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¿Por qué esta magnífica tecnología científica, que ahorra trabajo y nos hace la vida más fácil, nos aporta tan poca felicidad? La repuesta es esta, simplemente: porque aún no hemos aprendido a usarla con tino.

Albert Einstein(1879-1955).
Físico estadounidense de origen alemán.
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Las Valvulas

1. El diodo

La válvula termoiónica de vacío más simple que existe es el diodo y fue inventado por John Ambrose Fleming. Consta de dos electrodos, el cátodo y el ánodo o placa. Gracias al efecto termoiónico, ocurre el milagro de la conducción eléctrica en el sentido cátodo-ánodo, y no al contrario. Por ello se le llama válvula a estos dispositivos.

La emisión termoiónica es un fenómeno que se da en los metales. En los átomos de éstos, existen electrones con un movimiento arbitrario, y cuya velocidad depende de la temperatura. Conforme aumenta la temperatura, crece su velocidad, pudiendo abandonar la superficie metálica.

A medida que los electrones abandonan el cátodo, forman una "nube electrónica", similar a las moléculas que forman un gas y cuya carga neta es negativa, puesto que está formada por electrones. El emisor de estos electrones es el cátodo, que se calienta mediante una resistencia o filamento de tungsteno puro, toriado o recubierto de una capa de óxido de bario. El filamento se calienta haciendo pasar una corriente (la corriente de caldeo). Si ahora aplicamos una tensión entre ánodo y cátodo (Vak) siendo el ánodo más positivo, se produce una corriente eléctrica al ser los electrones atraídos por el ánodo, que está a potencial positivo. A esta corriente se le llama corriente de placa. Si se aumenta la tensión Vak, se produce un aumento de la corriente de placa (Ia), hasta alcanzar el valor de saturación (Is), en el que la corriente no aumenta por mucho de subamos la tensión aplicada. Esto es debido a que la placa recoge todos los electrones que emite el cátodo, y no puede aumentar la corriente a menos que aumentásemos la emisión de electrones subiendo la temperatura de caldeo. La corriente de saturación Is depende entonces del número de electrones que emita el cátodo.

Existen dos tipos de cátodo atendiendo al modo en que se calienta.

  • Cátodo de caldeo directo, el emisor es un simple filamento de tungsteno.

  • Cátodo de caldeo indirecto. El filamento está recubierto de óxido de bario e introducido en un pequeño cilindro de níquel; el filamento y el cilindro están eléctricamente aislados.

cátodo de caldeo directo cátodo de caldeo indirecto

Al principio, las válvulas eran de caldeo directo la mayoría, por su simplicidad, pero después se introdujo en masa la fabricación de válvulas con caldeo indirecto, que es más fiable y duradero. últimamente ha resurgido la demanda de triodos de caldeo directo, por supuesta superioridad sónica. En inglés se llama DHT (Direct Heated Triode) y la más famosa DHT que existe es la 300B de Western Electric.

¿Por qué necesitan las válvulas el vacío? Si existiera aire en el interior de la válvula, los electrones chocarían con las moléculas del gas y la corriente disminuiría. Además, el filamento podría destruirse por oxidación al entrar en contacto con el oxígeno del aire. Esto mismo se hace en las bombillas normales. Otro fenómeno es que al chocar los electrones con los átomos del gas, éstos perderían algún electrón, convirtiéndose en iones positivos que serían atraídos por el cátodo negativo, que sería bombardeado y dañado por estos iones.

Así pues, el diodo se caracteriza porque conduce la corriente sólo en una dirección, cuando está polarizado en sentido directo: esto es, el ánodo positivo y el cátodo negativo. Esto hace que sea utilizado en la rectificación de una corriente alterna para obtener corriente continua. Una válvula típica europea es la GZ34, que es un doble diodo.

Las tensiones habituales de polarización son del orden de 300 ó 400 voltios, incluso más. Esto es un gran inconveniente de las válvulas, por el peligro que conlleva para nuestra seguridad.

