Triodo

ECC83 , un triodo doble utilizado en equipos de audio de la década de 1960 , que muestra el brillo anaranjado del cátodo caliente.

El 3CX1500A7 es un triodo de potencia moderno de 1,5  kW utilizado en transmisores de radio . Su estructura cilíndrica actúa como disipador de calor, fijado a la placa, a través del cual se sopla aire durante su funcionamiento.

Un triodo es un tubo de vacío amplificador electrónico (o válvula termoiónica en inglés británico ) que consta de tres electrodos dentro de una envoltura de vidrio al vacío: un filamento calentado o cátodo , una rejilla y una placa ( ánodo ).

Desarrollado a partir del Audion de Lee De Forest de 1906 , un tubo de vacío parcial que añadía un electrodo de rejilla al diodo termoiónico ( válvula de Fleming ), el triodo fue el primer amplificador electrónico práctico y el antecesor de otros tipos de tubos de vacío como el tetrodo y el pentodo . Su invención contribuyó a hacer posible la tecnología de radio amplificada y la telefonía de larga distancia . ^{[ 1 ]} Los triodos se utilizaron ampliamente en dispositivos electrónicos de consumo como radios y televisores hasta la década de 1970, cuando los transistores los reemplazaron. Hoy en día, su principal uso restante es en amplificadores de RF de alta potencia en transmisores de radio y dispositivos industriales de calentamiento por RF. En los últimos años ha habido un resurgimiento en la demanda de triodos de baja potencia debido al renovado interés en los equipos de audio de tipo tubo por parte de los audiófilos que prefieren el sonido de la electrónica basada en tubos. ^{[ 2 ]}

El nombre "triodo" fue acuñado por el físico británico William Eccles ^{[ 3 ] [ 4 ]} alrededor de 1920, derivado del griego τρίοδος, tríodos , de tri- (tres) y hodós (camino, vía), que originalmente significaba el lugar donde se encuentran tres caminos.

Todos los triodos tienen un electrodo de cátodo caliente calentado por un filamento , que libera electrones, y un electrodo de placa metálica plana (ánodo) al que son atraídos los electrones, con una rejilla compuesta por una pantalla de alambres entre ellos para controlar la corriente. ^{[ 24 ]} Estos están sellados dentro de un recipiente de vidrio del que se ha extraído el aire hasta alcanzar un alto vacío, de aproximadamente 10 ⁻⁹ atm. Dado que el filamento eventualmente se quema, el tubo tiene una vida útil limitada y se fabrica como una unidad reemplazable; los electrodos están conectados a pines terminales que se enchufan a un zócalo. La vida útil de un triodo es de aproximadamente 2000 horas para tubos pequeños y 10 000 horas para tubos de potencia. Se descubrió que el triodo doble 6J6 tenía una tasa de fallas del 0,5 % por cada 1000 horas en IBM en 1952. ^{[ 25 ]}

tubos de faro

Un tipo de triodo de baja potencia para uso en frecuencias ultraaltas (UHF), el tubo "faro", tiene una construcción planar para reducir la capacitancia entre electrodos y la inductancia de los cables , lo que le da la apariencia de un "faro". ^{[ 26 ]} El cátodo, la rejilla y la placa en forma de disco forman planos en el centro del tubo, un poco como un sándwich con espacios entre las capas. ^{[ 27 ]} El cátodo en la parte inferior está unido a los pines del tubo, pero la rejilla y la placa se extienden a terminales de baja inductancia en el nivel superior del tubo: la rejilla a un anillo de metal a la mitad de la altura, y la placa a un botón de metal en la parte superior. Estos son un ejemplo de diseño de "sello de disco". Los ejemplos más pequeños prescinden de la base de pines octal que se muestra en la ilustración y utilizan anillos de contacto para todas las conexiones, incluido el calentador y el cátodo de CC.

