Tubos de ionización (llenos de gas)

Hasta ahora, hemos explorado los tubos que son totalmente "evacuados" de todo el gas y el vapor dentro de sus sobres de vidrio, propiamente conocidos como tubos de vacío . Sin embargo, con la adición de ciertos gases o vapores, los tubos adquieren características significativamente diferentes y pueden cumplir ciertas funciones especiales en los circuitos electrónicos.

Cuando se aplica un voltaje suficientemente alto a una distancia ocupada por un gas o vapor, o cuando ese gas o vapor se calienta lo suficiente, los electrones de esas moléculas de gas se eliminarán de sus respectivos núcleos, creando una condición de ionización . . Habiendo liberado a los electrones de sus enlaces electrostáticos a los núcleos de los átomos, son libres de migrar en forma de corriente, lo que hace que el gas ionizado sea un conductor de electricidad relativamente bueno. En este estado, el gas se denomina más correctamente plasma .

El gas ionizado no es un conductor perfecto. Como tal, el flujo de electrones a través del gas ionizado tenderá a disipar energía en forma de calor, lo que ayudará a mantener el gas en un estado de ionización. El resultado de esto es un tubo que comenzará a conducir bajo ciertas condiciones, luego tenderá a permanecer en un estado de conducción hasta que el voltaje aplicado a través del gas y / o la corriente generadora de calor caiga a un nivel mínimo.

El observador astuto notará que este es precisamente el tipo de comportamiento exhibido por una clase de dispositivos semiconductores llamados "tiristores", que tienden a permanecer "encendidos" una vez que se "encienden" y tienden a permanecer "apagados" una vez que se "apagan". Los tubos llenos de gas, se puede decir, manifiestan esta misma propiedad de histéresis .

A diferencia de sus homólogos de vacío, los tubos de ionización a menudo se fabricaban sin filamento (calentador) en absoluto. Estos se llamaron cátodo frío tubos, con las versiones calentadas designadas como cátodo caliente tubos. El hecho de que el tubo contuviera o no una fuente de calor obviamente afectó las características de un tubo lleno de gas, pero no en la medida en que la falta de calor afectaría el rendimiento de un tubo de vacío duro.

El tipo más simple de dispositivo de ionización no es necesariamente un tubo; más bien, está construido con dos electrodos separados por un espacio lleno de gas. Simplemente llamado spark gap , el espacio entre los electrodos puede estar ocupado por aire ambiental, otras veces un gas especial, en cuyo caso el dispositivo debe tener un sobre sellado de algún tipo.

Una aplicación principal de los descargadores de chispas es la protección contra sobretensiones. Diseñado para no ionizarse o "romperse" (comenzar a conducir), con el voltaje normal del sistema aplicado a través de los electrodos, la función de la descarga de chispas es conducir en caso de un aumento significativo de voltaje. Una vez conductora, actuará como una carga pesada, manteniendo bajo el voltaje del sistema a través de su gran consumo de corriente y la posterior caída de voltaje a lo largo de los conductores y otras impedancias en serie. En un sistema diseñado adecuadamente, la descarga de chispas dejará de conducir ("extinguir") cuando el voltaje del sistema disminuya a un nivel normal, muy por debajo del voltaje requerido para iniciar la conducción.

Una advertencia importante de los descargadores de chispas es su vida significativamente finita. La descarga generada por un dispositivo de este tipo puede ser bastante violenta y, como tal, tenderá a deteriorar las superficies de los electrodos mediante picaduras y / o fusión.

Se puede hacer que los descargadores de chispas se conduzcan a pedido colocando un tercer electrodo (generalmente con un borde o punta afilada) entre los otros dos y aplicando un pulso de alto voltaje entre ese electrodo y uno de los otros electrodos. El pulso creará una pequeña chispa entre los dos electrodos, ionizando parte de la vía entre los dos electrodos grandes y permitiendo la conducción entre ellos si el voltaje aplicado es lo suficientemente alto:

Se pueden construir brechas de chispas tanto disparadas como no disparadas para manejar grandes cantidades de corriente, ¡algunas incluso en el rango de mega-amperios (millones de amperios)! El tamaño físico es el principal factor limitante de la cantidad de corriente que una descarga de chispas puede manejar de manera segura y confiable.

