfónico". Si el filamento vibra, estas vibraciones se transmiten al cátodo. Esto cambia la distancia entre el cátodo y la rejilla, lo que afecta la corriente de electrones. En equipos de audio, esto puede causar ruidos molestos.
Cátodos
El cátodo es el encargado de emitir electrones de forma constante. Sin embargo, con el tiempo, los cátodos se agotan. Para alargar la vida de las válvulas, se han desarrollado cátodos que funcionan a temperaturas más bajas. Esto se logra usando materiales que liberan electrones más fácilmente, como aleaciones de torio. Los cátodos también deben ser buenos conductores de electricidad.
Ánodos
El ánodo recibe el flujo de electrones. En la mayoría de las válvulas, estos electrones chocan con el ánodo con mucha energía, lo que lo calienta. Por eso, los ánodos de las válvulas de alta potencia son grandes y a menudo forman parte del exterior de la válvula. Así pueden enfriarse directamente con aire o agua. Antes, se enfriaban por radiación, por lo que las válvulas eran más grandes.
La emisión secundaria es un efecto que puede ocurrir en el ánodo. Cuando los electrones chocan con mucha fuerza, pueden arrancar otros electrones del metal del ánodo. Esto suele ser indeseable, aunque en algunas válvulas se aprovecha.
Vacío
Dentro de la válvula, debe haber muy poco aire (un alto vacío). Si hay muchas moléculas de gas, chocan con los electrones y reducen el rendimiento de la válvula. Un menor vacío también desgasta más los filamentos. Por eso, la tecnología ha avanzado para crear válvulas con un vacío cada vez mayor. Sin embargo, algunas válvulas, como los tiratrones, necesitan ciertos gases para funcionar.
Los metales y otros materiales pueden absorber gases. Cuando se calientan, liberan lentamente estos gases. Para mantener el vacío, se usa un "getter". Es un material (como el magnesio) que se evapora dentro del tubo sellado. El magnesio evaporado forma una capa brillante en el vidrio. Esta capa absorbe cualquier gas que se libere, manteniendo el vacío. Si entra aire en la válvula, el getter se vuelve blanquecino.
Cerámicas
El material más común para el "recipiente" de la válvula es el vidrio, como en las bombillas. Pero el vidrio se derrite a bajas temperaturas, aísla el calor y es frágil. Por eso, para válvulas de alta potencia o radiofrecuencia, se usan cerámicas. Las cerámicas son más resistentes, conducen mejor el calor y soportan temperaturas más altas. El desafío fue unir la cerámica con el metal de forma hermética. Una vez resuelto, la cerámica reemplazó al vidrio en muchas válvulas potentes.
Otros dispositivos similares
Existen dispositivos parecidos a las válvulas termoiónicas, pero que no usan el efecto Edison:
- Rectificadores de mercurio e Ignitrones: Para manejar mucha potencia.
- Tubos Nixie y Displays de neón: Para mostrar números o letras.
- Células fotoeléctricas: Basadas en el efecto Einstein, que liberan electrones con la luz.
- Tubos T-R: Para proteger receptores de radar.
- Detector Geiger-Müller: Para detectar radiaciones.
- Estabistores: Tubos que regulan el voltaje.
Galería de imágenes
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Triodo de 1906.
Véase también
En inglés: Vacuum tube Facts for Kids
