Tubo vacío

Las válvulas de vacío se describen habitualmente mediante curvas características publicadas en manuales y textos de ingeniería. Estas curvas muestran la relación entre las tensiones y corrientes de los electrodos, como la corriente de placa frente a la tensión de placa para diferentes tensiones de la red de control. A partir de estas curvas, los diseñadores determinan los puntos de operación, la ganancia de tensión, el comportamiento de la línea de carga y la potencia de salida.

A finales del siglo XIX, la tecnología de radio o inalámbrica se encontraba en una etapa temprana de desarrollo y la compañía Marconi se dedicaba al desarrollo y la construcción de sistemas de radiocomunicación. Guglielmo Marconi nombró al físico inglés John Ambrose Fleming como asesor científico en 1899. Fleming había sido asesor científico de Edison Telephone (1879), de Edison Electric Light (1882) y también consultor técnico de Edison-Swan . ^{[ 18 ]} Una de las necesidades de Marconi era mejorar el detector , un dispositivo que extrae información de una radiofrecuencia modulada. Marconi había desarrollado un detector magnético , que era menos sensible a las fuentes naturales de interferencia de radiofrecuencia que el cohesor , pero el detector magnético solo proporcionaba una señal de audiofrecuencia a un receptor telefónico. Se necesitaba un detector fiable que pudiera controlar un instrumento de impresión.

Como resultado de experimentos realizados con bombillas de efecto Edison, ^{[ 15 ]} Fleming desarrolló un tubo de vacío que denominó válvula de oscilación porque permitía el paso de corriente en una sola dirección. ^{[ 19 ]} El cátodo era un filamento de lámpara de carbono, calentado al pasar corriente a través de él, que producía emisión termoiónica de electrones. Los electrones emitidos por el cátodo eran atraídos hacia la placa ( ánodo ) cuando esta se encontraba a un voltaje positivo con respecto al cátodo. Fleming patentó estos tubos para la compañía Marconi en el Reino Unido, presentando la solicitud en noviembre de 1904 y obteniendo la patente en septiembre de 1905. ^{[ 20 ]} Posteriormente conocida como válvula de Fleming , la "válvula de oscilación" se desarrolló con el propósito de rectificar corriente de radiofrecuencia como componente detector de circuitos receptores de radio. ^{[ 15 ] [ 21 ]}

Aunque no era más sensible que un detector de cristal que funcionara correctamente , ^{[ 22 ]} la válvula de Fleming no necesitaba el ajuste minucioso que requería el filamento de un detector de cristal, y no era susceptible de ser desplazada de la posición óptima por vibraciones o movimientos, lo cual era particularmente ventajoso para su uso en un barco en movimiento. ^{[ 23 ]}

En el siglo XIX, los ingenieros de telégrafo y teléfono reconocieron la necesidad de extender la distancia de transmisión de señales. En 1906, Robert von Lieben solicitó una patente para un tubo de rayos catódicos que utilizaba una bobina de deflexión magnética externa y estaba destinado a ser utilizado como amplificador en equipos de telefonía. ^{[ 24 ]} Sin embargo, este tubo de deflexión magnética de von Lieben no tuvo éxito como amplificador debido a la potencia consumida por la bobina de deflexión. ^{[ 25 ]} Posteriormente, von Lieben realizó mejoras en los tubos de vacío de triodo .

A Lee de Forest se le atribuye la invención del tubo triodo en 1907 mientras experimentaba para mejorar su Audion original (diodo) . ^{[ 26 ]} Al colocar un electrodo adicional entre el filamento ( cátodo ) y la placa (ánodo), descubrió la capacidad del dispositivo resultante para amplificar señales. A medida que el voltaje aplicado a la rejilla de control (o simplemente "rejilla") se reducía por debajo del voltaje del cátodo, la corriente que fluía del filamento a la placa disminuía. El campo electrostático negativo creado por la rejilla en las proximidades del cátodo inhibía el paso de los electrones emitidos y reducía la corriente a la placa. Con la rejilla negativa con respecto al cátodo, no podía pasar corriente continua del cátodo a la rejilla. En consecuencia, un cambio de voltaje aplicado a la rejilla, que no requería entrada de potencia ya que no fluía corriente, podía producir un cambio en la corriente de la placa y podía conducir a un cambio de voltaje mucho mayor en la placa; el resultado era la amplificación de voltaje y potencia . En 1908, a de Forest se le concedió una patente ( patente estadounidense 879.532 ) para una versión de tres electrodos de su Audion original, destinada a ser utilizada como amplificador electrónico en radiocomunicaciones. Este dispositivo llegó a conocerse como triodo.

El dispositivo original de De Forest se fabricó con tecnología de vacío convencional. El vacío no era un "vacío puro", sino que dejaba una cantidad muy pequeña de gas residual. La física detrás del funcionamiento del dispositivo no se comprendía del todo. El gas residual provocaba un brillo azul debido a la ionización visible cuando el voltaje de la placa superaba los 60 voltios aproximadamente. En 1912, De Forest y John Stone llevaron el Audion para una demostración al departamento de ingeniería de AT&T, donde Harold D. Arnold se dio cuenta de que el brillo azul era causado por el gas ionizado. Recomendó que AT&T comprara la patente. Arnold desarrolló tubos de alto vacío que funcionaban con altos voltajes de placa sin brillo azul; estos se probaron en el verano de 1913 en la red de larga distancia de AT&T. ^{[ 27 ]}

El inventor finlandés Eric Tigerstedt mejoró significativamente el diseño original del triodo en 1914, mientras trabajaba en su proceso de grabación de sonido en película en Berlín, Alemania. La innovación de Tigerstedt consistió en hacer que los electrodos fueran cilindros concéntricos con el cátodo en el centro, aumentando así considerablemente la recolección de electrones emitidos en el ánodo. ^{[ 28 ]}

Irving Langmuir, del laboratorio de investigación de General Electric ( Schenectady, Nueva York ), mejoró la bomba de difusión de alto vacío de Wolfgang Gaede y la utilizó para resolver la cuestión de la emisión y conducción termoiónica en el vacío. En consecuencia, General Electric comenzó a producir triodos de vacío duro (conocidos como Pliotrons) en 1915. ^{[ 29 ]} Langmuir patentó el triodo de vacío duro, pero de Forest y AT&T lograron reivindicar la prioridad e invalidar la patente.

A los pliotrones les siguieron de cerca el tipo francés ' TM ' y, posteriormente, el tipo británico 'R', que fueron ampliamente utilizados por las fuerzas armadas aliadas en 1916. Históricamente, los niveles de vacío en los tubos de vacío de producción solían oscilar entre 10 ^{μPa y} 10 nPa  ( 8 × 10⁻⁸ Torr y 8 × 10⁻¹¹ Torr ). ^{[ 30 ]}  

El triodo y sus derivados (tetrodos y pentodos) son dispositivos de transconductancia , en los que la señal de control aplicada a la rejilla es un voltaje y la señal amplificada resultante que aparece en el ánodo es una corriente . ^{[ 31 ]} En comparación, el transistor de unión bipolar posterior utiliza una corriente pequeña para controlar una corriente mayor.

