Tubo de salida inductivo

El tubo de salida inductivo ( IOT ) o klistrodo es una variedad de tubo de vacío de haz lineal , similar a un klistrón , utilizado como amplificador de potencia para ondas de radio de alta frecuencia . Evolucionó en la década de 1980 para satisfacer los crecientes requisitos de eficiencia de los amplificadores de RF de alta potencia en transmisores de radio . ^{[ 1 ]} El principal uso comercial de los IOT es en transmisores de televisión UHF , ^{[ 2 ]} donde han reemplazado en gran medida a los klistrones debido a su mayor eficiencia (35% a 40%) y menor tamaño. Los IOT también se utilizan en aceleradores de partículas . Son capaces de producir una potencia de salida de hasta aproximadamente 30 kW continuos y 7 MW pulsados, y ganancias de potencia de 20 a 23 dB en frecuencias de hasta aproximadamente un gigahercio . ^{[ 2 ]}  

El tubo de salida inductivo (IOT) fue inventado en 1938 por Andrew V. Haeff . Posteriormente, se le concedió una patente para el IOT a Andrew V. Haeff, la cual fue cedida a Radio Corporation of America (RCA). Durante la Feria Mundial de Nueva York de 1939 , el IOT se utilizó para la transmisión de las primeras imágenes de televisión desde el Empire State Building hasta el recinto ferial. RCA comercializó un pequeño IOT durante un breve periodo, bajo el número de modelo 825. Pronto quedó obsoleto debido a nuevos avances tecnológicos, y la tecnología permaneció prácticamente inactiva durante años.

El tubo de salida inductivo ha resurgido en los últimos veinte años tras descubrirse que posee características especialmente adecuadas (linealidad de banda ancha) para la transmisión de televisión digital y televisión digital de alta definición .

En investigaciones realizadas antes de la transición de la televisión analógica a la digital, se descubrió que la interferencia electromagnética de los rayos, la transmisión de corriente alterna de alto voltaje , los rectificadores de CA y los balastos utilizados en la iluminación fluorescente afectaban gravemente a los canales VHF de banda baja (en Norteamérica, canales 2, 3, 4, 5 y 6), lo que dificultaba o imposibilitaba su uso para la televisión digital. Estos canales, con numeración baja, solían ser las primeras emisoras de televisión en una ciudad determinada y, a menudo, se trataba de grandes y vitales operaciones que no tuvieron más remedio que trasladarse a la UHF. De este modo, la televisión digital moderna se convirtió predominantemente en un medio UHF, y los tubos de salida de entrada (IOT) se han convertido en la opción preferida para la sección de potencia de salida de dichos transmisores.

La potencia de salida de los IOT modernos del siglo XXI es muchísimo mayor que la de los primeros IOT fabricados por RCA entre 1940 y 1941, pero el principio fundamental de funcionamiento sigue siendo básicamente el mismo. Desde la década de 1970, los IOT se diseñan con software de modelado electromagnético que ha mejorado notablemente su rendimiento electrodinámico.

El IOT es un tubo de vacío de haz lineal. Al igual que en el tubo de rayos catódicos de los televisores antiguos, los electrones se producen mediante un electrodo negativo calentado o cátodo y se aceleran mediante un alto voltaje positivo en una estructura llamada cañón de electrones en un extremo, formando un haz que viaja a lo largo del tubo. En el otro extremo del tubo, el haz no produce una imagen brillante de fósforo como en un tubo de rayos catódicos, sino que pasa a través de una cavidad resonante que extrae su energía, luego incide sobre un electrodo positivo y es absorbido.

