Audion

El Audion es un tubo de vacío electrónico detector o amplificador ^{[ 1 ]} inventado por el ingeniero eléctrico estadounidense Lee de Forest como un diodo en 1906. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} Mejorado, fue patentado como el primer triodo en 1908, ^{[ 1 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} que consiste en un tubo de vidrio evacuado que contiene tres electrodos : un filamento calentado (el cátodo, hecho de tantalio ), una rejilla y una placa (el ánodo). ^{[ 4 ]} Es importante en la historia de la tecnología porque fue el primer dispositivo electrónico ampliamente utilizado que podía amplificar . ^{[ 4 ]} Una señal de baja potencia en la rejilla podía controlar mucha más potencia en el circuito de la placa.

Los audiones tenían más gas residual que los tubos de vacío posteriores; este gas residual limitaba el rango dinámico y les confería características no lineales y un rendimiento errático. ^{[ 1 ] [ 8 ]} Originalmente desarrollado como detector de receptores de radio ^{[ 3 ]} mediante la adición de un electrodo de rejilla a la válvula de Fleming , tuvo poca utilidad hasta que su capacidad de amplificación fue reconocida alrededor de 1912 por varios investigadores, ^{[ 8 ] [ 10 ]} quienes lo utilizaron para construir los primeros receptores de radio y osciladores electrónicos con amplificación . ^{[ 9 ] [ 11 ]} Las numerosas aplicaciones prácticas de amplificación motivaron su rápido desarrollo, y el audion original fue reemplazado en pocos años por versiones mejoradas con un mayor vacío. ^{[ 8 ] [ 10 ]}

Desde mediados del siglo XIX se sabía que las llamas de gas eran conductoras de electricidad , y los primeros experimentadores de la comunicación inalámbrica habían observado que esta conductividad se veía afectada por la presencia de ondas de radio . De Forest descubrió que el gas en un vacío parcial , calentado por el filamento de una lámpara convencional, se comportaba de forma muy similar, y que si se enrollaba un cable alrededor de la carcasa de vidrio, el dispositivo podía funcionar como detector de señales de radio. En su diseño original, una pequeña placa metálica se sellaba dentro de la carcasa de la lámpara y se conectaba al terminal positivo de una batería de 22 voltios mediante unos auriculares, mientras que el terminal negativo se conectaba a un lado del filamento de la lámpara. Al aplicar señales inalámbricas al cable enrollado alrededor del exterior del vidrio, se producían perturbaciones en la corriente que generaban sonidos en los auriculares.

Esto representó un avance significativo, ya que los sistemas inalámbricos comerciales existentes estaban fuertemente protegidos por patentes ; un nuevo tipo de detector le permitiría a de Forest comercializar su propio sistema. Finalmente, descubrió que conectar el circuito de la antena a un tercer electrodo colocado directamente en la trayectoria de la corriente espacial mejoraba enormemente la sensibilidad; en sus primeras versiones, se trataba simplemente de un trozo de alambre doblado en forma de rejilla (de ahí el nombre de "rejilla" ).

El Audion proporcionaba ganancia de potencia; con otros detectores, toda la energía para el funcionamiento de los auriculares provenía del propio circuito de la antena. En consecuencia, las señales de transmisores débiles podían oírse a mayor distancia.

Patentes y litigios

De Forest y todos los demás en aquel entonces subestimaron enormemente el potencial de su Audion de rejilla, imaginando que se limitaría principalmente a aplicaciones militares. Es significativo que, al parecer, De Forest no viera su potencial como amplificador repetidor telefónico cuando solicitó la patente, a pesar de que ya había patentado dispositivos de amplificación y de que los rudimentarios amplificadores electromecánicos habían sido la pesadilla de la industria telefónica durante al menos dos décadas. (Irónicamente, durante los años de disputas de patentes previos a la Primera Guerra Mundial, fue precisamente esta laguna legal la que permitió la fabricación de triodos de vacío, ya que la patente del Audion de rejilla de De Forest no mencionaba esta aplicación).

