Las válvulas de vacío VIII

Artículos teóricos

Llegamos al artículo número ocho y último dedicado a las válvulas de vacío. Estudiaremos en él dos de las más usadas en su dia, junto con el triodo. Nos referimos al tetrodo y al pentodo termoiónicos.

Aunque existían válvulas de más electrodos, las mismas eran utilizadas principalmente en montajes muy específicos y particulares, por lo que creemos que con los dos tipos mencionados cumplimos ampliamente con nuestro objetivo de dar a conocer superficialmente estos antiguos componentes electrónicos.

Además, en la actualidad aún se siguen empleando tanto triodos como pentodos en ciertas aplicaciones, por ejemplo en determinados amplificadores lineales de RF. Incluso hemos podido ver algunos amplificadores de audio actuales fabricados con estos componentes ya que, según la opinión de muchos expertos en sonido, la calidad, fidelidad y limpieza que se obtiene mediante tubos de vacío es superior a la conseguida mediante el uso de semiconductores.

Sin embargo, el resto de válvulas de más electrodos han caido en completo desuso, a excepción de las que montan los receptores que se fabricaron por aquellos años y que aún continúan funcionando en la actualidad, por lo que no serviría de gran cosa escribir un artículo dedicado a ellas.

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Primero vamos a hablar un poco de un tipo de válvula con la que se podía obtener una amplificación de potencia mayor que con el triodo, a igualdad de tamaño. Bién es verdad que con los llamados "triodos de potencia" ya podian conseguirse amplificaciones considerables, pero a costa de aumentar físicamente su tamaño de manera exagerada, lo que dejaba de ser práctico.

Para conseguir una elevada potencia de salida en una etapa final se requería que el triodo manejara variaciones de tensión y corriente muy elevadas en su placa.  Debemos de tener en cuenta que la rejilla del triodo nunca debería hacerse positiva cuando se montaba como amplificador, para que la distorsión introducida no superase un determinado nivel.

Por este motivo, dicha tensión de rejilla a lo sumo podía llegar a los CERO voltios. Sin embargo, y aunque cuando la rejilla del triodo pasa por cero voltios su tensión de placa desciende a unos mínimos, esta tensión mínima no era suficientemente baja, y aquí es donde residía el problema.

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La anterior era una de las grandes limitaciones del triodo, ya que para cero voltios en su rejilla la tensión de placa en ocasiones no bajaba de 150 voltios en los triodos de potencia. Esto hacía que el tramo de tensiones de funcionamiento en la placa de estas válvulas comenzara a partir de esa tensión y terminara con tensiones todavía más altas durante la actividad normal.

El proyecto de los investigadores era reducir esta tensión mínima en placa cuando la rejilla estuviera a cero voltios y aumentar de esta manera el tramo de tensiones que la válvula era capaz de manejar en este electrodo. No es lo mismo que la válvula trabajara desde 100 hasta 160 voltios, lo que supone una variación de solo 60 voltios, a que lo hiciera desde 40 a 160 voltios, con lo que podíamos obtener una variación de salida de hasta 120 voltios, que es justo el doble.

Bién es verdad que la tensión de placa podía aumentarse por arriba hasta llegar incluso a los 600 voltios y más en algunos casos, con lo que se conseguía un intervalo de tensiones superior. Sin embargo, esto traía como consecuencia que la válvula tuviera que disipar una potencia excesiva. Recordemos que la potencia de disipación se obtiene mediante la fórmula "P = V x I", lo cual significa que cuanto más alta sea la tensión (V), más alta será la potencia disipada (P).

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Estos altos niveles de potencia ponían en peligro la integridad de la válvula ya que la placa se calentaba en exceso por el bombardeo de electrones que sufría con tan altas tensiones, llegando en algunos casos límite a ponerse al rojo vivo e incluso fundirse si el diseño del circuito no era cuidadoso.

Esto último es lo que obligaba a los fabricantes a construir triodos de potencia de grandes dimensiones, con placas de un tamaño muy generoso, con la idea que pudieran disipar la mayor cantidad de calor posible. Una placa de más tamaño significaba que podía transmitir más calor al medio ambiente, y por lo tanto expulsarlo de la válvula más fácilmente.

La solución a este problema comenzó a vislumbrarse cuando a alguien se le ocurrió la felíz idea de añadirle una segunda rejilla al triodo, por lo que aquella válvula cambió de nombre a uno más adecuado a su nueva estructura y se le llamó "tetrodo", del griego "cuatro caminos". ¿Que función ejercería esta segunda rejilla y como se conectaba?.

LA IDEA DEL TETRODO
Con la adición de la segunda rejilla al triodo se deseaba mejorar considerablemente el rendimiento de la válvula. El plan era conectar la nueva rejilla, que se quedó en llamar "rejilla pantalla" quedando la denominación de la primera como "rejilla de control", a un potencial positivo. Lo que se esperaba conseguir era un tetrodo ideal, una válvula perfecta.