Asimismo, el rendimiento a alta frecuencia está limitado por el tiempo de tránsito: el tiempo que tardan los electrones en viajar del cátodo al ánodo. Los efectos del tiempo de tránsito son complejos, pero un efecto simple es la conductancia de entrada, también conocida como carga de la red. A frecuencias extremadamente altas, los electrones que llegan a la red pueden desfasarse con respecto a los que parten hacia el ánodo. Este desequilibrio de carga provoca que la red presente una reactancia mucho menor que su característica de "circuito abierto" a baja frecuencia. ^{[ 28 ]}

Los efectos del tiempo de tránsito se reducen al disminuir el espacio entre electrodos en el tubo. Tubos como el 416B (un diseño de Lighthouse) y el 7768 (un diseño miniaturizado totalmente cerámico) están diseñados para operar hasta 4  GHz. Presentan un espacio entre rejilla y cátodo considerablemente reducido, del orden de 0,1  mm.

Estas reducciones significativas en el espaciado de la rejilla también proporcionan un factor de amplificación mucho mayor que los diseños axiales convencionales. El 7768 tiene un factor de amplificación de 225, en comparación con 100 para el 6AV6 utilizado en radios domésticas y aproximadamente el máximo posible para un diseño axial.

La capacitancia ánodo-rejilla no es especialmente baja en estos diseños. La capacitancia ánodo-rejilla del 6AV6 es de 2 picofaradios (pF), mientras que la del 7768 es de 1,7 pF. El espaciado reducido entre electrodos utilizado en los tubos de microondas aumenta las capacitancias, pero este aumento se compensa con sus dimensiones generales reducidas en comparación con los tubos de menor frecuencia. ^{[ 29 ]}

Triodo con cátodo y filamento separados.

Triodo en el que el filamento actúa como cátodo.

El filamento se ha omitido del diagrama.

Símbolos de circuitos esquemáticos para triodos. ( F ) filamento, ( C ) cátodo, ( G ) rejilla, ( P ) placa

En un triodo, los electrones se emiten desde un cátodo calentado mediante emisión termoiónica . La emisión depende de la función de trabajo del material del cátodo y de su temperatura, de acuerdo con la ley de Richardson . ^{[ 30 ]} En los primeros tubos, el filamento mismo actuaba como emisor, y esta disposición sigue siendo común en los tubos transmisores. En la mayoría de los tubos receptores, el cátodo se calienta indirectamente mediante un filamento independiente, lo que permite mantenerlo a un potencial eléctrico uniforme. El desarrollo de cátodos recubiertos de óxido permitió una emisión sustancial a temperaturas relativamente bajas y se convirtió en un estándar en la práctica de recepción. ^{[ 31 ]}

El interior del tubo se evacúa para que los electrones puedan viajar del cátodo al ánodo sin colisiones significativas con las moléculas de gas. Cuando se aplica un voltaje positivo al ánodo (placa), los electrones son atraídos a través del espacio intermedio. La corriente resultante está regida no solo por la capacidad de emisión del cátodo, sino también por la carga espacial formada por los electrones en tránsito entre el cátodo y la placa. ^{[ 32 ]} En condiciones normales de funcionamiento, el triodo opera en la región limitada por la carga espacial . ^{[ 33 ]}

Se coloca una rejilla de alambre fino entre el cátodo y la placa para controlar esta corriente. Debido a su proximidad al cátodo, una pequeña variación en la tensión de la rejilla produce una variación relativamente grande en el campo eléctrico de la región del cátodo. Por lo tanto, la rejilla ejerce un mayor control sobre la corriente de placa que la propia tensión de placa. ^{[ 34 ]} En la aplicación de amplificadores, la rejilla se mantiene normalmente ligeramente negativa con respecto al cátodo. Si la rejilla se vuelve suficientemente negativa, la corriente de placa se reduce a cero; esta condición se denomina corte. ^{[ 35 ]}

La corriente de placa de un triodo (${\displaystyle I_{p}}$) depende tanto del voltaje de la red (${\displaystyle E_{g}}$) y voltaje de placa (${\displaystyle E_{p}}$El análisis de las características de la placa muestra que las curvas correspondientes a diferentes voltajes de red son similares en forma y difieren principalmente en el desplazamiento horizontal. Este comportamiento puede expresarse aproximadamente mediante la relación de potencia de tres medios.