2. El triodo

En el año 1906 Lee de Forest añadió un tercer electrodo, la rejilla, con la que es posible amplificar tensiones, corrientes o ambas a la vez (potencia). Este tercer electrodo se denomina también rejilla de control, y está constituida por un conductor fino dispuesto helicoidalmente y muy próximo al cátodo alrededor de éste. La disposición física de estos electrodos se muestra en la figura. El cátodo emite electrones por el efecto termoiónico mencionado anteriormente, formando la carga espacial o nube electrónica. Como la rejilla tiene grandes espacios entre los hilos, los electrones logran circular a través de ella sin dificultades y llegar al ánodo cuando el triodo está polarizado. Si ahora aplicamos una tensión negativa a la rejilla, los electrones encontrarán una oposición a su desplazamiento natural del cátodo al ánodo, y se verán repelidos hacia el cátodo, con mayor fuerza cuanto más negativa hagamos la rejilla. Esto se traduce en una disminución de la corriente de placa Ia , tanto más cuanto más negativa hagamos la rejilla (Vg). Si la tensión aplicada a la rejilla es nula, entonces el triodo se comporta como un diodo y es como si no existiera la rejilla de control. Si la rejilla es positiva, entonces algunos electrones circularían por este electrodo, pero esta polarización no es la habitual. En resumidas cuentas, tenemos 3 casos:

  • Vg < 0 la rejilla es negativa con respecto al cátodo y la corriente de placa disminuye

  • Vg = 0 la rejilla está al mismo potencial que el cátodo y es como si no existiera (sería un diodo)

  • Vg > 0 la rejilla es positiva con respecto al cátodo y algunos electrones se van por ella (no se utiliza).

Lo que tenemos es un dispositivo que al variar la tensión en la rejilla Vg, provoca una variación de la corriente de placa Ia. La aplicación de esto es inmediata, si conectamos una resistencia en la placa, la corriente, que sigue las variaciones de la tensión de rejilla, provocará que esta variación se refleje en la diferencia de potencial de la resistencia de placa, pero más grande que la señal de entrada, es decir, un circuito amplificador.

Características (parámetros) del triodo.- Son los que expresan el comportamiento de la válvula, y que sirven para el diseño de circuitos. Dependen en gran manera de la geometría de los electrodos, o sea, su forma, disposición, tamaño y distancia que guardan entre sí. Los parámetros más utilizados son:

- Factor de amplificación (m).- Mide como varía la tensión de placa en función de la tensión de rejilla, manteniendo la corriente de placa constante. Matemáticamente:

Si, por ejemplo, un triodo tiene un factor de amplificación de 30, obtendríamos el mismo resultado en cuanto a corriente de placa, variando 30V la tensión anódica o variando 1 voltio la de rejilla.

- Conductancia mutua o pendiente (S, P, ó gm).- Mide como varía la corriente de placa en función de la tensión de rejilla, manteniendo constante la tensión de placa.

- Resistencia interna (ri ó rp).- Mide la variación de la tensión de placa en función de la corriente de placa, manteniendo constante la tensión de rejilla.

La resistencia interna representa la resistencia entre placa-cátodo cuando se produce un pequeño cambio en la tensión de placa, y no tiene nada que ver con la resistencia que existe entre dichos electrodos en condiciones de reposo, es decir, sin señal, ya que en este caso lo que hallaríamos sería la resistencia equivalente.

- Relación entre los tres parámetros.- Conocidos dos parámetros cualquiera podemos deducir el tercero valiéndonos de la expresión

Polarización del triodo.- Para la operación normal del triodo se polariza de acuerdo a la figura, aunque en la práctica no se utilizan dos fuentes, sino que se intercala una resistencia en el cátodo, y la corriente hace que la caída de tensión en la misma ponga la rejilla a potencial negativo con respecto al cátodo (Vgk< 0).

Recordemos que la polarización habitual de la rejilla de control es negativa.

La representación de la figura es a efectos teóricos de polarización y nunca como circuito amplificador. La aplicación de una señal a la entrada sería de efectos nulos, puesto que la resistencia de la batería de rejilla es prácticamente cero, con lo que representa un cortocircuito.

Del mismo modo, la señal de salida ve un cortocircuito entre placa y tierra.

El circuito de la derecha muestra la llamada polarización automática, que consiste en añadir Rk al cátodo, y que al circular la corriente Ia produce una caída de tensión que pone a la rejilla con tensión negativa respecto al cátodo. La tensión de funcionamiento de este triodo sería la diferencia de potencial entre placa y cátodo, Vak y que en los manuales llaman Va, lo cual crea confusión.