En los tubos de vacío, la transconductancia o conductancia mutua ( g _m ) se define como la variación de la corriente placa (ánodo)/cátodo dividida por la variación correspondiente de la tensión entre la rejilla y el cátodo, manteniendo constante dicha tensión. Los valores típicos de g _m para un tubo de vacío de pequeña señal oscilan entre 1 y 10 milisiemens. Es uno de los tres parámetros principales de un tubo de vacío, siendo los otros dos su ganancia μ y la resistencia de placa R _p o R _a ; estos parámetros se relacionan mediante la ecuación de Van der Bijl:${\displaystyle g_{m}={\mu \over R_{p}}}$

La corriente de placa del triodo no era directamente proporcional a la tensión de rejilla, es decir, su característica de funcionamiento era no lineal, lo que provocaba que los primeros amplificadores de audio de válvulas presentaran distorsión armónica a bajos volúmenes. Al representar gráficamente la corriente de placa en función de la tensión de rejilla aplicada, se observó que existía un rango de tensiones de rejilla para el cual la curva de transferencia era aproximadamente lineal.

Para utilizar este rango, era necesario aplicar una tensión de polarización negativa a la rejilla para situar el punto de operación de CC en la región lineal. A esto se le denominaba condición de reposo, y a la corriente de placa en este punto, "corriente de reposo". La tensión de control se superponía a la tensión de polarización, lo que resultaba en una variación casi lineal de la corriente de placa en respuesta a las variaciones positivas y negativas de la tensión de entrada alrededor de ese punto.

Este concepto se denomina polarización de rejilla . Muchos de los primeros receptores de radio tenían una tercera batería llamada "batería C" (sin relación con la pila C actual ). El terminal positivo de la batería C se conectaba al cátodo de los tubos ("tierra" en la mayoría de los circuitos) y el terminal negativo suministraba voltaje de polarización a las rejillas de los tubos.

Los circuitos posteriores, tras la fabricación de tubos con filamentos aislados de sus cátodos, emplearon polarización catódica , evitando así la necesidad de una fuente de alimentación negativa independiente. Para la polarización catódica, se conecta una resistencia de valor relativamente bajo entre el cátodo y tierra. El paso de corriente a través de la resistencia hace que el cátodo sea positivo con respecto a la rejilla, que se encuentra a potencial de tierra en corriente continua.

Sin embargo, algunas baterías tipo C se siguieron utilizando en algunos equipos incluso cuando las baterías tipo A y B habían sido reemplazadas por alimentación de la red eléctrica. Esto era posible porque estas baterías prácticamente no consumían corriente; por lo tanto, podían durar muchos años (a menudo más que todos los tubos) sin necesidad de ser reemplazadas.

Cuando se empezaron a usar triodos con cargas sintonizadas en lugar de resistivas en transmisores y receptores de radiofrecuencia, se descubrió que las etapas de amplificación sintonizadas tendían a oscilar a menos que su ganancia fuera muy limitada, debido a la capacitancia parásita, denominada capacitancia de Miller , entre la placa (la salida del amplificador) y la rejilla de control (la entrada del amplificador).

Finalmente , se desarrolló la técnica de neutralización , mediante la cual el transformador de RF conectado a la placa (ánodo) incluía un devanado adicional en fase opuesta, conectado a la rejilla a través de un pequeño condensador. Con el ajuste adecuado, esto cancelaba la capacitancia de Miller. Esta técnica se empleó con éxito en la radio Neutrodyne durante la década de 1920. La neutralización dependía de la frecuencia; requería un ajuste preciso y no funcionaba en un amplio rango de frecuencias.

Para combatir los problemas de estabilidad del triodo como amplificador de radiofrecuencia debido a la capacitancia entre la rejilla y la placa, el físico Walter H. Schottky inventó el tetrodo o tubo de rejilla de pantalla en 1919. ^{[ 32 ]} Demostró que la adición de un blindaje electrostático entre la rejilla de control y la placa podía resolver el problema. Este diseño fue perfeccionado por Hull y Williams. ^{[ 33 ]} La rejilla añadida se conoció como rejilla de pantalla o rejilla de blindaje . La rejilla de pantalla opera a un voltaje positivo significativamente menor que el voltaje de placa y se deriva a tierra con un condensador de baja impedancia en las frecuencias que se van a amplificar. ^{[ 34 ]} Esta disposición desacopla sustancialmente la placa y la rejilla de control , eliminando la necesidad de circuitos de neutralización en frecuencias de radiodifusión de onda media. La rejilla de pantalla también reduce en gran medida la influencia del voltaje de placa sobre la carga espacial cerca del cátodo, lo que permite que el tetrodo produzca una mayor ganancia de voltaje que el triodo en circuitos amplificadores. Si bien los factores de amplificación de los triodos típicos suelen oscilar entre menos de diez y alrededor de 100, los factores de amplificación de los tetrodos alcanzan los 500. En consecuencia, se lograron mayores ganancias de voltaje con una sola etapa de amplificación de tubo, lo que redujo la cantidad de tubos necesarios. Los tubos de rejilla de pantalla se comercializaron a finales de 1927. ^{[ 35 ]}

Sin embargo, la región útil de operación del tubo de rejilla de pantalla como amplificador se limitaba a voltajes de placa mayores que el voltaje de la rejilla de pantalla, debido a la emisión secundaria de la placa. En cualquier tubo, los electrones impactan la placa con energía suficiente para causar la emisión de electrones de su superficie. En un triodo, esta emisión secundaria de electrones no es importante, ya que son simplemente recapturados por la placa. Pero en un tetrodo, pueden ser capturados por la rejilla de pantalla, ya que también está a un voltaje positivo, lo que los desvía de la corriente de placa y reduce la amplificación del tubo. Dado que los electrones secundarios pueden superar en número a los electrones primarios en un cierto rango de voltajes de placa, la corriente de placa puede disminuir al aumentar el voltaje de placa. Esta es la región del dinatrón ^{[ 36 ]} o inflexión del tetrodo y es un ejemplo de resistencia negativa que puede causar inestabilidad. ^{[ 37 ]} Otra consecuencia indeseable de la emisión secundaria es que aumenta la corriente de pantalla, lo que puede hacer que la pantalla supere su potencia nominal.

La región de resistencia negativa, normalmente indeseable, de la placa se aprovechó en el circuito oscilador de dinatrón para producir un oscilador simple que solo requería la conexión de la placa a un circuito LC resonante para oscilar. El oscilador de dinatrón funcionaba según el mismo principio de resistencia negativa que el oscilador de diodo túnel, desarrollado muchos años después.

La región de dinatrón del tubo de rejilla de pantalla se eliminó añadiendo una rejilla entre la rejilla de pantalla y la placa para crear el pentodo . La rejilla supresora del pentodo se conectaba normalmente al cátodo y su voltaje negativo con respecto al ánodo repelía los electrones secundarios para que fueran recogidos por el ánodo en lugar de la rejilla de pantalla. El término pentodo significa que el tubo tiene cinco electrodos. El pentodo fue inventado en 1926 por Bernard DH Tellegen ^{[ 38 ]} y se convirtió en el preferido frente al tetrodo simple. Los pentodos se fabrican en dos clases: aquellos con la rejilla supresora conectada internamente al cátodo (p. ej., EL84/6BQ5) y aquellos con la rejilla supresora conectada a un pin separado para el acceso del usuario (p. ej., 803, 837). Una solución alternativa para aplicaciones de potencia es el tetrodo de haz o tubo de potencia de haz , que se describe más adelante.