(izquierda) El primer prototipo de Audion con la rejilla (cables en zigzag) entre el filamento y la placa. ^{[ 12 ]} (derecha) Diseño posterior de un tubo audion. La rejilla y la placa están en dos partes a cada lado del filamento central. En ambos tubos, el filamento está quemado.

A De Forest se le concedió una patente para su primera versión de diodo de dos electrodos del Audion el 13 de noviembre de 1906 ( patente estadounidense 841,386 ), y la versión de "triodo" (tres electrodos) fue patentada en 1908 ( patente estadounidense 879,532 ). De Forest siguió afirmando que desarrolló el Audion independientemente de la investigación previa de John Ambrose Fleming sobre la válvula termoiónica (por la cual Fleming recibió la patente británica 24850 y la patente estadounidense de la válvula Fleming, patente estadounidense 803,684 ), y De Forest se vio envuelto en numerosas disputas de patentes relacionadas con la radio. De Forest era famoso por decir que "no sabía por qué funcionaba, simplemente funcionaba".

Siempre se refería a los triodos de vacío desarrollados por otros investigadores como «oscilaudiones», aunque no hay pruebas de que haya contribuido significativamente a su desarrollo. Es cierto que, tras la invención del verdadero triodo de vacío en 1913 (véase más abajo), de Forest continuó fabricando diversos tipos de aparatos de radiotransmisión y recepción (ejemplos de los cuales se ilustran en esta página). Sin embargo, aunque solía describir estos dispositivos como si utilizaran «audiones», en realidad empleaban triodos de alto vacío, con circuitos muy similares a los desarrollados por otros experimentadores.

En 1914, Edwin Howard Armstrong, estudiante de la Universidad de Columbia , trabajó con el profesor John Harold Morecroft para documentar los principios eléctricos del Audion. Armstrong publicó su explicación del Audion en Electrical World en diciembre de 1914, con diagramas de circuitos y gráficos de osciloscopio . ^{[ 13 ]} En marzo y abril de 1915, Armstrong habló ante el Instituto de Ingenieros de Radio en Nueva York y Boston, respectivamente, presentando su artículo "Algunos desarrollos recientes en el receptor Audion", que se publicó en septiembre. ^{[ 11 ]} Una combinación de los dos artículos se reimprimió en otras revistas como los Anales de la Academia de Ciencias de Nueva York . ^{[ 13 ]} Cuando Armstrong y de Forest se enfrentaron posteriormente en una disputa sobre la patente de regeneración , Armstrong pudo demostrar de manera concluyente que de Forest aún no tenía idea de cómo funcionaba. ^{[ 8 ] [ 14 ]}

El problema radicaba en que (posiblemente para desvincular su invento de la válvula de Fleming) las patentes originales de De Forest especificaban que el gas a baja presión dentro del Audion era esencial para su funcionamiento (Audion es una contracción de "Audio-Ion"), y de hecho, los primeros Audions presentaban graves problemas de fiabilidad debido a que este gas era adsorbido por los electrodos metálicos. A veces, los Audions funcionaban extraordinariamente bien; otras veces, apenas funcionaban.

Además del propio de Forest, numerosos investigadores intentaron encontrar maneras de mejorar la fiabilidad del dispositivo estabilizando el vacío parcial. Gran parte de la investigación que condujo al desarrollo de los tubos de vacío propiamente dichos fue llevada a cabo por Irving Langmuir en los laboratorios de investigación de General Electric (GE).