Si la rejilla está en su zona de funcionamiento normal, esto es, Vg< 0, entonces la corriente que circula por la misma es prácticamente cero. Por tanto, la corriente anódica equivale a la corriente de cátodo. Siguiendo el camino desde placa a cátodo por el circuito obtenemos la expresión de Vak:

Vak = -Ia Ra +B - Ia Rk = B - Ia (Ra + Rk)

Según esta ecuación, si disminuimos los valores de las resistencias Ra, Rk, entonces aumenta la tensión Vak. Pero no podemos determinar cual es su valor exacto, puesto que la corriente de placa (Ia) también aumenta algo, y necesitamos consultar las familias de curvas Vak-Ia para poder determinar con una aproximación razonable el punto de polarización.

¿Qué se entiende por punto de polarización? En cualquier dispositivo electrónico del tipo válvula o transistor bipolar, Bipolar Junction Transistor), o transistor monopolar (FET, MOSFET, IGFET) se consideran "dos tipos" de corrientes, o generalizando, dos tipos de señales eléctricas. Por un lado las que se pueden considerar contínuas, que no tienen componente alterna, y por otro las señales alternas puras, sin componente contínua. Precisamente éstas últimas son las que configuran el punto de polarización. En el anterior circuito, cuando la señal de entrada por la rejilla es nula, se dice que el triodo está en reposo, aunque la corriente de placa no valga cero. Esto es porque en ese triodo, circulan sólo corrientes contínuas y por tanto las tensiones también son constantes en el tiempo, y diremos que son las de polarización.

3. El tetrodo

El triodo tiene algunos inconvenientes, como su elevada capacidad rejilla-placa (Cga) que limita su funcionamiento a frecuencias altas, pudiendo originar que una etapa amplificadora oscile a causa de la realimentación que se produce a través, precisamente de la capacidad interna Cga.

Para remediar esto, se inserta un nuevo electrodo, la rejilla pantalla, situada entre la rejilla de control y la placa. Está formada por una hélice de conductor fino, siendo el espacio entre las espiras consecutivas muy grandes en relación con el diámetro del conductor, de manera que no obstaculiza el paso de los electrones hacia la placa.

La rejilla pantalla, que abreviadamente se denomina "pantalla", tiene una conexión a tal efecto en el exterior del tubo en forma de pin, al igual que todos los demás electrodos de la válvula.

La rejilla pantalla (screen grid) tiene un potencial positivo respecto al cátodo en condiciones normales de funcionamiento, y para señales alternas se desacopla con un condensador de capacidad suficientemente grande. La pantalla constituye un blindaje eléctrico (shield) entre rejilla y placa, y la capacidad que forman ambos electrodos queda muy disminuida. En el triodo, Cga es del orde de algunos pF, mientras que en el tetrodo es unas cien veces menor.

En el tetrodo, los electrones de la carga espacial están sometidos, al igual que en el triodo, a la acción de la rejilla de control. En segundo lugar, están sometidos a la acción de la placa y de la pantalla, ambas a potencial positivo respecto al cátodo. Como la pantalla está mucho más cerca del cátodo que de la placa, su acción es mucho más enérgica, teniendo en cuenta, además, el efecto blindaje de la pantalla, que aísla al cátodo de la influencia del ánodo o placa. Se puede considerar, que en el tetrodo, la corriente emitida por el cátodo está casi exclusivamente gobernada por rejilla de control y rejilla pantalla (g1 y g2), constituyendo casi un triodo virtual estos tres electrodos. Pero como la rejilla pantalla es tan fina y existe gran separación en la espiral que forma, los electrones no se detienen en este punto, sino que finalmente colisionan con el ánodo que está a potencial positivo y los recoge finalmente.

Si observamos la familia de curvas Ia=f(Va) de un tetrodo, observamos que tiene un comportamiento anómalo en la región de tensión de placa pequeña.

Esto es debido al efecto denominado "emisión secundaria" de electrones por parte del ánodo, que consiste en que al llegar al ánodo un electrón con una velocidad muy grande, provoca el desprendimiento de algunos electrones, pudiendo suceder que se desprendan mayor número de electrones de los que llegan. Estos electrones desprendidos por emisión secundaria, son atraídos por la rejilla pantalla, que está a una mayor tensión positiva que la placa. A medida que aumenta la tensión de placa, el fenómeno va disminuyendo hasta su desaparición.