Los receptores superheterodinos requieren un oscilador y un mezclador locales , combinados en la función de un único tubo convertidor pentagrid . Se han utilizado diversas alternativas, como la combinación de un triodo con un hexodo e incluso un octodo . Las rejillas adicionales incluyen rejillas de control (a bajo potencial) y rejillas de pantalla (a alto voltaje). Muchos diseños utilizan una rejilla de pantalla como ánodo adicional para proporcionar retroalimentación a la función del oscilador, cuya corriente se suma a la de la señal de radiofrecuencia entrante. El convertidor pentagrid se popularizó así en los receptores de AM, incluyendo la versión miniatura de tubo del " All American Five ". Los octodos, como el 7A8, se usaban raramente en Estados Unidos, pero eran mucho más comunes en Europa, sobre todo en radios a pilas, donde el menor consumo de energía era una ventaja.

Para reducir aún más el costo y la complejidad de los equipos de radio, se pueden combinar dos estructuras separadas (triodo y pentodo, por ejemplo) en el bulbo de un solo tubo multisección . Un ejemplo temprano es el Loewe 3NF . Este dispositivo de la década de 1920 tiene tres triodos en una sola envoltura de vidrio junto con todos los condensadores y resistencias fijos necesarios para formar un receptor de radio completo. Como el aparato Loewe tenía un solo zócalo para el tubo, pudo ofrecer precios considerablemente más bajos que la competencia, ya que, en Alemania, el impuesto estatal se aplicaba según el número de zócalos. Sin embargo, la fiabilidad se vio comprometida y los costos de producción del tubo fueron mucho mayores. En cierto modo, estos eran similares a los circuitos integrados. En Estados Unidos, Cleartron produjo brevemente el triple triodo "Multivalve" para su uso en el receptor Emerson Baby Grand. Este aparato Emerson también tiene un solo zócalo para el tubo, pero debido a que utiliza una base de cuatro pines, las conexiones de los elementos adicionales se realizan en una plataforma intermedia en la parte superior de la base del tubo.

Para 1940, los tubos multisección se habían vuelto comunes. Sin embargo, existían limitaciones debido a patentes y otras consideraciones de licencia (véase la Asociación Británica de Fabricantes de Válvulas de Radio ). Las limitaciones debidas al número de pines (cables) externos a menudo obligaban a que las funciones compartieran algunas de esas conexiones externas, como sus conexiones de cátodo (además de la conexión del filamento). El RCA Tipo 55 es un triodo de doble diodo utilizado como detector, rectificador de control automático de ganancia y preamplificador de audio en las primeras radios alimentadas por CA. Estos aparatos a menudo incluyen la salida de audio de doble triodo 53. Otro tipo temprano de tubo multisección, el 6SN7 , es un "doble triodo" que realiza las funciones de dos tubos triodo ocupando la mitad de espacio y costando menos. El 12AX7 es un triodo doble de "alta mu" (alta ganancia de voltaje ^{[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]} ) en una carcasa en miniatura, y se popularizó en amplificadores de señal de audio, instrumentos y amplificadores de guitarra .

La introducción de la base de tubo en miniatura (véase más abajo), que puede tener 9 pines, más que los disponibles anteriormente, permitió la introducción de otros tubos multisección, como el triodo-pentodo 6GH8 /ECF82, muy popular en los receptores de televisión. El deseo de incluir aún más funciones en un solo encapsulado dio como resultado el General Electric Compactron , que tiene 12 pines. Un ejemplo típico, el 6AG11, contiene dos triodos y dos diodos. ^{[ 42 ]}

Algunos tubos que de otro modo serían convencionales no se ajustan a las categorías estándar; los 6AR8, 6JH8 y 6ME8 tienen varias rejillas comunes, seguidas de un par de electrodos de deflexión de haz que desviaban la corriente hacia cualquiera de los dos ánodos. ^{[ 43 ]} A veces se les conocía como tubos de "haz plano" y se usaban en algunos televisores a color para la demodulación de color . El similar 7360 fue popular como (de)modulador SSB balanceado . ^{[ 44 ]}

Un tetrodo de haz (o "tubo de potencia de haz") forma el flujo de electrones del cátodo en múltiples haces parcialmente colimados para producir una región de carga espacial de bajo potencial entre el ánodo y la rejilla de pantalla para devolver los electrones de emisión secundaria del ánodo al ánodo cuando el potencial del ánodo es menor que el de la rejilla de pantalla. ^{[ 45 ] [ 46 ]} La formación de haces también reduce la corriente de la rejilla de pantalla. En algunos tubos de potencia de haz con simetría cilíndrica, el cátodo está formado por tiras estrechas de material emisor que están alineadas con las aberturas de la rejilla de control, reduciendo la corriente de la rejilla de control. ^{[ 47 ]} Este diseño ayuda a superar algunas de las barreras prácticas para el diseño de tubos de potencia de alta potencia y alta eficiencia.

Las hojas de datos del fabricante a menudo utilizan los términos pentodo de haz o pentodo de potencia de haz en lugar de tubo de potencia de haz , y utilizan un símbolo gráfico de pentodo en lugar de un símbolo gráfico que muestre placas formadoras de haz. ^{[ 48 ]}

Los tubos de potencia de haz ofrecen las ventajas de una línea de carga más larga, menor corriente de pantalla, mayor transconductancia y menor distorsión armónica de tercer orden que los pentodos de potencia comparables. ^{[ 49 ] [ 50 ]} Los tubos de potencia de haz se pueden conectar como triodos para mejorar la calidad tonal del audio, pero en modo triodo ofrecen una potencia de salida significativamente reducida. ^{[ 51 ]}

Los tubos llenos de gas, como los tubos de descarga y los tubos de cátodo frío , no son tubos de vacío rígido , aunque siempre contienen gas a una presión inferior a la atmosférica a nivel del mar. Tipos como el tubo regulador de voltaje y el tiratrón se asemejan a los tubos de vacío rígido y se insertan en zócalos diseñados para tubos de vacío. Su característico brillo naranja, rojo o púrpura durante el funcionamiento indica la presencia de gas; los electrones que fluyen en el vacío no producen luz en esa región. A estos tipos se les puede denominar "tubos electrónicos" ya que realizan funciones electrónicas. Los rectificadores de alta potencia utilizan vapor de mercurio para lograr una caída de voltaje directo menor que la de los tubos de alto vacío.

Los primeros tubos utilizaban una envoltura de metal o vidrio sobre una base aislante de baquelita . En 1938 se desarrolló una técnica para utilizar una construcción totalmente de vidrio ^{[ 52 ]} con los pines fusionados en la base de vidrio de la envoltura. Esto permitió el diseño de un tubo mucho más pequeño (típicamente de unos 20 mm de diámetro), conocido como tubo miniatura; se fabricaron tubos con bases estándar de siete y nueve pines (noval). También se introdujeron tubos con bases diferentes de tamaño similar . La reducción del tamaño de los tubos disminuyó el voltaje en el que podían operar de forma segura, y también redujo la potencia del filamento requerida. Los tubos miniatura se volvieron predominantes en aplicaciones de consumo, como receptores de radio y amplificadores de alta fidelidad. Sin embargo, los modelos más grandes continuaron siendo necesarios para tubos que disipaban más potencia, como rectificadores de alta potencia , en etapas de salida de audio de alta potencia y como tubos transmisores de potencia de RF.

