cátodo frío

Un cátodo frío ^{[ 1 ]} es un cátodo que no se calienta eléctricamente mediante un filamento . ^{[ nota 1 ]} Un cátodo puede considerarse "frío" si emite más electrones de los que puede suministrar únicamente mediante emisión termoiónica . Se utiliza en lámparas de descarga de gas , como lámparas de neón , tubos de descarga y algunos tipos de tubos de vacío . El otro tipo de cátodo es un cátodo caliente , que se calienta mediante una corriente eléctrica que pasa a través de un filamento . Un cátodo frío no necesariamente funciona a baja temperatura: a menudo se calienta a su temperatura de funcionamiento mediante otros métodos, como el paso de la corriente del cátodo al gas.

Un tubo de vacío de cátodo frío no requiere el calentamiento externo de un electrodo para producir la emisión termoiónica de electrones. Entre los primeros dispositivos de cátodo frío se encuentran el tubo de Geissler , el tubo de Plucker y los primeros tubos de rayos catódicos . El estudio de los fenómenos en estos dispositivos condujo al descubrimiento del electrón.

Las lámparas de neón se utilizan tanto para producir luz como indicadores y para iluminación de propósito especial, como también como elementos de circuito que muestran resistencia negativa . La adición de un electrodo de disparo a un dispositivo permitió que la descarga luminiscente se iniciara mediante un circuito de control externo; los Laboratorios Bell desarrollaron un dispositivo de cátodo frío con "tubo de disparo" en 1936. ^{[ 2 ]}

Se desarrollaron muchos tipos de tubos de conmutación de cátodo frío, incluyendo varios tipos de tiratrón , el krytrón , pantallas de cátodo frío ( tubos Nixie ) y otros. Los tubos reguladores de voltaje se basan en el voltaje relativamente constante de una descarga luminiscente en un rango de corriente y se usaban para estabilizar los voltajes de la fuente de alimentación en instrumentos basados ​​en tubos. Un dekatrón es un tubo de cátodo frío con múltiples electrodos que se usa para contar. Cada vez que se aplica un pulso a un electrodo de control, una descarga luminiscente se mueve a un electrodo de paso; al proporcionar diez electrodos en cada tubo y conectarlos en cascada, se puede desarrollar un sistema de contador y observar el conteo por la posición de las descargas luminiscentes. Los tubos contadores se usaron ampliamente antes del desarrollo de los dispositivos contadores de circuitos integrados .

El tubo de flash es un dispositivo de cátodo frío lleno de gas xenón , que se utiliza para producir un pulso de luz corto e intenso para fotografía o para funcionar como estroboscopio y examinar el movimiento de piezas móviles.

El cátodo es el electrodo negativo. Cualquier lámpara de descarga de gas tiene un electrodo positivo (ánodo) y un electrodo negativo. Ambos electrodos alternan entre actuar como ánodo y cátodo cuando estos dispositivos funcionan con corriente alterna .

Un cátodo frío se distingue de un cátodo caliente , que se calienta para inducir la emisión termoiónica de electrones . Los tubos de descarga con cátodos calientes tienen una envoltura llena de gas a baja presión y contienen dos electrodos. Entre los dispositivos de cátodo caliente se incluyen los tubos de vacío comunes , las lámparas fluorescentes , las lámparas de descarga de alta presión y las pantallas fluorescentes de vacío .

La superficie de los cátodos fríos puede emitir electrones secundarios en una proporción mayor que la unidad (ruptura electrostática). Un electrón que sale del cátodo colisiona con moléculas de gas neutras. La colisión puede simplemente excitar la molécula, pero a veces libera un electrón para crear un ion positivo. El electrón original y el electrón liberado continúan su trayectoria hacia el ánodo y pueden crear más iones positivos (véase avalancha de Townsend ). Como resultado, por cada electrón que sale del cátodo, se generan varios iones positivos que finalmente chocan contra él. Algunos de estos iones positivos pueden generar un electrón secundario. La descarga es autosostenible cuando, por cada electrón que sale del cátodo, suficientes iones positivos impactan contra él para liberar, en promedio, otro electrón. Los circuitos externos limitan la corriente de descarga. Las lámparas de descarga de cátodo frío utilizan voltajes más altos que las de cátodo caliente. El fuerte campo eléctrico resultante cerca del cátodo acelera los iones a una velocidad suficiente para crear electrones libres a partir del material del cátodo.

