Las válvulas de vacío II

Una vez que hemos visto la manera en que podemos desarrollar por medios eléctricos el efecto termoiónico, entramos de lleno ahora en la descripción de las válvulas de vacío, las cuales fueron en su tiempo el máximo exponente del citado fenómeno físico en lo que toca a la recepción y emisión de señales de radio entre otras aplicaciones.

Comenzaremos hablando del llamado diodo termoiónico, componente muy usado en los tiempos de los receptores a válvulas como rectificador en fuentes de alimentación y demodulador de señales de R.F. entre otros aspectos, aunque aquí no acaban todas sus aplicaciones.

El diodo termoiónico, también conocido como diodo de vacío, puede considerarse la válvula más elemental y sencilla de todas las que han existido. Fundamentalmente se trata de una ampolla de vidrio completamente cerrada, dentro de la cual se ha practicado el vacío, o sea, que se le ha extraído todo el aire de su interior.

Dispone de dos electrodos, como puede deducirse de su nombre ("di-odo" del griego "dos caminos"), uno llamado ánodo y el otro llamado cátodo, tal y como ocurre en el caso del diodo semiconductor.

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Inventada por el físico británico John Ambrose Fleming a principios del siglo pasado, para muchos la invención de aquella primera válvula termoiónica supuso a la sazón el inicio de la era electrónica.

En un principio el cátodo de esta válvula estaba formado por un hilo metálico resistente, al cual se le han soldado dos hilos de un material buen conductor los cuales salen al exterior a través del cristal. Justo frente a él, dentro de la ampolla, se ha colocado una placa metálica, la cual también tiene soldado un hilo conductor que sale al exterior a través del vidrio de la ampolla.

El hilo metálico resistente se llama filamento y, solo en este caso como veremos posteriormente, hace las veces de cátodo del diodo. Es decir, en este tipo de válvula primeriza el propio filamento también es el cátodo. Por este motivo, a esta clase particular de diodo termoiónico se le conoce como diodo de caldeo directo.

La placa metálica, conocida simplemente como "placa", es el ánodo del diodo. A todo el conjunto, incluida la ampolla de vidrio, se le llama diodo termoiónico o de vacío.

Podemos ver el símbolo electrónico utilizado para representar a este diodo en la ilustración que incluimos.

Mas adelante hablaremos de otro tipo de válvula diodo perfeccionada con respecto a esta, la cual está exenta de los inconvenientes que sí tenía la primera debido a que usaba el propio filamento de cátodo, propiciando así la aparición de ciertos problemas si no se tomaban las debidas precauciones.

Tal y como hemos mencionado en la introducción, a los electrodos del diodo termoiónico se les llama de idéntica forma que a los del diodo semiconductor.

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Esto es así debido a que sus comportamientos son del todo similares en uno y en otro caso como vamos a ver a continuación.


COMPORTAMIENTO DEL DIODO DE VACÍO

Efectivamente, el diodo termoiónico realiza la misma función que un diodo de cristal o semiconductor. Por ejemplo, puede funcionar como detector, ya que solo permite el paso de corriente en un sentido.

Para comprobar esto vamos a construir un pequeño circuito con solo unos pocos componentes. Montaremos una válvula diodo junto a un amperímetro de corriente contínua con la configuración que vemos en la figura adjunta.

Al filamento (cátodo) le conectaremos una batería capaz de calentarlo lo suficiente para producir en él el efecto termoiónico, y de esta manera que sea capaz de emitir electrones abundantemente (generalmente ha de ponerse al rojo vivo).

Entre uno de los terminales del cátodo o filamento y la placa del diodo, conectaremos otra batería en serie con el amperímetro.

En principio, el borne positivo de esta otra batería, la cual es de una tensión elevada (por lo general mayor de 100 voltios), lo conectaremos a la placa a través de dicho amperímetro. El negativo de la batería lo conectaremos por su parte a uno cualquiera de los terminales del cátodo.

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Con esta batería así conectada, la placa resulta ser positiva con respecto al cátodo y produce una irresistible atracción sobre los electrones que salen de este último. El cátodo, por lo tanto, cede estos electrones a la placa a través del vacío creado dentro de la ampolla, sin que absolutamente nada se interponga en su camino.