Tubos subminiatura

Los tubos que requerían poca potencia, como los amplificadores de audífonos, podían ser mucho más pequeños que aquellos que disipaban calor significativo; se utilizaban tubos subminiatura del tamaño aproximado de la mitad de un cigarrillo. Estos tubos solían tener una larga vida útil debido a su baja potencia; no tenían pines para enchufarlos a un zócalo que facilitara su reemplazo, sino que estaban soldados en su lugar. Para frecuencias de radio más altas, los tubos más grandes introducían una capacitancia parásita que limitaba la frecuencia y que podía reducirse disminuyendo su tamaño. Entre los tubos pequeños para altas frecuencias se encontraban el tipo " tubo bellota " (llamado así por su forma y tamaño) y el tipo RCA nuvistor con carcasa metálica de 1959, del tamaño aproximado de un dedal . El nuvistor se desarrolló para competir con los transistores y podía operar a frecuencias más altas que los primeros transistores, e incluso que los tubos más grandes, debido a su pequeño tamaño (en comparación con la longitud de onda de la señal). Los transistores Nuvistor se utilizaron en transceptores de radio de aeronaves, sintonizadores de televisión UHF y algunos sintonizadores de radio FM de alta fidelidad (Sansui 500A) hasta que fueron reemplazados por transistores más modernos capaces de operar en altas frecuencias.

Los primeros tubos de vacío se parecían mucho a las bombillas incandescentes y eran fabricados por empresas de lámparas, que disponían del equipo necesario para fabricar las envolturas de vidrio y las bombas de vacío requeridas para evacuar las carcasas. De Forest utilizó la bomba de desplazamiento de mercurio de Heinrich Geissler , que dejaba un vacío parcial . El desarrollo de la bomba de difusión en 1915 y la mejora realizada por Irving Langmuir condujeron al desarrollo de tubos de alto vacío. Tras la Primera Guerra Mundial, se establecieron fabricantes especializados que utilizaban métodos de construcción más económicos para satisfacer la creciente demanda de receptores de radiodifusión. Los filamentos de tungsteno desnudo funcionaban a una temperatura de alrededor de 2200  °C. El desarrollo de filamentos recubiertos de óxido a mediados de la década de 1920 redujo la temperatura de funcionamiento del filamento a un rojo tenue (alrededor de 700  °C), lo que a su vez redujo la distorsión térmica de la estructura del tubo y permitió una menor separación entre los elementos del tubo. Esto, a su vez, mejoró la ganancia del tubo, ya que la ganancia de un triodo es inversamente proporcional a la separación entre la rejilla y el cátodo. Los filamentos de tungsteno desnudo se siguen utilizando en tubos transmisores pequeños, pero son frágiles y tienden a romperse si se manipulan bruscamente , por ejemplo, en los servicios postales. Estos tubos son más adecuados para equipos fijos donde no hay impactos ni vibraciones. 

El deseo de alimentar equipos electrónicos con corriente alterna (CA) presentaba una dificultad con respecto a la alimentación de los filamentos de las válvulas, ya que estos también constituían el cátodo de cada una. Alimentar los filamentos directamente desde un transformador de potencia introducía un zumbido de frecuencia de red (50 o 60  Hz) en las etapas de audio. La invención del "cátodo equipotencial" redujo este problema, al alimentar los filamentos mediante un devanado de transformador de CA balanceado con toma central conectada a tierra.

Una solución superior, que permitía que cada cátodo "flotara" a un voltaje diferente, era la del cátodo de calentamiento indirecto: un cilindro de níquel recubierto de óxido actuaba como cátodo emisor de electrones y estaba aislado eléctricamente del filamento en su interior. Los cátodos de calentamiento indirecto permiten separar el circuito del cátodo del circuito del calentador. El filamento, que ya no estaba conectado eléctricamente a los electrodos del tubo, pasó a conocerse simplemente como "calentador" y podía alimentarse con corriente alterna sin generar ningún zumbido. ^{[ 53 ]} En la década de 1930, los tubos de cátodo de calentamiento indirecto se generalizaron en equipos que utilizaban corriente alterna. Los tubos de cátodo de calentamiento directo continuaron utilizándose ampliamente en equipos alimentados por baterías, ya que sus filamentos requerían mucha menos energía que los calentadores de los cátodos de calentamiento indirecto.

Los tubos diseñados para aplicaciones de audio de alta ganancia pueden tener cables calefactores trenzados para cancelar los campos eléctricos parásitos, campos que podrían inducir un zumbido indeseable en el material de audio.

Los calentadores pueden alimentarse con corriente alterna (CA) o corriente continua (CC). La CC se suele utilizar cuando se requiere un bajo nivel de zumbido.

Los tubos de vacío utilizados como interruptores hicieron posible la computación electrónica por primera vez, pero el costo y el tiempo medio de falla relativamente corto de los tubos fueron factores limitantes. ^{[ 54 ]} "La opinión generalizada era que las válvulas , que, como las bombillas, contenían un filamento incandescente caliente , nunca podrían usarse satisfactoriamente en grandes cantidades, ya que no eran confiables, y en una instalación grande, demasiadas fallarían en muy poco tiempo". ^{[ 55 ]} Tommy Flowers , quien más tarde diseñó Colossus , "descubrió que, siempre que las válvulas estuvieran encendidas y se dejaran encendidas, podían operar de manera confiable durante períodos muy largos, especialmente si sus 'calentadores' funcionaban con una corriente reducida". ^{[ 55 ]} En 1934, Flowers construyó una instalación experimental exitosa utilizando más de 3000 tubos en pequeños módulos independientes; cuando un tubo fallaba, era posible apagar un módulo y mantener los demás en funcionamiento, reduciendo así el riesgo de que se produjera otra falla de tubo; esta instalación fue aceptada por la Oficina de Correos (que operaba centrales telefónicas). Flowers también fue pionero en el uso de tubos como interruptores electrónicos muy rápidos (en comparación con los dispositivos electromecánicos) . Trabajos posteriores confirmaron que la falta de fiabilidad de los tubos no era un problema tan grave como se creía generalmente; el ENIAC de 1946 , con más de 17.000 tubos, tenía un fallo de tubo (que tardaba 15 minutos en localizarse) en promedio cada dos días. La calidad de los tubos era un factor, y la desviación de personal cualificado durante la Segunda Guerra Mundial redujo la calidad general de los tubos. ^{[ 56 ]} Durante la guerra, Colossus fue fundamental para descifrar los códigos alemanes. Después de la guerra, el desarrollo continuó con ordenadores basados ​​en tubos, incluidos los ordenadores militares ENIAC y Whirlwind , el Ferranti Mark 1 (uno de los primeros ordenadores electrónicos disponibles comercialmente) y el UNIVAC I , también disponible comercialmente.  

Entre los avances que utilizaron tubos subminiatura se encuentra la serie de máquinas Jaincomp producidas por Jacobs Instrument Company de Bethesda, Maryland. Modelos como el Jaincomp-B empleaban tan solo 300 de estos tubos en una unidad de tamaño de escritorio que ofrecía un rendimiento comparable al de muchas de las máquinas de la época, que ocupaban una habitación entera. ^{[ 57 ]}

Coloso

Colossus I y su sucesor Colossus II (Mk2) fueron diseñados por Tommy Flowers y construidos por la Oficina General de Correos para Bletchley Park (BP) durante la Segunda Guerra Mundial para acelerar sustancialmente la tarea de descifrar el cifrado alemán de alto nivel Lorenz . Colossus reemplazó una máquina anterior basada en lógica de relés e interruptores (la Heath Robinson ). Colossus era capaz de descifrar en cuestión de horas mensajes que antes habían tardado varias semanas; además, era mucho más fiable. ^{[ 55 ]} Colossus fue la primera máquina en utilizar tubos de vacío trabajando en conjunto a tan gran escala. ^{[ 55 ]}