Otro mecanismo para generar electrones libres a partir de una superficie metálica fría es la emisión de electrones de campo . Se utiliza en algunos tubos de rayos X , en el microscopio electrónico de campo (FEM) y en las pantallas de emisión de campo (FED).

Los cátodos fríos a veces tienen un recubrimiento de tierras raras para mejorar la emisión de electrones. Algunos tipos contienen una fuente de radiación beta para iniciar la ionización del gas que llena el tubo. ^{[ 5 ]} En algunos tubos, la descarga luminiscente alrededor del cátodo suele minimizarse; en su lugar hay una llamada columna positiva, que llena el tubo. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ nota 2 ]} Ejemplos son la lámpara de neón y los tubos Nixie . Los tubos Nixie también son pantallas de neón de cátodo frío que son dispositivos de visualización en línea, pero no en el plano.

Los dispositivos de cátodo frío suelen utilizar una fuente de alimentación de alto voltaje compleja con algún mecanismo para limitar la corriente. Si bien la creación de la carga espacial inicial y el primer arco de corriente a través del tubo puede requerir un voltaje muy alto, una vez que el tubo comienza a calentarse, la resistencia eléctrica disminuye, aumentando así la corriente eléctrica que circula por la lámpara. Para contrarrestar este efecto y mantener el funcionamiento normal, el voltaje de alimentación se reduce gradualmente. En el caso de tubos con gas ionizante, el gas puede convertirse en un plasma muy caliente , y la resistencia eléctrica se reduce considerablemente. Si se alimentaran con una fuente de alimentación simple sin limitación de corriente, esta reducción de la resistencia dañaría la fuente de alimentación y provocaría el sobrecalentamiento de los electrodos del tubo.

Fotografía de una lámpara fluorescente compacta (CFL) iluminada del tipo cátodo frío.

Una lámpara fluorescente compacta (CFL) de cátodo frío iluminada

Los cátodos fríos se utilizan en rectificadores de cátodo frío , como el crossatrón y las válvulas de arco de mercurio , y en amplificadores de cátodo frío , como en sistemas de contabilización automática de mensajes y otras aplicaciones de conmutación por pseudochispa . Otros ejemplos incluyen los tubos tiratrón , krytrón , sprytrón e ignitrón .

Una aplicación común de las lámparas de cátodo frío es en letreros de neón y otros lugares donde es probable que la temperatura ambiente descienda muy por debajo del punto de congelación. La Torre Elizabeth del Palacio de Westminster utiliza iluminación de cátodo frío detrás de las esferas del reloj, donde el continuo golpeteo y la falta de golpeteo en clima frío serían indeseables. En el pasado se fabricaron lámparas fluorescentes de cátodo frío (CCFL) de gran tamaño, y todavía se utilizan hoy en día cuando se requieren fuentes de luz lineales con forma y de larga duración. A partir de 2011Las lámparas CCFL en miniatura se utilizaron ampliamente como retroiluminación para pantallas de cristal líquido de computadoras y televisores . La vida útil de las lámparas CCFL varía en los televisores LCD dependiendo de las sobretensiones transitorias y los niveles de temperatura en los entornos de uso.

Debido a su eficiencia, la tecnología CCFL se ha extendido a la iluminación de habitaciones. Los costos son similares a los de la iluminación fluorescente tradicional , pero con varias ventajas: tiene una larga vida útil, la luz emitida es más agradable a la vista , las bombillas se encienden instantáneamente a máxima potencia y también son regulables. ^{[ 8 ]}