Los científicos pensaron de la siguiente manera. Al estar más cerca del cátodo que la propia placa, la rejilla pantalla ejercerá un mayor dominio sobre los electrones, los cuales se verán sometidos a una pre-aceleración que hará que el potencial de la placa no tuviera que ser tan elevado cuando la rejilla de control pasara cerca de los cero voltios.

La rejilla pantalla se construía de manera que, vista desde el cátodo, fuera algo parecido a "la sombra" de la rejilla de control. Los electrones, durante su éxodo hacia la placa, "no ven" a la rejilla pantalla aunque si que notan su influencia.

De esta manera, la circulación de electrones no se ve afectada por la presencia física de la rejilla adicional, sino solo por el campo eléctrico de la tensión positiva que se le aplica. Podemos decir que los electrones "se cuelan" entre los hilos de la rejilla pantalla y continúan su camino hacia la placa.

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Teóricamente, con tensiones de placa reducidas, las intensidades de corriente a su través deberían ser mucho más elevadas en el tetrodo que en el triodo gracias a la acción de la rejilla pantalla, con lo que se aprovecharía bastante más el tramo de funcionamiento lineal de la válvula y como consecuencia, se podrían obtener mayores potencias de salida con tamaños más pequeños del componente, ya que la potencia de disipación de la válvula bajaría de forma importante al no tener que soportar tan altas tensiones en su placa.

Los científicos se las prometían muy felices. Sin embargo, se dieron de bruces contra la realidad. El tetrodo no funcionaba como habían deducido en la teoría. ¿Por qué?.

LA EMISIÓN SECUNDARIA
Una vez que todo quedó preparado comenzaron las pruebas con el tetrodo, y se vió algo con lo que no se había contado. Mientras la tensión de placa se mantuviera por encima de la de la rejilla pantalla todo iba sobre ruedas. Sin embargo, y a pesar de que precisamente la idea era usar tensiones de placa menores a las que se utilizaban en el triodo, cuando eso ocurría parecía que los electrones se volvían locos.

Efectivamente esa era la impresión, ya que particularmente existe un tramo de funcionamiento del tetrodo en el que al aumentar la tensión de placa, la intensidad a través de la válvula baja en vez de subir y viceversa, es decir, al disminuir la tensión de placa la intensidad sube en vez de bajar.

Esto era justo lo contrario a lo que exponían todas las teorías existentes hasta el momento. Lo lógico era que al aumentar la tensión positiva de la placa, manteniendo la rejilla de control a cero voltios y la rejilla pantalla a un potencial fijo, la corriente a través del tetrodo aumentara, no disminuyera. Al mismo tiempo, si la tensión de placa disminuye, la intensidad debe bajar, no subir. Para que puedas entender esto mejor, hemos incluido un gráfico de lo que se esperaba encontrar con el tetrodo ideal y lo que se encontraron con el tetrodo real.

¿Por qué demonios ocurría esto? La razón debemos buscarla en un fenómeno llamado "emisión secundaria", el cual no es exclusivo del tetrodo ya que también ocurre en el triodo, solo que en este último su efecto es nulo por las razones que vamos a explicar a continuación.

Como hemos estudiado en artículos anteriores, sabemos que cuando calentamos un metal a altas temperaturas se produce una emisión de electrones. Es el llamado efecto termoiónico ¿recuerdas?. Como sabes, el cátodo de las válvulas de vacío trabaja bajo este principio. Sin embargo, la emisión de electrones en un metal puede producirse por otros motivos distintos al calentamiento, por ejemplo por el llamado "bombardeo de electrones".

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Pensemos lo que ocurre cuando un electrón, lanzado a gran velocidad desde el cátodo de un tetrodo, alcanza la placa. Lo más probable es que al llegar penetre en el metal y colisione contra la estructura atómica del electrodo receptor. El electrón, debido a estas colisiones, perderá la energía dinámica que contenía, pero no sin producir cierto efecto en los electrones de la placa.

Debido a la gran velocidad de penetración, el electrón que llega a la placa producirá una serie de violentos choques con otros electrones, de manera que alguno de estos últimos se verán impulsados a abandonar el metal y serán arrojados al exterior. Para ilustrarlo puedes imaginarte el efecto de la salida de un juego de billar americano. Mira el siguiente video.

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Como puedes apreciar en el vídeo, la violencia del choque hace que las bolas que en principio ocupaban un sitio en el centro de la mesa salgan disparadas en distintas direcciones. Lo mismo ocurre con el electrón que bombardea la placa. Si ahora pensamos que la placa no está bombardeada por un solo electrón sino por millones de ellos, podemos hacernos una idea del efecto que esto causa en el tetrodo.

Debido a este bombardeo desde el cátodo, se produce una emisión de electrones que parte desde la placa. Es la llamada "emisión secundaria". Dicha emisión secundaria se opone a la corriente normal a través de la válvula ya que tiene sentido contrario. Sin embargo, mientras la tensión de placa sea más alta que la tensión de la rejilla pantalla los "electrones secundarios" tienden a volver de nuevo al ánodo, debido a la mayor atracción que ejerce sobre ellos el campo eléctrico producido por una tensión superior en dicho electrodo. En este caso no se nota su efecto.

