Las válvulas de vacío IV
Cuarto artículo de esta serie, en la que estamos haciendo una leve incursión en el mundo de las válvulas de vacío. En esta ocasión hablaremos sobre el triodo termoiónico, aunque como ya hemos dicho hasta la saciedad, sin apenas profundizar en su estudio por las razones ya comentadas.
Es interesante resaltar la importancia que adquirió la electrónica hace unos pocos años con la invención del triodo, no solo en lo que concierne a la emisión y recepción de señales electromagnéticas, sino a todo un abanico de aplicaciones que llegarían con el tiempo. Podría decirse con respecto a aquel acontecimiento histórico, que la electrónica es una ciencia que vió la luz con dicho descubrimiento.
Particularmente en lo que toca a la radio, con solo una válvula triodo podía conseguirse fabricar un receptor con una sensibilidad extraordinaria para su época, con el que a la sazón, los radioaficionados de entonces disfrutaron como cosacos, aunque a decir verdad, su selectividad no era muy encomiable.
Se trata del llamado "receptor a reacción", mejorado posteriormente para la gama de VHF con el circuito "super-regenerativo" o de "super-reacción", ambos inventados por el ingeniero norteamericano Edwin Howard Armstrong.
De todo ello, y mucho más, hablaremos a continuación. ¿Te apuntas?.
Comercialmente hablando, en un principio se lanzaron al mercado los receptores de radiofrecuencia sintonizada. Aunque con una sensibilidad y selectividad aceptables, su circuitería no permitía grandes florituras.Sin embargo, el verdadero rey de los receptores llegó con la invención del superheterodino, también inventado por Armstrong, el mejor de todos los sistemas de recepción ideados por el hombre. Este receptor perdura hasta nuestros dias, lógicamente con una serie de mejoras añadidas con el paso del tiempo, aunque la base de su funcionamiento se mantiene inalterable.
El principio del superheterodino se usa hoy dia prácticamente en cada aparato que incorpora un receptor de ondas electromagnéticas, ya sea un teléfono DECT o uno GSM, ya se trate del adaptador WI-FI de un ordenador o de un receptor satélite digital, ya sea que estemos hablando de un simple receptor portátil de FM o de un televisor con TDT de alta definición incorporado, y por supuesto también en los equipos de radioaficionados, sean estos decamétricas o walkies de VHF, e incluso en los PMR de uso libre. Y todo ello comenzó con el triodo termoiónico.
LA VÁLVULA TRIODO
Comenzamos a partir de este momento a desgranar, o por lo menos a repasar, el funcionamiento de la válvula termoiónica que abrió el camino para el desarrollo de esta ciencia llamada electrónica.
Hasta ahora hemos visto únicamente las válvulas electrónicas de dos electrodos.
No obstante, allá por el año 1906, el inventor estadounidense Lee De Forest añadió un tercer electrodo a la válvula diodo, al que se llamó rejilla de control o simplemente rejilla, situada entre la placa y el cátodo.
Normalmente, la rejilla adquiría la forma de un muelle o espiral de hilo metálico que rodeaba al cátodo.
La rejilla, al igual que los demás componentes del triodo, se conectaba mediante un conductor a una de las patas de conexión de la ampolla de vidrio que encerraba todo el dispositivo.
La composición básica interna de esta válvula la podéis ver en la ilustración de la izquierda.
Algo importante a tener en cuenta es que no había contacto físico entre electrodos, es decir, que ni la placa ni el cátodo ni la rejilla se tocaban entre si internamente.
Para que puedas hacerte una idea de la estructura física que tiene un triodo, puedes echarle un vistazo a la ilustración adjunta de la derecha.
Observa bien este gráfico. Se trata de un triodo cortado longitudinalmente, en el que podemos apreciar perfectamente cada uno de sus componentes.
La ilustración nos habla en detalle por sí sola sobre como está construida esta válvula electrónica aunque bién es verdad que llegaron a existir muchos tipos y modelos de triodos, cada uno de los cuales estaba pensado para una aplicación determinada.
Sin embargo, básicamente la estructura de cualquiera de los tipos de triodo termoiónico que pudieran haberse fabricado eran similares a la que estamos mostrando en este dibujo, y solo se diferenciaban unos de otros quizás en algunos pequeños detalles que no modificaban en nada su funcionamiento básico.
El símbolo electrónico que se usa para representar el triodo es practicamante el mismo que se usa para el diodo, con la particularidad de que se le ha añadido entre placa y cátodo una linea de trazos discontinua.
