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Teoría 7 – Válvulas de vacío

2 agosto, 2013

¿Qué es una válvula de vacío y cómo funciona? ¿por qué es tan importante?

La válvula de vacío o termoiónica, actualmente en desuso excepto en aplicaciones muy concretas, es un componente electrónico que permite regular el flujo de electrones que lo atraviesan.   Conocer su relativamente sencillo funcionamiento permite comprender mejor qué son los diodos y los transistores.   Ya digo que son componentes casi obsoletos pues los semiconductores de estado sólido los han sustituido en la mayoría de las aplicaciones, aún así he creído conveniente crear esta entrada de teoría para explicar su funcionamiento; además la electrónica, tal y como la conocemos hoy en día, no habría llegado a existir de no haber sido por este componente.

Se las llama válvulas porque permiten controlar el flujo de electrones y de vacío porque se trata de ampollas de vidrio en cuyo interior se ha hecho el vacío para retrasar la destrucción de sus elementos.

Dentro de una válvula de vacío se encuentran al menos tres elementos, un filamento que al conectarse a potencial eléctrico se calienta, una placa que rodea el filamento y se comporta como un cátodo (emisor de electrones) y otra placa llamada ánodo que rodea al cátodo y recoge los electrones que salen del cátodo; en ocasiones el filamento hace también las veces de cátodo.  Al calentarse el filamento también lo hace el cátodo por estar muy cerca el uno del otro.  El cátodo se encuentra conectado a potencial negativo y por tanto está saturado de electrones, que serán emitidos y recogidos por el ánodo (conectado a potencial positivo respecto al cátodo).  El cátodo se calienta para que sus electrones estén sobreexcitados y tengan propensión a abandonar sus respectivos átomos.  Entre el cátodo y el ánodo hay simplemente “vacío”, aunque en ocasiones se inyectan pequeñas cantidades de gases por motivos técnicos.  Los electrones que salgan despedidos del cátodo atravesarán el vacío llegando al ánodo.  Pero no ocurre lo mismo si invertimos la polaridad: si colocasemos el cátodo a potencial positivo y el ánodo a potencial negativo, los electrones no serán capaces de abandonar el ánodo, pues éste se encuentra frío, y ya vemos que es requisito imprescindible que el emisor de electrones se caliente para que se pueda crear una nube de electrones.

Veamos cómo se configura internamente una válvula de vacío simple, un diodo, y cuál es su esquema eléctrico:

válvula diodo

Éste es un circuito típico con una válvula de vacío funcionando como diodo:

esquema válvula diodo

Vf es la tensión de alimentación del filamento, generalmente del orden de los 6,3 V.

Va es la tensión aplicada entre cátodo y ánodo y suele ser del orden de los 100 o 200 V.  En este caso la válvula está polarizada correctamente, es decir, el cátodo a potencial negativo y el ánodo a positivo.  De este modo la válvula conducirá electrones y alimentará la carga Rc que puede ser un motor, una lámpara, etc.)

Si invirtiéramos la polaridad de Va la válvula no conduciría y por tanto la carga no sería alimentada.

La válvula diodo tiene sentido para rectificar corrientes alternas, es decir, dejar pasar solamente los ciclos que polaricen la válvula correctamente.  Con esto y unos condensadores (otro componente del que hablaremos en breve) podremos transformar una corriente alterna en una continua.

válvula diodo rectificador

Rectificado de señal: sólo se dejan pasar los semiciclos positivos

Posteriormente a la creación de la válvula diodo apareció el triodo, igual que la anterior pero con un terminal más, la rejilla de control (ésta es una representación aproximada y el símbolo usado).

válvula triodo

La rejilla de control actúa repeliendo electrones que salen del cátodo para evitar que lleguen menos al ánodo.  La disposición de la rejilla dentro del componente (mucho más cerca del cátodo que del ánodo) hace que pequeñas tensiones entre rejilla y cátodo regulen tensiones elevadas entre cátodo y ánodo.  En un ejemplo práctico se vería así:

esquema válvula triodo

Vf y Va son las polarizaciones de filamento y de ánodo, igual que antes.  El elemento nuevo, la rejilla se polariza negativamente (Vr) con respecto al cátodo.  ¿Cómo funciona?  Los electrones que salen del cátodo y quieren atravesar el vacío para ser recogidos por el ánodo ahora se encuentran con un elemento que deben atravesar, la rejilla de control.  Si ésta es ligeramente negativa con respecto al cátodo (tiene exceso de electrones) estos impedirán que los del cátodo puedan atravesarla,  Recuerda que la rejilla está más cerca del cátodo que del ánodo, que aún así no está lo suficientemente cerca como para calentarse y emitir electrones y que las cargas del mismo signo se repelen (los electrones repelen a otros electrones).  Vr  puede ser del orden de los 3 voltios y fluctúa en función de la señal aplicada en Vin, a la que se superpone.  Vin puede ser un micrófono cuya señal se quiere amplificar y la válvula triodo es precisamente eso lo que consigue amplificar la relación entre la señal de entrada y la de salida; con una pequeña variación en la entrada obtenemos una gran variación en la salida.  La relación de esa variación es lo que se conoce como ganancia.

Además del diodo y el triodo hay más válvulas como el tetrodo con un elemento más (la rejilla de pantalla); el pentodo, con otra más que el tetrodo (la rejilla supresora)… etc.

En próximas entradas de teoría hablaré del diodo y del transistor de semiconductor.  Su principio de funcionamiento es diferente pero sus aplicaciones son similares.

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From → Electrónica

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