No obstante, con tensiones anódicas bajas, la emisión de electrones secundarios no vuelve a la placa, ya que ahora la tensión de rejilla pantalla es superior. Entonces dichos electrones secundarios son atraidos por la rejilla pantalla y absorbidos por ella, con lo que la intensidad de corriente anódica baja de forma considerable al principio del tramo de funcionamiento de la válvula, con tensiones bajas de placa.

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En el triodo también existe la emisión secundaria. Sin embargo su efecto es nulo, ya que el electrodo al que se dirigen los electrones secundarios es la rejilla de control, la cual está polarizada negativamente. Por lo tanto, dichos electrones secundarios son "rechazados" y de nuevo ponen camino hacia la placa, lugar de donde salieron. El efecto en el triodo por lo tanto queda completamente cancelado, y la corriente anódica no experimenta ninguna reducción.

¿Como solucionar el problema  de la emisión secundaria del tetrodo? Aunque existían un par de soluciones válidas, la más usada era la adición de una tercera rejilla al tetrodo, con lo que se convirtió en una válvula de cinco electrodos. Su denominación cambió al cambiar su estructura y se le llamó válvula "pentodo", lo que en griego significa "cinco caminos".

EL PENTODO ~ LA TERCERA REJILLA
La adición de una nueva rejilla al tetrodo solucionó por completo el problema de la emisión secundaria. Esta rejilla se situó entre la placa y la propia rejilla pantalla, y estaba conectada directamente al cátodo de la válvula por lo que siempre permanecía negativa con respecto a la placa.

Tal y como ocurrió con la rejilla pantalla, el nuevo electrodo llamado "rejilla supresora", se situó como si fuera la sombra de la anterior. Si pudiésemos mirar a la placa desde el cátodo solo veríamos la rejilla de control y la placa al fondo, ya que tanto la rejilla pantalla como la supresora quedaban ocultas físicamente por la primera rejilla, notándose solo los efectos que producían.

Y hablando de efectos, la rejilla supresora no le afecta para nada a los electrones primarios que salen del cátodo, ya que estos han adquirido tal velocidad gracias a la aceleración producida por la rejilla pantalla que pasan a su través como una exhalación.

No ocurre lo mismo con los electrones secundarios, los cuales son mucho mas lentos al salir de la placa, por lo que el campo eléctrico negativo de la rejilla supresora los repele y los vuelve a introducir en la placa de nuevo. Podemos decir que la nueva rejilla "suprime" a los electrones secundarios, de ahí su nombre, y los empuja otra vez hacia el ánodo de donde salieron.

Lo habitual era que la rejilla supresora estuviera conectada internamente al cátodo del pentodo, pero había circunstancias especiales que hacían necesario que no fuera así, dejándose libre en algunas válvulas la conexión de la supresora para determinadas aplicaciones específicas.

Ahora sí que se había conseguido una válvula que cumplía perfectamente con las espectativas que se tenían en un principio. Su rendimiento era bastante superior al del triodo al usar tramos de amplificación con tensiones de placa muy bajas, del orden de los 30 o 40 voltios en algunos casos.

No obstante, en las aplicaciones que necesitaban una gran amplificación, se seguían fabricando pentodos de gran tamaño para poder disipar el calor producido por la potencia desarrollada.

El otro método de supresión de la emisión secundaria, menos utilizado, consitía en añadir al tetrodo, en lugar de la rejilla supresora, dos "placas concentradoras" conectadas al cátodo. Estas placas envuelven casi por completo al cátodo, a la rejilla de control y a la rejilla pantalla, dejando solo unas pequeñas aberturas por las que los electrones alcanzan la placa.

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Esta configuración obliga a los electrones primarios que salen del cátodo a concentrarse formando haces muy densos, lo que produce una fuerza tal que es capaz de "empujar" a los electrones secundarios impidiendo que estos abandonen la placa.

Como esta última válvula continúa teniendo solo dos rejillas, se considera que solo tiene cuatro electrodos y por lo tanto se le sigue denominando tetrodo. Su nombre específico es "tetrodo de haces dirigidos".

Con este artículo damos por terminado el estudio de las válvulas de vacío o termoiónicas. Esperamos que hayas disfrutado con su lectura tanto como nosotros lo hemos hecho al desarrollarlos. Si lo deseas, puedes dejarnos un comentario.

 
C O M E N T A R I O S   
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RE: Las válvulas de vacío VIII

#2 gerardo » 16-05-2013 06:11

es una excelente informacion referente a dichas valvulas, esperemos que mejoren circunstancialmente los canales de radio, sobre todo que no sean necesariamente los locales.

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completisimo y muy facil de entender

#1 ivan » 03-05-2013 14:32

Maravilloso!!, didactico y muy facil de asimilar.

Por favor, usa el sistema de comentarios de manera responsable.

Puedes hacer consultas, exponer tus dudas, solicitar ayuda y añadir información adicional sobre el tema tratado en el artículo.

Muchas gracias de antemano por tu colaboración.

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