A propósito de lo anterior cabe decir aquí que es lógico que, para que el diodo funcione correctamente, se tenga que efectuar el vacio en su interior, ya que de lo contrario las propias moléculas de aire constituirían un verdadero obstáculo para los electrones viajeros que intentasen alcanzar la placa positiva.

Si no se hiciera el vacío dentro de la ampolla de cristal los electrones bombardearían a las moléculas de aire de su interior y se verían seriamente frenados. Incluso su trayectoria se desviaría y se impediría que llegaran a su destino, la placa o ánodo, por lo que el funcionamiento del diodo sería defectuoso.

Sigamos adelante una vez aclarado el punto. De la manera que anteriormente hemos explicado, se establece un flujo de electrones que va del cátodo a la placa por dentro de la válvula y desde la placa al cátodo por el circuito exterior a esta, atravesando amperímetro y batería para acabar de nuevo en su ubicación original.

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Podemos comprobar la existencia de esta corriente eléctrica con solo mirar el amperímetro, el cual da buena cuenta de ella mediante el desplazamiento de su aguja.

Ahora vamos a invertir la polaridad de esta batería. Su polo negativo lo conectaremos a la placa de la válvula a través del amperímetro, mientras que su polo positivo lo vamos a conectar a uno de los extremos del cátodo (ver ilustración).

En estas circunstancias la placa adquiere polaridad negativa con respecto al cátodo. Los electrones que logran salir despedidos del cátodo debido al efecto termoiónico vuelven otra vez a él, ya que son repelidos por la carga negativa que la placa tiene con respecto al cátodo, al tiempo que son atraidos por este último al tener carga positiva con respecto a la placa. Los electrones no pueden en esta ocasión atravesar el vacío que separa cátodo y ánodo.

Por este motivo, ahora el amperímetro no marcará el paso de absolutamente ninguna corriente eléctrica, permaneciendo su aguja a la izquierda, señalando al cero. La intensidad de corriente a través del circuito es ahora completamente nula.

Con esto queda demostrado que el diodo termoiónico conduce interiormente solo en un sentido, desde el cátodo hacia la placa, y solo cuando al primero lo polarizamos negativamente con respecto a la segunda, que tendrá que ser positiva.


ALGUNAS CONSIDERACIONES

Cuando polarizamos al diodo de vacío de forma inversa, haciendo la placa negativa con respecto al cátodo, los electrones que salen de este último vuelven a él debido al campo eléctrico creado entre los dos electrodos. Son repelidos por el potencial negativo de la placa y atraidos por el positivo del cátodo.

En ese momento, el número de electrones que salen del cátodo es igual al número de los que vuelven a él, formándose a su alrededor una verdadera "nube de electrones", donde coexisten tanto los que salen como los que entran. A esta "nube" de cargas negativas se la conoce como "carga espacial" o "carga de espacio".

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Son precisamente los electrones de la carga espacial del cátodo los que la placa, cuando es positiva con respecto a aquél, atrae hacia ella para producir la corriente a través del diodo. A esta corriente, que pudimos medir con el amperímetro en el experimento anterior, se le conoce como corriente de placa.

Otro punto importante a tener en cuenta es que, a los diodos de caldeo directo, es decir, los que hemos estudiado hasta el momento, había que calentarle el filamento con corriente continua, ya que al ejercer este al mismo tiempo de cátodo, el rizado de la corriente alterna podía transmitirse a la corriente de placa, provocando un zumbido indeseable.

Para evitar este efecto y hacer al cátodo del diodo completamente independiente de su filamento, aparecieron los llamados diodos de caldeo indirecto.

En estos últimos tubos de vacío, el filamento queda recubierto por un pequeño cilindro metálico que resulta ser el verdadero cátodo. Este cilindro es calentado por el filamento, sin que exista ningún tipo de contacto entre ellos, y es el encargado de provocar la emisión de electrones. En este caso el filamento única y exclusivamente ejerce la función de elemento calefactor.

El funcionamiento del diodo termoiónico de caldeo indirecto es mucho más seguro y fiable que el de su predecesor. En la ilustración adjunta puedes ver su símbolo.

Aquí vamos a parar por el momento el estudio de estas válvulas termoiónicas. Como ves, la profundidad en la que nos hemos zambullido es escasa, ya que creemos que debido a que su uso en la actualidad no es masivo, un estudio más profundo de estos componentes electrónicos carecería de interés práctico.

Hasta la próxima, nos vemos aquí en Radioelectronica.es, tu punto de encuentro.

 
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