Si comparamos este símbolo con la ilustración anterior del corte longitudinal de la válvula, podemos apreciar la similitud que existe entre ambos. Por lo tanto, podemos mirar el símbolo del triodo desde un punto de vista estructural, y a partir de dicho símbolo estudiar su comportamiento.
La misión de la rejilla no es exactamente interrumpir el paso de los electrones, cosa esta última que si haría si fuese maciza, en cuyo caso hemos de decir que no serviría absolutamente para nada.
Precisamente por esta última razón se construye en forma de reja o espiral, para que deje pasar a los electrones que salen del cátodo en su camino hacia la placa a través de los espacios libres que existen en ella, siempre que se cumplan una serie de requisitos de los que vamos a hablar a continuación.
Pero, si la misión de la rejilla no es parar a los electrones... ¿Para que la hemos puesto ahí?. ¿Para que demonios sirve este electrodo?. ¿Cual es su utilidad?.
FUNCIONAMIENTO BÁSICO
Es realmente algo complicado explicar como funciona un triodo sin acudir al estudio de las curvas características de la válvula, y con ellas a las matemáticas. Sin embargo, vamos a intentar hacerlo mediante la exposición y el estudio de un circuito muy simplificado, reduciendo los componentes que intervienen en él a la mínima expresión, dejando solo aquellos que nos permitirán la comprensión de su funcionamiento básico.
A este respecto, los lectores deben entender que no es nuestra intención hacer de este blog una escuela de ingeniería, y que por lo tanto, aún tratando de conservar cierto rigor científico, no vamos a entrar en detalle en el estudio de este componente electrónico, y solo vamos a tocar el tema superficialmente.
En un principio, para estudiar el comportamiento del triodo y vislumbrar su utilidad vamos a necesitar polarizarlo adecuadamente. Fíjate en el esquema que hemos representado a continuación.
Aunque a priori te resulte confuso, no te preocupes porque no será nada complicado de entender, ya lo verás. Primero nos gustaría describir someramente el circuito, y seguro que dentro de un momento te parecerá muy sencillo.
Hemos cogido un triodo, dos voltímetros (V1 y V2), un potenciómetro (P), una resistencia (R) y tres baterías (V1, V2 y V3). La batería B2 alimenta el filamento de la válvula. La batería B3 polariza la placa del triodo con una tensión positiva con respecto al cátodo, mediante la resistencia R. Y la batería B1 está conectada directamente al potenciómetro P, que a su vez aplica una parte o toda la tensión de aquella a la rejilla de la válvula, dependiendo de la posición del cursor, haciéndola negativa con respecto al cátodo. Así están las cosas.
A continuación vamos a aplicar diferentes tensiones a la rejilla ajustando cada vez el potenciómetro P y, en cada momento, mediremos la tensión que obtenemos en la placa para una tensión de rejilla dada. Queremos aclarar que estos parámetros probablemente no sean exactos y que nuestro objetivo es únicamente hacer entender al lector el funcionamiento básico del triodo.
Supongamos que la d.d.p. de la batería B1 es de 10V, y la de la batería B3 aplicada a la placa es de 250V. Ahora ajustamos el potenciómetro al mínimo. En esas condiciones aplicamos a la rejilla cero voltios, el voltímetro V1 no señala absolutamente nada, con lo que el triodo se comporta como un simple diodo y conduce a plenitud. La corriente a su través es máxima y también la caida de tensión que esta corriente provoca en la resistencia R, la cual ronda los 200V. La tensión en la placa es de unos 50V y así lo podemos ver gracias al voltímetro V2.
Iniciamos nuestro experimento suministrándole tensión negativa a la rejilla. Comenzaremos aplicándole -1V ajustando para ello el cursor del potenciómetro. Esta tensión negativa hace que los electrones que salen del cátodo sientan cierto rechazo y que algunos de ellos retornen de nuevo a él. La corriente a través del diodo se reduce y consecuentemente también se reduce la caida de tensión en la resistencia R que pasa a ser de 180V. Por contra, la tensión en la placa del diodo ha aumentado a 70V.
El que en este caso la tensión de placa aumente es perfectamente lógico, ya que esa rama del circuito solo tiene dos componentes, además de la batería B3. Uno es la resistencia y el otro el propio triodo (cátodo y placa). Si la caida de tensión en la resistencia R baja porque la intensidad de corriente que pasa a su través ha disminuido, la tensión cátodo-placa del triodo forzosamente ha de subir, ya que la suma de ambas tensiones (la de la resistencia + la de la placa del triodo) debe ser justo la tensión de la batería B3.
