Diodo de tubo de vacío:qué es y cómo funciona

Diodos de tubo de vacío con envoltura metálica

En los últimos tiempos, hemos visto muchos avances tecnológicos en el área de los dispositivos eléctricos. Hoy en día, podemos encontrar un montón de transistores que crean puertas lógicas y permiten la computación.

Pero las computadoras existían antes de la invención de los transistores y la corriente continua. Aunque esta primera forma de computadora era tan grande, ocupaba habitaciones enteras y pesaba miles de libras en el siglo XX.

El diodo de tubo de vacío es lo que jugó el papel de los transistores en estas computadoras gigantes. Aunque los transistores manejan el mundo de los dispositivos electrónicos modernos, el diodo de vacío todavía tiene sus usos.

Entonces, en este artículo, mostraremos todo sobre un diodo de tubo de vacío, cómo funciona, sus tipos y aplicaciones para su PCB y sus características.

¡Comencemos!

Tubo de vacío

¿Qué es un diodo de tubo de vacío?

Antes de la era de los transistores Sir John, Ambrose Fleming creó lo que conocemos como el tubo de vacío en 1904. Sir Lee De Forest (del siglo XVII) es otro nombre a tener en cuenta, especialmente en lo que respecta a las radios y los filamentos relacionados con los diodos del tubo de vacío.

El tubo de vacío es un dispositivo que bloquea el flujo de electrones individuales de una corriente eléctrica en una dirección (ánodo a cátodo) mientras permite el flujo de corriente eléctrica en otra dirección (cátodo a ánodo).

Ahora, el diodo de vacío es la forma más simple del tubo de vacío que produce y controla los electrones libres. Además, el diodo de vacío tiene dos electrodos que conocemos como cátodo y ánodo. El ánodo funciona como colector de electrones, mientras que el cátodo sirve como emisor de electrones. También funciona como un filamento de 1,4 voltios con una válvula unidireccional que admite filamentos calentados y delgados.

Además, el cátodo puede ser un electrodo positivo o un electrodo negativo durante su descarga de campo electrostático. En otras palabras, tiene excelentes propiedades de emisión de campo.

Los ánodos son cilindros metálicos huecos hechos de níquel o hierro. Sin embargo, en situaciones de alta potencia, encontrará ánodos con molibdeno, grafito o tantalio porque los eventos de alta potencia pueden dañar los ánodos de níquel o hierro. Además, los ánodos son más grandes que los cátodos para disipar el calor sin un gran aumento de temperatura. Por lo tanto, no puede considerar un ánodo como uno con una corriente débil.

Por otro lado, los cátodos consisten en un filamento de tungsteno simple o tungsteno toriado. Además, los cátodos con líneas de campo pueden ser tubos de níquel recubiertos con óxido de bario o con óxido de estroncio. Además, los cátodos recubiertos de óxido muestran una mejor eficiencia de emisión.

Cómo funcionan los diodos de tubo de vacío

Al observar cómo funciona un diodo de vacío, es importante conocer la efectividad de la forma en que los electrones escapan de una superficie.

El número de corrientes de electrones que un material calentado puede emitir por unidad de área se relaciona con una constante 'b' y una temperatura absoluta. La constante 'b' indica lo que hace un electrón primario para escapar de la superficie.

Por lo tanto, a partir de esto, podemos derivar una ecuación para la corriente que sale de la superficie exterior como:

I =AT²ε (–b/T)

La ecuación de la corriente que sale de la superficie exterior

Dónde: 

I – corriente medida en amperios

A – constante para el tipo de material emisor

T – la temperatura en grados absolutos

b – trabajo necesario para que el electrón abandone la superficie exterior

Los inventos de Walter H. Schottky y Thomas Edison también respaldan la ecuación anterior.

Diodos de tubo de alto vacío

En su mayor parte, los diodos de tubo termoiónico de vacío funcionan como los tubos modernos. Pero con un tamaño más grande. Además, cuenta con un contenedor de vacío con un ánodo y un cátodo conectados a través de un voltaje ácido.

Voltaje de ánodo y cátodo

El ánodo (terminal positivo) se ocupa del voltaje positivo. Por lo tanto, funciona según el principio de emisión termoiónica. Además, el filamento calienta el cátodo (terminal negativo) y permite la emisión de electrones. Estos electrones emitidos luego son atraídos al ánodo. Sin embargo, si el voltaje positivo que recibe el ánodo no es suficiente, no atraerá los electrones del cátodo.

Filamento Eléctrico

Por esta razón, una nube invisible de electrones se acumulará en el espacio entre el ánodo y el cátodo, creando una carga espacial. La carga espacial repele otros electrones que salen del cátodo. Por lo tanto, detiene la emisión de electrones y el flujo de corriente a través del circuito.

Pero, si el voltaje de la fuente de alimentación aplicada entre el ánodo y el cátodo es lo suficientemente alto, el efecto de carga espacial se neutralizará lentamente. De esta forma, el flujo de electrones hacia el ánodo será libre. Por lo tanto, los electrones pueden moverse a través del vacío dentro de la envoltura de vidrio de la envoltura del vacío. Por esta razón, nada bloquea la emisión de electrones, lo que permite el libre flujo de corriente del ánodo al cátodo.

Además, a medida que aumenta el voltaje aplicado en el ánodo, también aumenta la corriente. Eventualmente, la carga espacial desaparece por completo y el ánodo alcanza la máxima emisión del cátodo.