Tommy Flowers (quien concibió Colossus) escribió que la mayoría de los equipos de radio eran "transportados, maltratados, encendidos y apagados y, en general, maltratados. Pero yo había introducido válvulas en equipos telefónicos en grandes cantidades antes de la guerra y sabía que si nunca se movían ni se encendían y apagaban, funcionarían para siempre". Colossus era "así de fiable, extremadamente fiable". En su primer día en BP se planteó un problema con una respuesta conocida. Para asombro de BP (Estación X), después de funcionar durante cuatro horas, con cada prueba durando media hora, la respuesta fue la misma cada vez (el Robinson no siempre daba la misma respuesta). ^{[ 58 ] [ 59 ]} Colossus I usaba unas 1600 válvulas, y Colossus II unas 2400 válvulas (algunas fuentes dicen 1500 (Mk I) y 2500 (Mk II); el Robinson usaba unas cien válvulas; algunas fuentes dicen menos). ^{[ 60 ]}

Tubos Whirlwind y de "calidad especial"

Para cumplir con los requisitos de confiabilidad de la computadora digital estadounidense Whirlwind de 1951, se produjeron tubos de "calidad especial" con vida útil prolongada, y en particular, un cátodo de larga duración. El problema de la corta vida útil se atribuyó en gran medida a la evaporación del silicio , utilizado en la aleación de tungsteno para facilitar el trefilado del hilo calefactor. El silicio forma ortosilicato de bario en la interfaz entre el manguito de níquel y el recubrimiento de óxido de bario del cátodo . ^{[ 7 ] : 301} Esta "interfaz del cátodo" es una capa de alta resistencia (con cierta capacitancia en paralelo) que reduce considerablemente la corriente del cátodo cuando el tubo se conmuta al modo de conducción. ^{[ 61 ] : 224} La eliminación del silicio de la aleación del hilo calefactor (y el reemplazo más frecuente de las matrices de trefilado ) permitió la producción de tubos suficientemente confiables para el proyecto Whirlwind. Los tubos de níquel de alta pureza y los recubrimientos del cátodo libres de materiales como silicatos y aluminio que pueden reducir la emisividad también contribuyen a una larga vida útil del cátodo.

El primer tubo de computadora de este tipo fue el pentodo 7AK7 de Sylvania de 1948 (estos reemplazaron al 7AD7, que se suponía que era de mejor calidad que el estándar 6AG7 pero resultó demasiado poco confiable). ^{[ 62 ] : 59} Las computadoras fueron los primeros dispositivos de tubos en hacer funcionar los tubos en corte (suficiente voltaje de rejilla negativo para hacer que dejen de conducir) durante períodos de tiempo bastante prolongados. Funcionar en corte con el calentador encendido acelera el envenenamiento del cátodo y la corriente de salida del tubo se reducirá en gran medida cuando se cambie al modo de conducción. ^{[ 61 ] : 224} Los tubos 7AK7 mejoraron el problema del envenenamiento del cátodo, pero eso por sí solo fue insuficiente para lograr la confiabilidad requerida. ^{[ 62 ] : 60} Otras medidas incluyeron apagar el voltaje del calentador cuando no se requería que los tubos condujeran durante períodos prolongados, encender y apagar el voltaje del calentador con una rampa lenta para evitar el choque térmico en el elemento calefactor, ^{[ 61 ] : 226} y realizar pruebas de estrés a los tubos durante los períodos de mantenimiento fuera de servicio para provocar fallas prematuras en unidades débiles. ^{[ 62 ] : 60–61}

Another commonly used computer tube was the 5965 double triode. This, according to a memorandom from MIT for Project Whirwind, was developed for IBM by General Electric, primarily for use in the IBM 701 calculator, and was designated as a general-purpose triode tube.^[63] Tubes using a European designation standard used letters to indicate heater voltage and construction, followed by an indicator of base type and series number; e.g. the ECC82 was a 6.3V (E) double triode (CC) with a noval base (8x), as was the ECC83. Special quality tubes placed the number immediately after the voltage letter; e.g. the European version of the 5965 was labeled E180CC.

The tubes developed for Whirlwind were later used in the giant SAGE air-defense computer system. By the late 1950s, it was routine for special-quality small-signal tubes to last for hundreds of thousands of hours if operated conservatively. This increased reliability and also made mid-cable amplifiers in submarine cables possible.

Algunos tubos de vacío han utilizado materiales radiactivos para mejorar su rendimiento. Estos materiales se emplean para ionizar el gas de llenado dentro del tubo. Este proceso de ionización garantiza un funcionamiento fiable y constante al proporcionar una corriente estable cuando se aplica un alto voltaje, mejorando así el rendimiento y la estabilidad del tubo. La fuente radiactiva acelera el funcionamiento del tubo y asegura que la salida del mismo sea constante y no esté sujeta a fluctuaciones aleatorias al proporcionar una corriente instantánea cuando se aplica un alto voltaje. ^{[ 69 ]}

Las diversas fuentes radiactivas que se han utilizado en estos dispositivos incluyen:

• Tritio (H-3)
• Carbono-14 (C-14)
• Cobalto-60 (Co-60)
• Níquel-63 (Ni-63)
• Kriptón-85 (Kr-85)
• Cesio-137 (Cs-137)
• Prometio-147 (PM-147)
• Plomo-210 (Pb-210)
• Radio-226 (Ra-226)
• Torio-232 (Th-232)

Algunos ejemplos son el tubo Western Electric 346B, que contiene radio-226, y el tubo luminiscente Zellweger ZE22/3 , que puede contener radio-226 o tritio.

Las baterías proporcionaban los voltajes necesarios para los tubos en los primeros aparatos de radio. Generalmente se requerían tres voltajes diferentes, utilizando tres baterías distintas denominadas batería A , B y C. La batería "A" o batería LT (de baja tensión) proporcionaba el voltaje del filamento. Los calentadores de los tubos estaban diseñados para baterías de plomo-ácido de una, dos o tres celdas , que proporcionaban voltajes nominales de 2 V, 4 V o 6 V. En las radios portátiles, a veces se utilizaban pilas secas con calentadores de 1,5 o 1 V. Reducir el consumo del filamento mejoraba la vida útil de las baterías. Hacia 1955, al final de la era de los tubos, se habían desarrollado tubos que utilizaban tan solo 50 mA, llegando incluso a utilizar tan solo 10 mA para los calentadores. ^{[ 70 ]}

El alto voltaje aplicado al ánodo (placa) era suministrado por la batería "B" o la fuente de alimentación de alta tensión (AT). Estas baterías solían ser de pila seca y normalmente venían en versiones de 22,5, 45, 67,5, 90, 120 o 135 voltios. Tras la eliminación gradual del uso de baterías B y la adopción de la alimentación rectificada de la red eléctrica para generar el alto voltaje necesario para las placas de los tubos, el término "B+" se mantuvo en Estados Unidos para referirse a la fuente de alto voltaje. En la mayor parte del resto del mundo angloparlante, esta fuente se denomina simplemente AT (alta tensión).

Los primeros aparatos utilizaban una batería de polarización de rejilla o batería tipo "C" , que se conectaba para proporcionar un voltaje negativo . Dado que no circula corriente por la conexión de rejilla de un tubo, estas baterías no consumían corriente y duraban más, generalmente limitadas por su propia vida útil. La alimentación de la batería de polarización de rejilla rara vez se desconectaba cuando la radio estaba apagada. Incluso después de que las fuentes de alimentación de CA se generalizaran, algunos aparatos de radio continuaron fabricándose con baterías tipo C, ya que casi nunca necesitaban ser reemplazadas. Sin embargo, los circuitos más modernos se diseñaron utilizando polarización de cátodo , eliminando la necesidad de una tercera fuente de alimentación; esto se hizo práctico con los tubos que utilizaban calentamiento indirecto del cátodo, junto con el desarrollo del acoplamiento de resistencia/capacitancia, que reemplazó a los transformadores interetapa anteriores.