Debido a la emisión secundaria, el tetrodo es inutilizable a efectos prácticos en la zóna anómala de funcionamiento, es decir, a tensiones de placa bajas. Para mejorar el comportamiento del tetrodo, se inventó el tetrodo de haces dirigidos (beam tetrode)

El tetrodo como se ha descrito anteriormente no es una válvula utilizada, en su lugar se emplea el de haces dirigidos que presenta características muy similares a las del pentodo, habiéndose suprimido el inconveniente de la emisión secundaria de electrones mediante unas placas deflectoras conectadas interiormente al cátodo de la válvula, que canalizan el flujo de electrones hacia la placa en unos haces en los que la concentración de estas partículas es muy elevada, y es tan grande el campo eléctrico generado que basta para repeler nuevamente hacia el ánodo a los electrones generados por emisión secundaria.

Los parámetros fundamentales del tetrodo son diferentes a los del triodo, siendo su factor de amplificación m mucho mayor, así como la resistencia interna Ri.

4. El pentodo

Debido al fenómeno de la emisión sencundaria de electrones, cuando la tensión de ánodo no es suficientemente elevada, se produce la distorsión alineal que observamos en la curva de características del tetrodo. Para evitar precisamente este inconveniente, se inventó un nuevo dispositivo llamado pentodo, al que se le añadió un nuevo electrodo entre ánodo y rejilla pantalla, llamado rejilla supresora (g3). Para que la rejilla supresora cumpla su cometido, tiene que estar al mismo potencial que el cátodo, o sea, negativo con respecto a la placa. Como cátodo y rejilla supresora tienen que estar al mismo potencial, los pentodos tienen estos dos electrodos habitualmente conectados internamente, y hay otros modelos que no incluyen la conexión interna para posibilitar que rejilla supresora y cátodo no estén a la misma tensión, que algunos circuitos especiales requieren.

El funcionamiento del pentodo es similar al del tetrodo, con la diferencia de que la inclusión de la rejilla supresora evitará que los electrones secundarios emitidos por la placa lleguen a la rejilla pantalla (g2). Los electrones que parten del cátodo, lo hacen con una elevada energía cinética, y atraviesan el campo eléctrico de la rejilla supresora con relativa facilidad, a pesar de estar a potencial negativo. Los electrones originados por emisión secundaria, procedentes del ánodo, poseen una energía cinética menor, y en su trayecto hacia el cátodo se encuentran con la barrera electrostática que forma la rejilla supresora, que está a potencial negativo, y es suficiente para rechazarlos de nuevo hacia la placa, que está a potencial positivo.

Como consecuencia, se elimina el efecto de emisión secundaria, y la familia de curvas f(Va)=Ia aparecen libres de la distorsión anómala que padece el tetrodo. Observemos la curva del pentodo. Cuando la tensión de placa (Va) es pequeña, la corriente Ia es muy sensible a los cambios de Va, y aumenta rápidamente a medida que aumentamos la tensión de placa. Cuando Va alcanza los 50 voltios, aproximadamente, un aumento de Va no produce apenas cambios en la corriente de placa. La curva permanece horizontal, y por mucho que aumentemos Va, la corriente permanece prácticamente constante. Esto tiene un comportamiento muy similar a lo que en teoría de circuitos se conoce como "fuente de corriente". Por otra parte, las curvas del pentodo son de unas características muy similares a las que muestran los dispositivos semiconductores BJT (Bipolar Junction Transistor), o transistores bipolares.

Al eliminar la zona anómala que tenía el tetrodo, se extiende la zona útil de funcionamiento del dispositivo hasta las bajas tensiones de placa, y además, debido a la inclusión de la rejilla supresora, el efecto blindaje entre placa y rejilla de control es aún mayor, y como consecuencia disminuye la capacidad que forman ambos electrodos (Cga) y que es del orden de la milésima de picofaradio. También aumenta la resistencia interna, puesto que la curva es casi horizontal cuando Va>50 voltios, puesto que Ri = dVa/dIa y el cociente es muy pequeño en esta expresión. Otro tanto ocurre con el factor de amplificación, que es muy elevado en los pentodos.

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