Cuando los dos electrodos principales se colocan en un tubo sellado lleno de un gas especial, un tubo de descarga se forma. El tipo más común de tubo de descarga es la luz de neón, utilizada popularmente como fuente de iluminación colorida, el color de la luz emitida depende del tipo de gas que llena el tubo.

La construcción de las lámparas de neón se parece mucho a la de los descargadores de chispas, pero las características operativas son bastante diferentes:

Al controlar el espaciado de los electrodos y el tipo de gas en el tubo, se puede hacer que las luces de neón conduzcan sin atraer las corrientes excesivas que hacen los descargadores de chispas. Todavía exhiben histéresis porque se necesita un voltaje más alto para iniciar la conducción que para hacerlos "extinguir", y su resistencia es definitivamente no lineal (cuanto más voltaje se aplica a través del tubo, más corriente, por lo tanto, más calor, por lo tanto, menor resistencia ). Dada esta tendencia no lineal, no se debe permitir que el voltaje a través de un tubo de neón exceda un cierto límite, para que el tubo no se dañe por temperaturas excesivas.

Esta tendencia no lineal le da al tubo de neón una aplicación diferente a la iluminación colorida:puede actuar como un diodo Zener, "sujetando" el voltaje a través de él al consumir más y más corriente si el voltaje disminuye. Cuando se usa de esta manera, el tubo se conoce como tubo incandescente , o tubo regulador de voltaje , y era un medio popular de regulación de voltaje en los días del diseño de circuitos de tubos de electrones.

Tome nota del punto negro que se encuentra en el símbolo del tubo que se muestra arriba (y en el símbolo de la lámpara de neón que se muestra antes). Ese marcador indica que el tubo está lleno de gas. Es un marcador común que se utiliza en todos los símbolos de tubos llenos de gas.

Un ejemplo de tubo incandescente diseñado para la regulación de voltaje fue el VR-150, con un voltaje de regulación nominal de 150 voltios. Su resistencia a lo largo de los límites permitidos de corriente podría variar de 5 kΩ a 30 kΩ, un intervalo de 6:1. Al igual que los circuitos reguladores de diodo Zener de hoy en día, los reguladores de tubo incandescente podrían acoplarse a tubos amplificadores para una mejor regulación de voltaje y rangos de corriente de carga más altos.

Si un triodo regular se llenara con gas en lugar de un vacío fuerte, manifestaría toda la histéresis y la no linealidad de otros tubos de gas con una ventaja importante:la cantidad de voltaje aplicado entre la rejilla y el cátodo determinaría el voltaje mínimo de placa a cátodo necesario. para iniciar la conducción. En esencia, este tubo era el equivalente del semiconductor SCR (rectificador controlado por silicio) y se llamaba thyratron .

Cabe señalar que el esquema que se muestra arriba está muy simplificado para la mayoría de los propósitos y diseños de tubos de tiratrón. Algunos tiratrones, por ejemplo, requerían que el voltaje de la red cambiara la polaridad entre sus estados "encendido" y "apagado" para funcionar correctamente. Además, ¡algunos tiratrones tenían más de una cuadrícula!

Los thyratrons encontraron uso de la misma manera que los SCR se usan hoy en día:controlando CA rectificada para grandes cargas como motores. Los tubos de Thyratron se han fabricado con diferentes tipos de rellenos de gas para diferentes características:gas inerte (químicamente no reactivo), gas hidrógeno y mercurio (vaporizado en forma de gas cuando se activa). El deuterio, un isótopo raro del hidrógeno, se usó en algunas aplicaciones especiales que requerían la conmutación de altos voltajes.