${\displaystyle I_{p}=k(E_{g}+{E_{p} \over \mu })^{3 \over 2}}$

dónde${\displaystyle \mu }$es el factor de amplificación y${\displaystyle k}$es una constante determinada por la geometría del tubo. ^{[ 34 ]} En esta formulación, el triodo se comporta de forma análoga a un diodo cuyo potencial de aceleración efectivo es

${\displaystyle E_{g}+{E_{p} \over \mu }}$

La tensión de la red entra así en la ley de corrientes de la misma manera que la tensión de placa, pero multiplicada por el factor${\displaystyle \mu }$.

Esta relación explica la similitud y el desplazamiento de las curvas características de la placa. Un cambio en el voltaje de la placa produce el mismo efecto en la corriente de la placa que un cambio en el voltaje de la red igual a${\displaystyle {E_{p} \over mu}}$El factor de amplificación${\displaystyle \mu }$Por lo tanto, representa la efectividad relativa del voltaje de red en comparación con el voltaje de placa en el control de la corriente. Dado que${\displaystyle \mu }$Si normalmente es grande, una pequeña variación del voltaje de la red produce el mismo cambio en la corriente de placa que una variación mucho mayor del voltaje de placa.

Las curvas características que muestran la corriente de placa en función del voltaje de placa para varios voltajes de red ilustran esta relación. ^{[ 34 ]} Una variación relativamente pequeña del voltaje de red es capaz, por lo tanto, de controlar una corriente de placa sustancialmente mayor, lo que posibilita la amplificación de voltaje y potencia. ^{[ 36 ]}

La rejilla y la placa también forman una capacitancia entre electrodos. Por lo tanto, las variaciones del voltaje de la placa pueden acoplarse de nuevo a la rejilla, un efecto que puede introducir inestabilidad u oscilación a altas frecuencias a menos que se empleen medidas de circuito adecuadas, ^{[ 37 ]} como en el neutrodino .

ECC81 mu=60

ECC82 mu=17

ECC83 mu=100

Los ECC81 (12AT7), ECC82 (12AU7) y ECC83 (12AX7) son triodos duales en miniatura que comparten la misma envoltura de nueve pines y la misma disposición del filamento, pero difieren significativamente en sus características eléctricas. Los parámetros típicos publicados se resumen a continuación. ^{[ 38 ]}

El triodo fue el primer dispositivo no mecánico capaz de proporcionar ganancia de potencia en frecuencias de audio y radio, lo que hizo posible la radio . Los triodos se utilizan en amplificadores y osciladores . Muchos tipos se emplean únicamente a frecuencias y niveles de potencia bajos o moderados. Los triodos de gran tamaño refrigerados por agua pueden utilizarse como amplificador final en transmisores de radio, con potencias de miles de vatios. Ciertos tipos de triodos especializados (tubos tipo "faro", con baja capacitancia entre sus elementos) proporcionan una ganancia útil en frecuencias de microondas.

Los triodos se siguen utilizando en ciertos amplificadores y transmisores de RF de alta potencia . Los triodos transmisores de alta potencia se siguen fabricando para aplicaciones industriales y de RF especializadas, incluidos transmisores de radio, aceleradores de partículas y equipos de calentamiento dieléctrico. Varios fabricantes continúan produciendo estos tubos de vacío y componentes de RF relacionados para estos fines. ^{[ 42 ]}

Las hojas de datos de los triodos proporcionan familias de curvas características que muestran la corriente del ánodo (Ia) en función de la tensión del ánodo (Va) para diversas tensiones de rejilla fijas (Vg). Estas curvas describen el comportamiento intrínseco del dispositivo. El circuito externo impone una restricción adicional, que puede representarse gráficamente mediante una línea de carga. La intersección de la línea de carga con una curva de tensión de rejilla determina el punto de operación. ^{[ 43 ]}