La denominación "batería C" para polarización no tiene relación con el tamaño de la batería " pila C " .

El reemplazo de baterías representaba un costo operativo importante para los primeros usuarios de receptores de radio. El desarrollo del eliminador de baterías y, en 1925, de los receptores sin baterías que funcionaban con la corriente doméstica , redujeron los costos operativos y contribuyeron a la creciente popularidad de la radio. Una fuente de alimentación que utilizaba un transformador con varios devanados, uno o más rectificadores (que podían ser tubos de vacío) y grandes condensadores de filtro proporcionaba los voltajes de corriente continua necesarios a partir de la fuente de corriente alterna.

Como medida de reducción de costos, especialmente en receptores de consumo de gran volumen, todos los calentadores de los tubos podían conectarse en serie a la fuente de alimentación de CA utilizando calentadores que requerían la misma corriente y con un tiempo de calentamiento similar. En uno de estos diseños, una toma en la cadena de calentadores de los tubos suministraba los 6 voltios necesarios para la luz del dial. Al obtener el alto voltaje de un rectificador de media onda conectado directamente a la red de CA, se eliminaba el pesado y costoso transformador de potencia. Esto también permitía que dichos receptores funcionaran con corriente continua, un diseño conocido como receptor CA/CC . Muchos fabricantes estadounidenses de radios AM de consumo de la época utilizaban un circuito prácticamente idéntico, al que se le apodó " All American Five" .

Cuando la tensión de la red eléctrica oscilaba entre 100 y 120 V, este voltaje limitado resultaba adecuado únicamente para receptores de baja potencia. Los televisores requerían un transformador o podían utilizar un circuito duplicador de tensión . En los casos en que se utilizaba una tensión nominal de 230 V, los televisores también podían prescindir de un transformador de potencia.

Las fuentes de alimentación sin transformador requerían precauciones de seguridad en su diseño para limitar el riesgo de descarga eléctrica a los usuarios, como gabinetes con aislamiento eléctrico y un sistema de bloqueo que sujetaba el cable de alimentación a la parte posterior del gabinete, de modo que el cable se desconectara necesariamente si el usuario o el técnico abría el gabinete. Un cable auxiliar era un cable de alimentación que terminaba en el conector especial utilizado por el sistema de bloqueo de seguridad; de esta manera, los técnicos podían alimentar el dispositivo con los voltajes peligrosos expuestos.

Para evitar el retardo de calentamiento, los receptores de televisión de encendido instantáneo hacían circular una pequeña corriente de calentamiento a través de sus tubos incluso cuando el aparato estaba apagado. Al encenderlo, se suministraba la corriente de calentamiento completa y el aparato comenzaba a funcionar casi de inmediato.

Los tubos de "calidad especial" se fabricaban para ciertas aplicaciones, diseñados para mejorar el rendimiento en algún aspecto, como un cátodo de mayor duración, una construcción de bajo ruido, robustez mecánica mediante filamentos reforzados, baja microfonía, para aplicaciones donde el tubo pasará gran parte del tiempo en corte, etc. Algunos tubos de calidad especial eran versiones especializadas de tubos estándar, mientras que otros fueron diseñados específicamente. "Calidad especial" no significa "mejor en todos los aspectos", sino que ciertas características han sido optimizadas; la única forma de conocer las características particulares de un componente de calidad especial es consultando la hoja de datos. En particular, los tubos fabricados para uso informático están diseñados para una larga vida útil cuando se utilizan polarizados a corte la mayor parte del tiempo, pero el zumbido, la microfonía y el ruido significativos —muy indeseables en aplicaciones de audio— no son importantes. ^{[ 73 ]} Los nombres pueden reflejar el nombre de un tubo estándar equivalente, si existe uno (12AU7==>12AU7A, ECC82==>E82CC, etc.), o ser absolutamente cualquier cosa (los equivalentes estándar y de calidad especial del mismo tubo incluyen 12AU7, ECC82, B329, CV491, E2163, E82CC, E812CC, M8136, CV4003, 6067, VX7058, 5814A y 12AU7A). ^{[ 74 ]} En la designación de tubos Mullard-Philips europeos , los tubos de calidad especial mueven la parte numérica inmediatamente después de la primera letra; el E82CC es un ECC82 optimizado para aplicaciones informáticas.

Un tubo de vacío necesita un vacío extremadamente alto (o vacío duro , según la terminología de rayos X ^{[ 75 ]} ) para evitar las consecuencias de generar iones positivos dentro del tubo. Los átomos de gas residual se ionizan al ser golpeados por un electrón y pueden afectar negativamente al cátodo, reduciendo la emisión. ^{[ 76 ]} Grandes cantidades de gas residual pueden crear una descarga luminiscente visible entre los electrodos del tubo y causar el sobrecalentamiento de los electrodos, produciendo más gas, dañando el tubo y posiblemente otros componentes debido al exceso de corriente. ^{[ 77 ] [ 78 ] [ 79 ]} Para evitar estos efectos, la presión residual dentro del tubo debe ser lo suficientemente baja como para que el camino libre medio de un electrón sea mucho mayor que el tamaño del tubo (por lo que es improbable que un electrón golpee un átomo residual y habrá muy pocos átomos ionizados presentes). Los tubos de vacío comerciales se evacuan durante su fabricación a aproximadamente 0,000001 mmHg (1,0 × 10 ⁻⁶ Torr; 130 μPa; 1,3 × 10 ⁻⁶ mbar; 1,3 × 10 ⁻⁹ atm) . ^{[ 80 ] [ 81 ]}     

Para evitar que los gases comprometan el vacío del tubo, los tubos modernos se construyen con getters , que suelen ser metales que se oxidan rápidamente, siendo el bario el más común. ^{[ 81 ] [ 82 ]} Para los tubos de vidrio, mientras se evacúa la envoltura del tubo, las partes internas, excepto el getter, se calientan mediante calentamiento por inducción de radiofrecuencia para liberar cualquier gas restante de las partes metálicas. Luego se sella el tubo y la cubeta o bandeja del getter, para los getters flash, se calienta a alta temperatura, nuevamente mediante calentamiento por inducción de radiofrecuencia, lo que hace que el material del getter se vaporice y reaccione con cualquier gas residual. El vapor se deposita en el interior de la envoltura de vidrio, dejando una mancha metálica de color plateado que continúa absorbiendo pequeñas cantidades de gas que puedan filtrarse en el tubo durante su vida útil. Se tiene mucho cuidado con el diseño de la válvula para asegurar que este material no se deposite en ninguno de los electrodos de trabajo. Si un tubo desarrolla una fuga grave en la envoltura, este depósito se vuelve de color blanco al reaccionar con el oxígeno atmosférico . Los tubos transmisores grandes y especializados suelen utilizar materiales absorbentes más exóticos, como el circonio . Los primeros tubos con absorbentes utilizaban materiales a base de fósforo, fácilmente identificables por el característico depósito naranja o iridiscente que deja el fósforo en el vidrio. El uso del fósforo fue efímero y pronto fue reemplazado por los absorbentes de bario, de calidad superior. A diferencia de los absorbentes de bario, el fósforo no absorbía más gases una vez sometido al proceso de calentamiento.