Ahora aumentamos la tensión de rejilla, en esta ocasión a -2V. Los electrones que salen del cátodo notan que la tensión de rejilla ha aumentado de nuevo. Como consecuencia, una cantidad mayor de ellos regresan a su origen, el cátodo, repelidos por dicha tensión negativa. La corriente a través del triodo disminuye, con lo que también se vuelve a reducir la caida de tensión en la resistencia, en esta ocasión a 160V. La tensión en la placa del diodo sube otra vez, ahora a 90V.
Podemos repetir este proceso de aumentar voltio a voltio la tensión negativa de la rejilla del triodo, y veremos que a cada voltio negativo de aumento en la reja corresponderá una disminución de 20 voltios de la d.d.p. que está presente en bornes de la resistencia R debido al descenso de la intensidad de corriente que circula por ella y, consecuentemente, un aumento de la misma magnitud de la tensión positiva placa-cátodo de la válvula.
Cuando la tensión de la rejilla alcance los 10 voltios negativos la válvula dejará de conducir, ya que todos los electrones que salen del cátodo serán repelidos de nuevo hacia él por el fuerte rechazo que les provoca la elevada tensión negativa de la rejilla. Entonces la válvula entra en estado de corte, la caida de tensión en la resistencia R será nula ya que no circulará corriente alguna a través de ella, y la tensión en la placa de la válvula alcanzará los 250 voltios que dimanan de la batería B3 (Ver ilustración inferior).
Hemos elaborado una tabla que resume, voltio a voltio, todo el proceso descrito en los párrafos anteriores. Quizás no veas en ella nada que pueda ser de utilidad para la utilización del triodo en circuitos prácticos, pero si que lo hay.
De esta tabla podemos sacar algunas conclusiones. La primera y más interesante es que con solo variar un voltio la tensión de rejilla obtenemos una variación de 20 voltios en la placa del triodo. Esto es así porque la rejilla, al estar mucho más cerca del cátodo que la placa, ejerce una poderosa acción "repelente" sobre los electrones, repulsión que es mucho más importante que la propia atracción que la placa ejerce sobre ellos aunque esté sometida a una tensión positiva mucho más alta que la negativa de la rejilla.
Hemos obtenido por lo tanto una amplificación de tensión de 20. Efectivamente, cuando la rejilla experimenta un aumento o una disminución de 1 voltio negativo, la placa experimentará, debido a este cambio en la rejilla, un aumento o una disminución de 20 voltios positivos respectivamente. Ahora la cuestión es como aprovechar este fenómeno en un circuito real.
De la tabla deducimos además que, desde que el triodo está en estado de máxima conducción hasta que llega al estado de corte, la tensión de rejilla se modifica 10 voltios en total, y tiene un punto medio de -5 voltios, es decir, que si partimos de una polarización de rejilla de -5 voltios, tendremos de margen 5 voltios más hasta el estado de corte (-10V) y 5 voltios menos hasta el estado de máxima conducción (0V). Este dato es muy importante si queremos usar el triodo como amplificador de señales alternas, como por ejemplo amplificador de audio. Fíjate en la ilustración siguiente.
Observa como hemos colocado en serie con la bateria de polarización de la rejilla un generador de tensión alterna de 10 voltios "pico a pico". La expresión "pico a pico" se refiere a la diferencia total y absoluta entre el pico de la semionda positiva y el pico de la semionda negativa de una tensión alterna. Si no captas el significado mira la figura siguiente y repasa los conceptos que explicamos en este artículo.
Esto a su vez hace que la tensión de placa siga también a la tensión en la rejilla, pero en este caso amplificada 20 veces, lo que hace que tengamos en la placa de la válvula una tensión alterna idéntica a la de la rejilla pero con una amplitud de 200 voltios pico a pico, aunque con fase contraria (mira la ilustración siguiente y compárala con la anterior para entender lo de "fase contraria"). ¡Vaya sorpresa eeeehhh!.
Este es, muy resumido y con relativa exactitud, el funcionamiento del triodo termoiónico como amplificador. Este montaje se llama "cátodo común", ya que este electrodo forma parte tanto de la entrada como de la salida. Además, el triodo puede montarse en configuración de "rejilla común" y "placa común", lo que le hace tener unas características especiales muy útiles en determinados circuitos.
Creemos que ya basta por esta vez. Esperamos que hayas disfrutado de la lectura de este artículo, tanto como nosotros al escribirlo. Te esperamos de nuevo aquí, en Radioelectronica.es, tu punto de encuentro.