Kenotrón y Pliotrón

Langmuir sospechaba desde hacía tiempo que ciertas limitaciones asumidas en el rendimiento de diversos dispositivos eléctricos de baja presión y vacío podrían no ser limitaciones físicas fundamentales, sino simplemente debidas a la contaminación e impurezas en el proceso de fabricación. Su primer éxito consistió en demostrar que, contrariamente a lo que Edison y otros habían afirmado durante mucho tiempo, las lámparas incandescentes podían funcionar de forma más eficiente y con mayor duración si la envoltura de vidrio se llenaba con gas inerte a baja presión en lugar de un vacío total. Sin embargo, esto solo funcionaba si el gas utilizado se limpiaba meticulosamente de todo rastro de oxígeno y vapor de agua. A continuación, aplicó el mismo método para producir un rectificador para los tubos de rayos X "Coolidge" de reciente desarrollo. De nuevo, contrariamente a lo que se creía posible, gracias a una limpieza meticulosa y una gran atención al detalle, logró producir versiones del diodo de Fleming capaces de rectificar cientos de miles de voltios. Sus rectificadores se denominaron "Kenotrones", del griego keno (vacío, que no contiene nada, como en el vacío) y tron ​​(dispositivo, instrumento).

A continuación, centró su atención en la válvula Audion, sospechando de nuevo que su comportamiento, conocido por su imprevisibilidad, podría controlarse con un mayor cuidado en el proceso de fabricación.

Sin embargo, adoptó un enfoque un tanto poco ortodoxo. En lugar de intentar estabilizar el vacío parcial, se preguntó si sería posible hacer funcionar el Audion con el vacío total de un Kenotron, ya que este último era algo más fácil de estabilizar.

Pronto se dio cuenta de que su Audion de "vacío" tenía características marcadamente diferentes a la versión de De Forest, y que en realidad era un dispositivo completamente distinto, capaz de amplificación lineal y a frecuencias mucho más altas. Para distinguirlo del Audion, lo llamó "Pliotron", del griego plio (más o extra, en este sentido significa ganancia , más señal de salida que de entrada).

En esencia, denominaba a todos sus diseños de tubos de vacío como Kenotrones, siendo el Pliotron un tipo especializado de Kenotrón. Sin embargo, dado que Pliotron y Kenotrón eran marcas registradas, los redactores técnicos solían utilizar el término más genérico «tubo de vacío». A mediados de la década de 1920, el término «Kenotron» pasó a referirse exclusivamente a los rectificadores de tubos de vacío, mientras que el término «Pliotron» cayó en desuso. Irónicamente, en el lenguaje popular, las marcas similares «Radiotron» y «Ken-Rad» perduraron más que los nombres originales.

De Forest continuó fabricando y suministrando audiones a la Marina de los EE. UU. hasta principios de la década de 1920 para el mantenimiento de los equipos existentes, pero en otros lugares ya se consideraban completamente obsoletos. Fue el triodo de vacío el que hizo posible las transmisiones de radio prácticas.

Antes de la introducción del Audion, los receptores de radio utilizaban diversos detectores , como cohesores , barretters y detectores de cristal . El detector de cristal más popular consistía en un pequeño trozo de cristal de galena al que se le pasaba un hilo fino, conocido comúnmente como " detector de bigotes de gato ". Estos detectores eran muy poco fiables, requerían ajustes frecuentes del detector y no ofrecían amplificación. Por lo general, estos sistemas obligaban al usuario a escuchar la señal a través de auriculares, a veces a un volumen muy bajo, ya que la única energía disponible para su funcionamiento era la captada por la antena. Para la comunicación a larga distancia, normalmente se necesitaban antenas enormes y se debía suministrar una gran cantidad de energía eléctrica al transmisor.

El Audion supuso una mejora considerable, pero los dispositivos originales no podían amplificar la señal producida durante el proceso de detección. Los triodos de vacío posteriores permitieron amplificar la señal al nivel deseado, generalmente conectando la salida amplificada de un triodo a la rejilla del siguiente, lo que proporcionaba potencia más que suficiente para alimentar un altavoz de tamaño normal. Además, podían amplificar las señales de radio entrantes antes del proceso de detección, lo que lo hacía mucho más eficiente.

Los tubos de vacío también podían utilizarse para fabricar transmisores de radio superiores . La combinación de transmisores mucho más eficientes y receptores mucho más sensibles revolucionó las comunicaciones por radio durante la Primera Guerra Mundial .

