Diodos de Tubo de Vacío Explicados: Función, Historia y Aplicaciones Modernas

Diodos de Tubo de Vacío con Envoltura Metálica

En tiempos recientes, hemos visto muchos avances tecnológicos en dispositivos eléctricos. Hoy encontramos transistores creando compuertas lógicas y permitiendo computación.

Pero las computadoras existían antes de la invención de transistores y corriente continua. Esta forma temprana de computadora era tan masiva que ocupaba habitaciones enteras y pesaba miles de libras en el siglo XX.

El diodo de tubo de vacío cumplía el papel de transistores en estas computadoras gigantes. Aunque los transistores gobiernan la electrónica moderna, el diodo de vacío aún tiene sus usos.

En este artículo, mostraremos todo sobre diodos de tubo de vacío: funcionamiento, tipos, aplicaciones para su PCB y características.

¡Comencemos!

Tubo de Vacío

¿Qué es un Diodo de Tubo de Vacío?

Antes de la era de los transistores de Sir John, Ambrose Fleming creó el tubo de vacío en 1904. Sir Lee De Forest (siglo XVII) es otro nombre clave, especialmente en radios y filamentos relacionados con diodos de tubo de vacío.

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

El diodo de vacío es la forma más simple que produce y controla electrones libres. Tiene dos electrodos: cátodo y ánodo. El ánodo actúa como colector de electrones, el cátodo como emisor. Funciona como filamento de 1.4 voltios con válvula unidireccional que soporta filamentos calentados y delgados.

El cátodo puede ser electrodo positivo o negativo durante su descarga de campo electrostático, teniendo grandes propiedades de emisión de campo.

Los ánodos son cilindros metálicos huecos de níquel o hierro. En alta potencia, se usan molibdeno, grafito o tantalio, ya que la alta potencia puede dañar ánodos de níquel/hierro. Los ánodos son más grandes que los cátodos para disipar calor sin gran aumento de temperatura.

Los cátodos consisten en filamento de tungsteno simple o tungsteno toriado. Los cátodos con líneas de campo pueden ser tubos de níquel recubiertos de óxido de bario o estroncio. Los cátodos recubiertos de óxido muestran mejor eficiencia de emisión.

Cómo Funcionan los Diodos de Tubo de Vacío

Al ver cómo funciona un diodo de vacío, es importante conocer la efectividad de la fuga de electrones de una superficie.

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

De esto derivamos la ecuación de la corriente que deja la superficie exterior:

I = AT²ε (–b/T)

Ecuación de la corriente que deja la superficie exterior

Donde:

I – corriente medida en amperios

A – constante para el tipo de material emisor

T – temperatura en grados absolutos

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

Los inventos de Walter H. Schottky y Thomas Edison respaldan esta ecuación.

Diodos de Tubo de Vacío de Alto Vacío

En su mayor parte, los diodos de tubo termoiónico de vacío funcionan como tubos modernos, pero con mayor tamaño. Cuentan con un contenedor de vacío con ánodo y cátodo conectados a una fuente de voltaje.

Voltaje de Ánodo y Cátodo

El ánodo (terminal positivo) maneja voltaje positivo. Funciona por el principio de emisión termoiónica. El filamento calienta el cátodo (terminal negativo) permitiendo la emisión de electrones. Estos son atraídos al ánodo. Sin embargo, si el voltaje positivo del ánodo no es suficiente, no atraerá electrones del cátodo.

Filamento Eléctrico

Por esto, una nube invisible de electrones se acumula entre ánodo y cátodo, creando una carga espacial. Esta repele otros electrones que salen del cátodo, deteniendo la emisión y el flujo de corriente.

Pero si el voltaje de alimentación entre ánodo y cátodo es lo suficientemente alto, el efecto de carga espacial se neutraliza lentamente. El flujo de electrones al ánodo será libre. Los electrones cruzarán el vacío dentro del envoltorio de vidrio. Nada bloquea la emisión, permitiendo el flujo libre de corriente del ánodo al cátodo.

A medida que aumenta el voltaje aplicado en el ánodo, la corriente también aumenta. Finalmente, la carga espacial desaparece completamente y el ánodo alcanza la emisión máxima del cátodo.

Nota:

La única forma de aumentar la emisión de electrones del cátodo es aumentando su temperatura. También aumenta la energía de los electrones, permitiendo que más abandonen el cátodo.