Los absorbentes de gases actúan combinándose químicamente con los gases residuales o infiltrados, pero no pueden contrarrestar los gases inertes (no reactivos). Un problema conocido, que afecta principalmente a válvulas con grandes envolturas, como los tubos de rayos catódicos y los tubos de cámara, como los iconoscopios , los orticones y los orticones de imagen , es la infiltración de helio. El efecto se manifiesta como un funcionamiento deficiente o ausente, y como un brillo difuso a lo largo del flujo de electrones dentro del tubo. Este efecto no se puede corregir (salvo mediante una nueva evacuación y sellado), y es la razón por la que los tubos que funcionan correctamente son cada vez más raros. Los tubos sin usar ("New Old Stock") también pueden presentar infiltración de gas inerte, por lo que no hay garantía a largo plazo de que este tipo de tubos perduren en el futuro.

Los tubos transmisores grandes tienen filamentos de tungsteno carbonizado que contienen una pequeña cantidad (del 1% al 2%) de torio . Una capa (molecular) extremadamente delgada de átomos de torio se forma en el exterior de la capa carbonizada del cable y, al calentarse, sirve como una fuente eficiente de electrones. El torio se evapora lentamente de la superficie del cable, mientras que nuevos átomos de torio se difunden a la superficie para reemplazarlos. Dichos cátodos de tungsteno toriado suelen ofrecer vidas útiles de decenas de miles de horas. El escenario de fin de vida útil para un filamento de tungsteno toriado es cuando la capa carbonizada se ha convertido mayoritariamente de nuevo en otra forma de carburo de tungsteno y la emisión comienza a disminuir rápidamente; nunca se ha encontrado que una pérdida completa de torio sea un factor en el fin de la vida útil de un tubo con este tipo de emisor. WAAY-TV en Huntsville, Alabama, logró 163.000 horas (18,6 años) de servicio de un klistrón de cavidad externa Eimac en el circuito visual de su transmisor; Esta es la vida útil más alta documentada para este tipo de tubo. ^{[ 83 ]} Se ha dicho que los transmisores con tubos de vacío son más capaces de sobrevivir a los rayos que los transmisores de transistores. Si bien se creía comúnmente que los tubos de vacío eran más eficientes que los circuitos de estado sólido en niveles de potencia de RF superiores a aproximadamente 20 kilovatios, esto ya no es el caso, especialmente en el servicio de onda media (radiodifusión AM) donde los transmisores de estado sólido en casi todos los niveles de potencia tienen una eficiencia notablemente mayor. Los transmisores de radiodifusión FM con amplificadores de potencia de estado sólido de hasta aproximadamente 15 kW también muestran una mejor eficiencia de potencia general que los amplificadores de potencia basados ​​en tubos. 

Los cátodos en pequeños tubos receptores están recubiertos con una mezcla de óxido de bario y óxido de estroncio , a veces con la adición de óxido de calcio u óxido de aluminio . Un calentador eléctrico se inserta en el manguito del cátodo y se aísla eléctricamente de él mediante una capa de óxido de aluminio. Esta compleja estructura provoca que los átomos de bario y estroncio se difundan hacia la superficie del cátodo y emitan electrones al calentarse a unos 780 grados Celsius (1400  °F).

El tubo de rayos catódicos (TRC) es un tubo de vacío utilizado especialmente para fines de visualización. Si bien anteriormente existían muchos televisores y monitores de computadora que utilizaban tubos de rayos catódicos, la mayoría de estos han sido reemplazados por pantallas planas debido a la disminución de sus precios y el aumento de su calidad. Esto también se aplica a los osciloscopios digitales (basados ​​en computadoras internas y convertidores analógico-digitales ), aunque los osciloscopios analógicos tradicionales (que dependen de los TRC) se siguen fabricando, son económicos y son los preferidos por muchos técnicos. ^{[ 87 ]} En el pasado, muchas radios utilizaban " tubos de ojo mágico ", un tipo especializado de TRC que se usaba en lugar de un medidor para indicar la intensidad de la señal o el nivel de entrada en una grabadora de cinta. Un dispositivo indicador moderno, la pantalla fluorescente de vacío (VFD), también es un tipo de tubo de rayos catódicos. ^{[ 88 ] [ 89 ] [ 90 ]}

El tubo de rayos X es un tipo de tubo de rayos catódicos que genera rayos X cuando electrones de alto voltaje chocan contra el ánodo. ^{[ 91 ] [ 92 ]}

Los girotrones o máseres de vacío, utilizados para generar ondas de alta potencia en la banda milimétrica, son tubos de vacío magnéticos en los que se utiliza un pequeño efecto relativista , debido al alto voltaje, para agrupar los electrones. Los girotrones pueden generar potencias muy altas (cientos de kilovatios). ^{[ 93 ] [ 94 ]} Los láseres de electrones libres , utilizados para generar luz coherente de alta potencia e incluso rayos X , son tubos de vacío altamente relativistas impulsados ​​por aceleradores de partículas de alta energía. Por lo tanto, son una especie de tubos de rayos catódicos. ^{[ 95 ] [ 96 ]}

Un fotomultiplicador es un tubo fotoeléctrico cuya sensibilidad se incrementa considerablemente mediante la multiplicación de electrones. Este proceso se basa en el principio de emisión secundaria , donde un electrón emitido por el fotocátodo incide sobre un ánodo especial llamado dinodo, lo que provoca la liberación de más electrones desde dicho dinodo. Estos electrones se aceleran hacia otro dinodo a un voltaje mayor, liberando aún más electrones secundarios; hasta 15 de estas etapas proporcionan una amplificación enorme. A pesar de los grandes avances en fotodetectores de estado sólido (por ejemplo, el diodo de avalancha de un solo fotón ), la capacidad de detección de fotones individuales de los tubos fotomultiplicadores hace que este dispositivo de tubo de vacío destaque en ciertas aplicaciones. Dicho tubo también puede utilizarse para la detección de radiación ionizante como alternativa al tubo Geiger-Müller (que en realidad no es un tubo de vacío). Históricamente, el tubo de imagen orticón de las cámaras de televisión, ampliamente utilizado en los estudios de televisión antes del desarrollo de los modernos detectores CCD, también empleaba la multiplicación de electrones en múltiples etapas.

Durante décadas, los diseñadores de tubos electrónicos intentaron complementar los tubos amplificadores con multiplicadores de electrones para aumentar la ganancia, pero estos presentaban una vida útil corta debido a que el material utilizado para los dinodos "envenenaba" el cátodo caliente del tubo. (Por ejemplo, el interesante tubo de emisión secundaria RCA 1630 se comercializó, pero no tuvo una vida útil prolongada). Sin embargo, finalmente, Philips de los Países Bajos desarrolló el tubo EFP60, que tuvo una vida útil satisfactoria y se utilizó en al menos un producto: un generador de pulsos de laboratorio. Para entonces, sin embargo, los transistores estaban mejorando rápidamente, lo que hizo que tales desarrollos fueran superfluos.

Una variante denominada «multiplicador de electrones de canal» no utiliza dinodos individuales, sino que consiste en un tubo curvado, como una hélice, recubierto internamente con un material de buena emisión secundaria. Un tipo incorporaba una especie de embudo para capturar los electrones secundarios. El dinodo continuo era resistivo y sus extremos se conectaban a un voltaje suficiente para generar cascadas repetidas de electrones. La placa de microcanales consta de una matriz de multiplicadores de electrones de una sola etapa sobre un plano de imagen; varias de estas pueden apilarse. Esto puede utilizarse, por ejemplo, como intensificador de imagen, donde los canales discretos sustituyen al enfoque.