El método de la línea de carga gráfica se utilizó ampliamente en el diseño práctico de tubos de vacío. ^{[ 44 ] [ 45 ]}

Para un triodo con una resistencia de carga de ánodo Ra conectada a una fuente de alimentación V+, la relación del circuito es:

Va = V+ − IaRa

o equivalentemente:

Ia = (V+ − Va) / Ra

Cuando se representa gráficamente en los mismos ejes que las curvas características (Ia frente a Va), esta ecuación forma una línea recta conocida como la línea de carga de CC. Está definida por dos intersecciones:

Si Ia = 0, entonces Va = V+

Si Va = 0, entonces Ia = V+ / Ra

Una línea recta que une estos puntos representa todas las combinaciones de voltaje y corriente de placa compatibles con el circuito externo. El punto de operación en reposo (punto Q) se encuentra donde esta línea interseca la curva correspondiente a la polarización de rejilla elegida. ^{[ 46 ]}

Como describe Frederick Emmons Terman, ^{[ 47 ]} cuando se aplica una señal alterna a la red, el punto de operación instantáneo se desplaza a lo largo de la línea de carga. Las intersecciones de la línea de carga con las curvas adyacentes de tensión de red determinan los cambios correspondientes en la corriente y la tensión de placa. De esta manera, se pueden estimar gráficamente la ganancia de tensión, la oscilación de corriente y los límites de operación sin distorsión.

Por ejemplo, consideremos un triodo ECC83 polarizado a Va = 200 V y Vg = −1 V. Según las curvas características, esto corresponde a una corriente de ánodo de aproximadamente 2,2 mA. Con una resistencia de carga de ánodo Ra = 10 kΩ, la caída de tensión en la resistencia es de 22 V a esta corriente, lo que requiere una tensión de alimentación de aproximadamente V+ = 222 V para establecer el punto de funcionamiento.

Si se aplica una señal de 1 V pico a pico alrededor de la polarización de −1 V (de modo que Vg varíe entre −0,5 V y −1,5 V), el punto de operación se desplaza a lo largo de la línea de carga:

A Vg = −0,5 V, Ia ≈ 3,1 mA y Va ≈ 191 V

A Vg = −1,5 V, Ia ≈ 1,4 mA y Va ≈ 208 V

Así, una entrada de 1 V pico a pico produce aproximadamente 17 V pico a pico en el ánodo, lo que corresponde a una ganancia de voltaje de aproximadamente 17 en estas condiciones. ^{[ 48 ]}

Además del análisis gráfico de la línea de carga, la capacidad de amplificación intrínseca de un triodo se describe mediante su factor de amplificación, μ. Según la definición de Terman, ^{[ 49 ]} μ es la relación entre un cambio en el voltaje de placa y el cambio correspondiente en el voltaje de rejilla necesario para mantener constante la corriente de placa:

μ = (∂Va / ∂Vg) a Ia constante

Geométricamente, esto se puede determinar a partir de las curvas características moviéndose a lo largo de una línea horizontal (corriente de placa constante) y comparando el espaciado de las curvas adyacentes de voltaje de rejilla. ^{[ 50 ]} Para el ECC83, μ es aproximadamente 100. Este valor es una propiedad del propio tubo y es independiente de la carga externa.

La pendiente de la recta de carga determina cómo las variaciones en la tensión de la rejilla se traducen en cambios en la corriente y la tensión. Una menor resistencia de carga produce una mayor variación de corriente, pero una menor oscilación de tensión. Una mayor resistencia de carga produce una mayor oscilación de tensión, pero una menor variación de corriente. Si el ánodo está conectado a una carga ideal de corriente constante, la recta de carga se vuelve horizontal, ya que la corriente de placa está restringida, mientras que la tensión de placa puede variar libremente. En este caso, pequeños cambios en la tensión de la rejilla producen principalmente cambios en la tensión de placa, aumentando la ganancia de tensión disponible. El método gráfico de la recta de carga también puede utilizarse para determinar la máxima potencia de salida sin distorsión que se puede obtener de un amplificador de triodo que opera en Clase A, como se describe en el Manual de Tubos Receptores de RCA (RC-26, 1968). ^{[ 51 ]}