Aunque todas las áreas del diodo de vacío tienen carga espacial, es crucial en la región del cátodo porque determina elementos críticos, incluida la emisión máxima.

En contraste, si el ánodo maneja voltaje negativo, no habrá flujo de electrones porque no estará caliente. Los electrones que salen del cátodo calentado no se moverán al ánodo. Esto acumula una fuerte carga espacial entre ánodo y cátodo. Debido a la fuerte repulsión, todos los electrones vuelven al cátodo. Por tanto, no fluye corriente.

Características de los Diodos de Vacío

Diodo como Rectificador

Aplicando corriente alterna al ánodo, su polaridad permanece positiva durante el semiciclo positivo. Los electrones fluyen al ánodo. Durante el semiciclo negativo, la placa se vuelve negativa, terminando la corriente de ánodo.

Los diodos de tubo de vacío permiten el flujo de corriente de ánodo en una sola dirección, produciendo corriente de salida rectificada. Funciona mejor con diodo termoiónico o semiconductor con voltaje de calentador o voltajes inversos.

Rectificador de Diodo

Dos Tipos de Cátodos

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

Cátodo Calentado Directamente

Aquí el cátodo también sirve como filamento. Se le llama cátodo tipo filamento.

Cátodo de Calentamiento Indirecto

Aquí el cátodo tiene una manga metálica delgada recubierta de óxidos. Las mangas sirven como cátodo, con un alambre de tungsteno aislado eléctricamente separado de la manga.

Carga Espacial

La carga espacial es una característica importante. Aparece carga positiva en el cátodo al emitir electrones. Permite que el cátodo atraiga electrones y cree carga espacial en el envoltorio del tubo de vacío.

Materiales del Cátodo

Dos materiales comunes:

Tungsteno

Tungsteno es metal puro con función de trabajo de 4.54 eV. Operable con seguridad a 2500°K, usado en tubos de alta potencia, tubos termoiónicos de vacío o tubos de onda viajera.

Barra de Tungsteno

Tungsteno Toriado

Funciona en cátodos calentados directamente. Soporta electrones a bajas temperaturas (700°C-750°C). Operable con alta eficiencia y poca potencia de calentamiento.

Tipos de Diodos de Tubo de Vacío

El tipo de tubo diodo de vacío tiene seis clasificaciones:

• 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
• Diodos de vacío de funciones especializadas (detectores de luz)
• Diodos de vacío de aplicación (tubos transmisores o receptores)
• Diodos de vacío para parámetros especializados (amplificación de audio bajo ruido)

Aplicaciones

Las aplicaciones incluyen:

• Relojes Atómicos
• Tubos de Rayos X
• Equipos de Radio
• Batería de Polarización de Rejilla
• Sistemas de Audio
• Tubos Reguladores de Voltaje
• Electrodo de Control
• Amplificador Triodo
• Amplificador Electrónico
• Aplicaciones de Consumo
• Conmutación de Circuitos de Alta Velocidad
• Tubos Klystron
• Sistemas de Propulsión Iónica
• Equipo Electrónico
• Equipo Alimentado por Batería
• Equipo de Audio Profesional
• Comunicaciones de Radio
• Colectores Solares
• Sistemas de Microondas
• Sistemas Militares con Fuente de Alta Tensión
• Componentes de Microondas para Móvil, Bluetooth y Wi-Fi
• Satélites Telefónicos Celulares
• Aceleradores de Partículas
• Tubos Fotomultiplicadores
• Luces Estroboscópicas
• Sistemas Electrónicos de Vacío Semiconductores
• Dispositivos Electrónicos de Vacío
• Pantallas de Panel de Vacío

Palabras Finales

Aunque el mundo ahora funciona con transistores, el diodo de vacío aún tiene usos. Quizás el uso moderno más destacado es en la comunidad musical. La mayoría de audiófilos prefieren la calidad de sonido de amplificadores electrónicos de tubo de vacío sobre amplificadores semiconductores.

Tubos de vacío de sobre único

Otra aplicación notable son transmisores RF de alta potencia. Los diodos de tubo de vacío generan más potencia que sus contrapartes semiconductoras. Los encontrará en escáneres MRI, aceleradores de partículas y hornos de microondas. Concluimos este artículo. Si tiene preguntas, contáctenos. Estaremos felices de ayudar.