Tektronix fabricó un tubo de rayos catódicos (CRT) de banda ancha y alto rendimiento para osciloscopios con una placa multiplicadora de electrones de canal ubicada detrás de la capa de fósforo. Esta placa consistía en una matriz agrupada de numerosos tubos CEM individuales cortos que recibían un haz de baja corriente y lo intensificaban para proporcionar una imagen con un brillo práctico. (La óptica electrónica del cañón de electrones de banda ancha no podía proporcionar la corriente suficiente para excitar directamente el fósforo).

Aunque los tubos de vacío han sido reemplazados en gran medida por dispositivos de estado sólido en la mayoría de las aplicaciones de amplificación, conmutación y rectificación, existen ciertas excepciones. Además de las funciones especiales mencionadas anteriormente, los tubos aúntienen algunas aplicaciones específicas.

^{En general, los tubos de vacío son mucho menos susceptibles que los componentes de} estado sólido correspondientes a las sobretensiones transitorias, como las sobretensiones de la red eléctrica o los rayos, el efecto de pulso electromagnético de las explosiones nucleares [ ^{97 ]} o las tormentas geomagnéticas producidas por erupciones solares gigantes ^{[ 98 ]} . Esta propiedad hizo que se siguieran utilizando en ciertas aplicaciones militares mucho después de que la tecnología de estado sólido, más práctica y menos costosa, estuviera disponible para las mismas aplicaciones, como por ejemplo con el avión MiG-25 ^{[ 97 ]} .

Los tubos de vacío son alternativas prácticas a los dispositivos de estado sólido para generar alta potencia en radiofrecuencias en aplicaciones como el calentamiento industrial por radiofrecuencia , los aceleradores de partículas y los transmisores de radiodifusión . Esto es particularmente cierto en frecuencias de microondas, donde dispositivos como el klistrón y el tubo de onda progresiva proporcionan amplificación a niveles de potencia inalcanzables con la corriente.Dispositivos semiconductores. El horno microondas doméstico utiliza un tubo magnetrón para generar eficientemente cientos de vatios de potencia de microondas. Los dispositivos de estado sólido, como el nitruro de galio, son sustitutos prometedores, pero son muy caros y se encuentran en las primeras etapas de desarrollo.

En aplicaciones militares, un tubo de vacío de alta potencia puede generar una  señal de 10 a 100 megavatios capaz de dañar la etapa de entrada de un receptor sin protección. Estos dispositivos se consideran armas electromagnéticas no nucleares y fueron introducidos a finales de la década de 1990 tanto por Estados Unidos como por Rusia.

Los amplificadores de válvulas siguen siendo comercialmente viables en tres nichos donde se valora su sonido cálido, su rendimiento al saturarse y su capacidad para replicar grabaciones de válvulas de épocas anteriores: equipos de audio de alta fidelidad , amplificadores para instrumentos musicales y dispositivos utilizados en estudios de grabación. ^{[ 99 ]}

Muchos guitarristas prefieren usar amplificadores de válvulas en lugar de modelos de estado sólido, a menudo debido a la forma en que tienden a distorsionar cuando se saturan. ^{[ 100 ]} Cualquier amplificador solo puede amplificar una señal con precisión hasta cierto volumen; más allá de este límite, el amplificador comenzará a distorsionar la señal. Los diferentes circuitos distorsionarán la señal de diferentes maneras; algunos guitarristas prefieren las características de distorsión de las válvulas de vacío. La mayoría de los modelos vintage populares usan válvulas de vacío.

La empresa británica Blackburn MicroTech Solutions desarrolló versiones radicalmente diferentes de tubos estándar para el mercado audiófilo. En lugar de utilizar una construcción tubular con flujo de electrones radial, el diseño era planar. El primer producto fue el doble triodo E813CC, intercambiable con el ECC83. Sin embargo, la empresa quebró en 2009, pocos meses después de presentar el E813CC. ^{[ 101 ]}

A principios del siglo XXI se ha renovado el interés por los tubos de vacío, esta vez con el emisor de electrones formado sobre un sustrato plano de silicio, como en la tecnología de circuitos integrados . Este tema se denomina ahora nanoelectrónica de vacío. ^{[ 104 ]} El diseño más común utiliza un cátodo frío en forma de una fuente de electrones de campo de gran superficie (por ejemplo, una matriz de emisores de campo ). Con estos dispositivos, los electrones se emiten por campo desde un gran número de puntos de emisión individuales muy próximos entre sí.

Estos microtubos integrados podrían tener aplicaciones en dispositivos de microondas , incluidos teléfonos móviles, para la transmisión Bluetooth y Wi-Fi , y en comunicaciones por radar y satélite . (Datos de 2012)Se estaban estudiando para posibles aplicaciones en la tecnología de pantallas de emisión de campo , pero existían importantes problemas de producción.

En 2014, se informó que el Centro de Investigación Ames de la NASA estaba trabajando en transistores de canal de vacío producidos utilizando técnicas CMOS. ^{[ 105 ]}

Cuando un cátodo se calienta y alcanza una temperatura de funcionamiento de alrededor de 1050 K (780 °C; 1430 °F) , los electrones libres son expulsados ​​de su superficie. Estos electrones libres forman una nube en el espacio vacío entre el cátodo y el ánodo, conocida como carga espacial . Esta nube de carga espacial suministra los electrones que crean el flujo de corriente del cátodo al ánodo. A medida que los electrones son atraídos hacia el ánodo durante el funcionamiento del circuito, nuevos electrones se evaporarán del cátodo para reponer la carga espacial. ^{[ 106 ]} La carga espacial es un ejemplo de un campo eléctrico .   

Todos los tubos con una o más rejillas de control se controlan mediante una tensión de entrada de CA ( corriente alterna ) aplicada a la rejilla de control, mientras que la señal amplificada resultante aparece en el ánodo como una corriente . Debido a la alta tensión aplicada al ánodo, una corriente anódica relativamente pequeña puede representar un aumento considerable de energía con respecto al valor de la tensión de señal original. Los electrones de carga espacial expulsados ​​del cátodo calentado son fuertemente atraídos por el ánodo positivo. La(s) rejilla(s) de control en un tubo median este flujo de corriente combinando la pequeña corriente de señal de CA con el valor ligeramente negativo de la rejilla. Cuando la onda sinusoidal (CA) de la señal se aplica a la rejilla, esta se mueve sobre este valor negativo, impulsándola tanto positiva como negativamente a medida que cambia la onda de señal de CA.

Esta relación se muestra con un conjunto de curvas de características de placa (ver ejemplo anterior), que muestran visualmente cómo la corriente de salida del ánodo ( I _a ) puede verse afectada por un pequeño voltaje de entrada aplicado en la rejilla ( V _g ), para cualquier voltaje dado en la placa (ánodo) ( V _a ).

Cada tubo tiene un conjunto único de curvas características. Estas curvas relacionan gráficamente los cambios en la corriente de placa instantánea, provocados por una variación mucho menor en la tensión entre la rejilla y el cátodo ( _Vgk ) , a medida que varía la señal de entrada.

La característica VI depende del tamaño y el material de la placa y el cátodo. ^{[ 107 ]} Exprese la relación entre el voltaje de la placa y la corriente de la placa. ^{[ 108 ]}

• Curva VI (Voltaje a través de los filamentos, corriente de placa)
• Características de la corriente y el voltaje de placa
• Resistencia de placa de CC : resistencia del camino entre el ánodo y el cátodo de corriente continua. 
• Resistencia de placa de CA : resistencia del camino entre el ánodo y el cátodo de la corriente alterna. 

El tamaño del campo electrostático es el tamaño entre dos o más placas en el tubo.