Los IOT se han descrito como una combinación entre un klistrón y un tetrodo , de ahí el nombre comercial de Eimac para ellos, Klystrode . Tienen un cañón de electrones como un klistrón, pero con una rejilla de control delante como un triodo, con una separación muy pequeña de alrededor de 0,1  mm. El voltaje de RF de alta frecuencia en la rejilla permite que los electrones pasen en grupos. Un voltaje de CC de alta tensión en un ánodo cilíndrico acelera el haz de electrones modulado a través de un pequeño tubo de deriva como en un klistrón . Este tubo de deriva evita el reflujo de radiación electromagnética . El haz de electrones agrupado pasa a través del ánodo hueco hacia una cavidad resonante , similar a la cavidad de salida de un klistrón, e incide sobre un electrodo colector. Como en un klistrón, cada grupo pasa a la cavidad en un momento en que el campo eléctrico lo desacelera, transformando la energía cinética del haz en energía potencial del campo de RF, amplificando la señal. La energía electromagnética oscilante en la cavidad se extrae mediante una línea de transmisión coaxial. Un campo magnético axial impide la dispersión de carga espacial del haz. El electrodo colector se encuentra a un potencial menor que el ánodo (colector deprimido), lo que recupera parte de la energía del haz, aumentando la eficiencia. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Dos diferencias con respecto al klistrón le confieren un menor coste y una mayor eficiencia.

1. El klistrón utiliza modulación de velocidad para generar agrupamiento de electrones; su corriente de haz es constante. Requiere un tubo de deriva de varios pies de longitud para permitir que los electrones se agrupen. En cambio, el IOT utiliza modulación de corriente como un triodo convencional; la mayor parte del agrupamiento se produce mediante la rejilla, por lo que el tubo puede ser mucho más corto, lo que reduce los costos de construcción e instalación, y lo hace menos voluminoso.
2. Dado que el klistrón tiene corriente de haz durante todo el ciclo de RF, solo puede funcionar como un amplificador de clase A ineficiente , mientras que la rejilla del IOT permite modos de funcionamiento más versátiles. La rejilla puede polarizarse para que la corriente de haz se pueda interrumpir durante parte del ciclo, lo que le permite operar en el modo de clase B o AB, más eficiente. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

La frecuencia máxima alcanzable en un IOT está limitada por la distancia entre la rejilla y el cátodo. Los electrones deben acelerarse desde el cátodo y pasar por la rejilla antes de que el campo eléctrico de RF cambie de dirección. El límite superior de frecuencia es de aproximadamente 1300 MHz . La ganancia del IOT es de 20 a 23  dB, frente a los 35 a 40  dB de un klistrón. La menor ganancia no suele ser un problema, ya que a 20  dB los requisitos de potencia de excitación (1 % de la potencia de salida) están dentro de las capacidades de los amplificadores UHF de estado sólido económicos. ^{[ 1 ]}

La radiación térmica del cátodo calienta la rejilla. Como resultado, el material del cátodo , de baja función de trabajo, se evapora y se condensa sobre la rejilla. Esto provoca un cortocircuito entre el cátodo y la rejilla, ya que el material que se acumula en la rejilla reduce la distancia entre ambos. Además, el material emisivo del cátodo sobre la rejilla genera una corriente negativa (flujo inverso de electrones desde la rejilla hacia el cátodo). Si esta corriente inversa es demasiado alta, puede sobrecargar la fuente de alimentación de la rejilla, modificando la tensión de polarización y, por consiguiente, el punto de funcionamiento del tubo. Los tubos IOT actuales están equipados con cátodos recubiertos que funcionan a temperaturas relativamente bajas y, por lo tanto, presentan tasas de evaporación más lentas, minimizando así este efecto.

Al igual que la mayoría de los tubos de haz lineal con cavidades de sintonización externas, los IOT son vulnerables a la formación de arcos eléctricos y deben protegerse con detectores de arco ubicados en las cavidades de salida que activan un circuito de protección basado en un tiratrón de hidrógeno o un espacio de chispa activado en la fuente de alta tensión. ^{[ 1 ]} El propósito del circuito de protección es descargar instantáneamente la enorme carga eléctrica almacenada en la fuente de alta tensión del haz antes de que esta energía pueda dañar el conjunto del tubo durante un arco incontrolado en la cavidad, el colector o el cátodo. ^{[ 1 ]}

• Láser de electrones libres

• http://www.bext.com/iot-an-old-dream-now-come-true/
• http://www.ebu.ch/departments/technical/trev/trev_273-heppinstall.pdf
• http://www.davidsarnoff.org/kil-chapter03.html
• http://www.allaboutcircuits.com/vol_3/chpt_13/11.html
• http://www.harris.com/view_pressrelease.asp?act=lookup&pr_id=2037
• http://epaper.kek.jp/p95/ARTICLES/TAQ/TAQ02.PDF