Nota:

la única forma de aumentar la emisión de electrones del cátodo es aumentando la temperatura del cátodo. También aumenta la energía de los electrones permitiendo que más electrones salgan del cátodo.

Aunque todas las áreas del diodo de vacío cuentan con una carga espacial, es bastante importante en la región del cátodo. ¿Por qué? Porque determina los elementos críticos, incluida la emisión máxima.

Por el contrario, si el ánodo funciona con voltaje negativo, no habrá flujo de electrones porque no estará caliente. Además, los electrones que salen del tubo de rayos catódicos calentado no se moverán hacia el ánodo. Este proceso acumula una fuerte carga espacial entre el ánodo y el tubo de rayos catódicos. Debido a la fuerte repulsión de la carga espacial, todos los electrones regresan al cátodo. Por lo tanto, no fluye corriente a través del circuito.

Características de los diodos de vacío

Estas son algunas de las características de los diodos de tubo de vacío.

Diodo como rectificador

Al aplicar una corriente alterna a su ánodo, su polaridad permanecerá positiva durante un medio ciclo positivo. Por lo tanto, los electrones pueden fluir hacia el ánodo. Además, durante un medio ciclo negativo, la placa permanece negativa, lo que termina con la corriente del ánodo.

Por lo tanto, muestra que los diodos de tubo de vacío permitirán que la corriente del ánodo fluya en una sola dirección y produzcan una corriente de salida rectificada. Y esto funciona mejor con un diodo termoiónico o un diodo semiconductor con voltaje de calentamiento o voltajes inversos.

Rectificador de diodo

Dos tipos de cátodos

El diodo de tubo de vacío puede utilizar dos tipos de cátodos:

Cátodo calentado directamente

Aquí, el cátodo también sirve como filamento. Entonces, puede llamarlo cátodo de tipo filamento.

Cátodo de calentamiento indirecto

Aquí, el cátodo tiene una delgada manga de metal recubierta de óxidos. Los manguitos sirven como cátodo y hay un cable de tungsteno eléctricamente aislado separado del manguito.

Carga espacial

La carga espacial es una característica importante del diodo de tubo de vacío. Aparece una carga positiva en el cátodo cuando emite electrones. Permite que el cátodo atraiga los electrones y cree una carga espacial en la envoltura del tubo de vacío.

Materiales de cátodo

Aquí hay dos materiales de cátodo comunes:

Tungsteno

El tungsteno es un metal puro y tiene una función de trabajo de 4,54 eV. Puede operar con seguridad este material a 2500®K y usarlo en un tubo de alta potencia, tubos de vacío termoiónicos o tubos de onda viajera.

Varilla de tungsteno

Tungsteno toriado

Este material trabaja en cátodos de calentamiento directo. Admite electrones a bajas temperaturas (alrededor de 700®C a 750®C). Puede operar este material con alta eficiencia y poca potencia de calentamiento.

Tipos de diodos de tubo de vacío

El tipo de tubo de diodo de vacío tiene seis clasificaciones que incluyen:

• Diodos de vacío para rango de frecuencia (transmisores de radio, microondas, audio)

Microondas

• Diodos de vacío para potencia nominal (potencia de audio, pequeña señal) con campo uniforme
• Diodos de vacío tipo cátodo/filamento
• Funciones especializadas diodos de vacío (detectores de luz)
• Aplicación de diodos de vacío (tubos transmisores o tubos receptores)
• Diodos de vacío para parámetros especializados (amplificación de audio de bajo ruido)

Aplicaciones

Las aplicaciones de los diodos de tubo de vacío incluyen:

• Relojes atómicos
• Tubos de rayos X
• Aparatos de radio
• Batería de polarización de red
• Sistemas de audio
• Tubos reguladores de voltaje
• Electrodo de control
• Amplificador de triodo
• Amplificador electrónico
• Aplicaciones de consumo
• Conmutación de circuito de alta velocidad
• Tubos Klystron
• Sistemas de propulsión iónica
• Equipo electrónico
• Equipo alimentado por batería
• Equipo de audio profesional
• Comunicaciones por radio
• Colectores solares
• Sistemas de microondas
• Sistemas militares con suministro (de alta tensión)
• Componentes de teléfono móvil, Bluetooth y microondas Wi-Fi
• Satélites de telefonía celular
• Aceleradores de partículas
• Tubos fotomultiplicadores
• Luces estroboscópicas
• Sistemas electrónicos de vacío de semiconductores
• Dispositivos de electrones de vacío
• Paneles de vacío

Palabras finales

A pesar de que el mundo ahora funciona con transistores, el diodo de vacío todavía tiene sus usos. Quizás el uso moderno más destacado del diodo de vacío se encuentra en la comunidad musical. La mayoría de los audiófilos prefieren la calidad de sonido de los amplificadores electrónicos de válvulas a los amplificadores de semiconductores.

Tubos de vacío de un solo sobre

Otra aplicación notable son los transmisores de RF de alta potencia. Los diodos de tubo de vacío generan más energía que sus equivalentes semiconductores. Por lo tanto, encontrará tubos de vacío en escáneres de resonancia magnética, aceleradores de partículas e incluso hornos de microondas. Eso concluye este artículo. Si tiene alguna pregunta, no dude en contactarnos. Estaremos encantados de ayudar.