Tras trazar la recta de carga de CC y localizar el punto de operación en reposo, la amplitud de la señal admisible se determina por los puntos donde la recta de carga alcanza las regiones límite de operación (corte a baja corriente y saturación o región de corriente de red a alta corriente). Para la operación en Clase A, el punto de polarización se suele elegir de forma que permita una amplitud de tensión aproximadamente simétrica respecto al valor en reposo, con el fin de obtener la máxima salida sin distorsión.

Según el gráfico:

Vpp = Va,máx − Va,mín

Vrms = Vpp / (2√2)

Po = Vrms² / Rcarga

La carga que rige la oscilación de la señal es la carga de CA efectiva presentada a la placa. Esta no tiene por qué ser idéntica a la carga de CC que establece el punto de operación. En las etapas acopladas por transformador, la carga de CA es la impedancia reflejada de la carga secundaria:

Rreflejado = (Np / Ns)² × RL

donde Np/Ns es la relación de espiras del transformador y RL es la resistencia de carga secundaria. ^{[ 52 ]}

Mediante la elección adecuada de la resistencia de carga o la relación de transformación, la línea de carga puede posicionarse para obtener la máxima oscilación simétrica y, por lo tanto, la máxima potencia de salida de Clase A.

El método de la línea de carga puede extenderse a amplificadores push-pull mediante la formación de características de placa compuestas para los dos tubos. Como demostró BJ Thompson, ^{[ 53 ]} las características de corriente-tensión de placa de un tubo se invierten y se combinan algebraicamente con las del otro, teniendo en cuenta la relación de fase de 180° de las tensiones aplicadas. Las características compuestas resultantes representan la corriente efectiva entre placas en función de la tensión de placa para el par.

Se traza una línea de carga a través del punto de operación en estas curvas compuestas de la manera habitual. La resistencia de carga efectiva entre placas es cuatro veces la resistencia conectada a través de un secundario con el mismo número de espiras que la mitad del primario. La potencia de salida, la corriente de placa promedio y la distorsión se pueden determinar gráficamente como para un solo tubo. ^{[ 54 ]}

Los triodos duales, como el 12AX7 , el 12AU7 y el 12AT7 , se utilizan ampliamente en las etapas de preamplificación de los amplificadores de guitarra. Cada válvula contiene dos secciones de triodo independientes, lo que permite múltiples etapas de ganancia de voltaje dentro de un solo tubo.

La literatura sobre amplificadores de guitarra analiza la sustitución de estos triodos duales para alterar la estructura de ganancia y la respuesta tonal. Aspen Pittman señala que los guitarristas experimentan con diferentes tipos en las posiciones del preamplificador para modificar el carácter del amplificador. En este contexto, se describe que la 12AX7 produce un "sonido cálido y suave", la 12AU7 un sonido "más limpio" y la 12AT7 se utiliza en ciertas etapas de excitación para obtener un "tono más limpio y brillante". ^{[ 55 ]}

Las discusiones técnicas sobre estos tubos enfatizan sus diferentes propiedades eléctricas. El 12AX7 (μ ≈ 100) se usa comúnmente para etapas de preamplificación de alta ganancia, mientras que los tipos de menor ganancia, como el 12AT7 y el 12AU7, se emplean cuando se desea una mayor capacidad de corriente, una menor resistencia de placa o un mayor margen dinámico, incluso en etapas de excitación e inversión de fase. ^{[ 56 ]}

• Amplificación fiel
• Hanso Idzerda
• Lista de tubos de vacío

• Les lampes radio — Una página francesa sobre válvulas termoiónicas. De particular interés es el vídeo de 17 minutos que muestra la fabricación manual de triodos.
• Tutorial sobre la válvula triodo