A finales de la década de 1920, estas "radios de válvulas" comenzaron a convertirse en un elemento habitual en la mayoría de los hogares del mundo occidental , y siguieron siéndolo hasta mucho después de la introducción de las radios de transistores a mediados de la década de 1950.

En la electrónica moderna , la válvula de vacío ha sido reemplazada en gran medida por dispositivos de estado sólido como el transistor , inventado en 1947 e implementado en circuitos integrados en 1959, aunque las válvulas de vacío aún se utilizan hoy en día en aplicaciones como transmisores de alta potencia, amplificadores de guitarra y algunos equipos de audio de alta fidelidad. Imágenes de aplicaciones

• 
  El primer transmisor de radio AM Audion , construido por Lee de Forest y anunciado en abril de 1914.
• 
  Algunos de los primeros transmisores de radio AM Audion , construidos por de Forest alrededor de 1916. La invención del oscilador Audion en 1912 hizo posible la transmisión de sonido por radio a bajo costo y fue responsable del surgimiento de la radiodifusión alrededor de 1920.
• 
  Anuncio de Audion, revista Electrical Experimenter , 1916.

• Radio Corp. v. Radio Engineering Laboratories , 293 U.S. 1 (Corte Suprema de los Estados Unidos, 1934).
• Hong, Sungook (2001), Wireless: From Marconi's Black-box to the Audion , MIT Press, ISBN 9780262082983
• De dónde vienen las buenas ideas , Capítulo V, Steven Johnson, Riverhead Books, (2011).

• Fotografía de 1906 del tubo Audion original, procedente de la Galería Digital de la Biblioteca Pública de Nueva York.
• Lewis, Tom (1991). "Historia del teléfono: El imperio del aire: Los hombres que hicieron posible la radio" . Privateline.com . Archivado del original el 11 de mayo de 2014.
• http://www.britannica.com/EBchecked/topic/1262240/radio-technology/25131/The-Fleming-diode-and-De-Forest-Audio
• Langmuir, Irving (septiembre de 1997) [1915], "La descarga de electrones puros y sus aplicaciones en radiotelegrafía y telefonía" (PDF) , Actas del IEEE , 85 (9): 1496–1508 , doi : 10.1109/jproc.1997.628726 , S2CID 47501618 , archivado del original (PDF) el 24 de septiembre de 2015. Reimpresión de Langmuir, Irving (septiembre de 1915), "La descarga de electrones puros y sus aplicaciones en radiotelegrafía y telefonía" , Actas del IRE , 3 (3): 261– 293, doi : 10.1109/jrproc.1915.216680(Incluye comentarios de De Forest.)
• El Audion: Un nuevo receptor para telegrafía inalámbrica , Lee de Forest, Suplemento de Scientific American n.° 1665, 30 de noviembre de 1907, páginas 348-350, Suplemento de Scientific American n.° 1666, 7 de diciembre de 1907, páginas 354-356.
• El piano Audion de Lee de Forest en '120 años de música electrónica'
• https://books.google.com/books?id=YEASAAAAIAAJ&pg=PA166 Debate de Forest y Armstrong
• Cole, AB (marzo de 1916). "Consejos prácticos sobre el audion" . QST : 41–44 . La bombilla amplificadora del audion es completamente diferente de la bombilla detectora del audion en su construcción y vacío. [página 43]

  También la página 43 dice,

  Las bombillas detectoras de audio convencionales no son adecuadas para la recepción de ondas continuas, ya que el vacío no es el correcto para tal fin y porque los filamentos deben funcionar a una intensidad tan alta que su vida útil es muy corta, lo que las hace innecesariamente caras.

  También la página 44 dice,

  DESCARGA AZUL DE LUMINISCENCIA

  Este fenómeno se presenta en algunas bombillas Audion y no en otras. Si se permite que persista, el vacío aumenta automáticamente. Por esta razón, no se debe permitir que el brillo aparezca y, sobre todo, que continúe, ya que el vacío podría alcanzar un valor muy alto, lo que requeriría un voltaje muy elevado en la batería "B".