Què és el tub de buit i com funciona

És possible que tingueu la temptació d’acceptar el bon vell tub com una relíquia del passat; al cap i a la fi, com poden fer-se uns trossos de metall d’una bombeta glorificada que aguantin els transistors i els circuits integrats actuals? Tot i que els tubs van perdre el seu lloc a l’aparador de l’electrònica de consum, encara que continuen sent un ús insignificant on es necessita molta potència a freqüències molt elevades (rang de GHz), com ara en la radiodifusió i la televisió, la calefacció industrial, els forns de microones, els satèl·lits comunicacions, acceleradors de partícules, radar, armes electromagnètiques i algunes aplicacions que requereixen nivells i freqüències de potència inferiors, com ara mesuradors de radiació, màquines de raigs X i amplificadors audiòfils.

Fa 20 anys, la majoria de pantalles utilitzaven un tub d’imatge al buit. Sabíeu que també podria haver-hi uns tubs que s’amagaven al voltant de casa vostra? Al cor del forn de microones hi ha un tub de magnetron, o més aviat assegut en una presa de corrent. El seu treball és generar senyals de RF d'alta potència i alta freqüència que s'utilitzen per escalfar tot el que poseu al forn. Un altre dispositiu domèstic amb un tub a l’interior és l’antic televisor CRT que ara probablement es troba en una caixa de cartró de les golfes després de ser substituït per un nou televisor de pantalla plana. El CRT significa "tub de raigs catòdics"- Aquests tubs s'utilitzen per mostrar el senyal de vídeo rebut. Són bastant pesats, grans i ineficients en comparació amb les pantalles LCD o LED, però sí que van fer la feina abans que les altres tecnologies entressin en escena. És una bona idea conèixer-los perquè molta part del món modern encara depèn d’ells, la majoria dels transmissors de televisió utilitzen tubs de buit com a dispositiu de sortida de potència, perquè són més eficients a altes freqüències que els transistors. Sense tubs de buit magnetron no existirien forns de microones barats, perquè les alternatives de semiconductors només es van inventar recentment i continuen sent cares. Molts circuits com oscil·ladors, amplificadors, mescladors, etc. són més fàcils d’explicar amb tubs i veure com funcionen, perquè els tubs clàssics, especialment els triodes,són extremadament fàcils de polaritzar amb pocs components i calcular el seu factor d'amplificació, polarització, etc.

Com funcionen els tubs de buit?

Els tubs de buit regulars es basen en un fenomen anomenat emissió termionica, també conegut com a efecte Edison. Imagineu-vos que és un calorós dia d’estiu que espereu a la cua en una habitació tapada, al costat d’una paret amb un escalfador al llarg de la mateixa, hi ha altres persones que també esperen a la cua i algú encén la calefacció, la gent comença a allunyar-se de la escalfador: llavors algú obre la finestra i deixa entrar una brisa freda que fa que tothom hi migri. Quan l’emissió termionica es produeix en un tub de buit, la paret amb l’escalfador és el càtode, escalfat per un filament, les persones són els electrons i la finestra és l’ànode. En la majoria dels tubs de buit, el càtode cilíndric s’escalfa mitjançant un filament (no gaire diferent del d’una bombeta), cosa que provoca que el càtode emeti electrons negatius que són atrets per un ànode carregat positivament, provocant un corrent elèctric cap a l’ànode. i fora del càtode (recordeu,el corrent va en la direcció oposada que els electrons).

A continuació expliquem l'evolució del tub de buit: díode, triode, tetrode i pentode juntament amb alguns tipus especials de tubs de vacum com Magnetron, CRT, tub de raigs X, etc.

Al principi hi havia díodes

Això s’utilitza en el tub de buit més senzill- el díode, format pel filament, el càtode i l’ànode. El corrent elèctric flueix a través del filament al centre, fent que s’escalfi, brille i emeti radiació tèrmica, de manera similar a una bombeta. El filament escalfat escalfa el càtode cilíndric circumdant, donant prou energia als electrons per superar la funció de treball, fent que es formi un núvol d'electrons anomenat regió de càrrega espacial al voltant del càtode escalfat. L’ànode carregat positivament atrau electrons de la regió de càrrega espacial provocant un flux de corrent elèctric al tub, però què passaria si l’ànode fos negatiu? Com ja sabeu a les lliçons de física de l’institut, com ara les càrregues, l’ànode negatiu repel·leix electrons i no hi ha fluxos de corrent, tot això passa al buit, perquè l’aire impedeix el flux d’electrons. Així s’utilitza un díode per rectificar la corrent altern.

Res com el bon vell Triode!

El 1906 un enginyer nord-americà anomenat Lee de Forest va descobrir que afegir una quadrícula, anomenada quadrícula de control, entre l’ànode i el càtode permet controlar el corrent d’ànode. La construcció del triode és similar a la del díode, amb la reixeta feta a partir de filferro de mobildeni molt fi. El control s’aconsegueix polaritzant la xarxa amb una tensió, la tensió sol ser negativa respecte al càtode. Com més tensió sigui negativa, menor serà el corrent. Quan la xarxa és negativa, repel·leix electrons, disminuint el corrent d'ànode, si és positiu, més corrent d'ànode flueix, a costa que la xarxa es converteixi en un ànode petit, fent que es formi corrent de xarxa que pugui danyar el tub.

El tub triode i altres tubs "reixats" solen ser esbiaixats connectant una resistència d'alt valor entre la xarxa i el sòl, i una resistència de valor inferior entre el càtode i la terra. El corrent que circula pel tub provoca una caiguda de tensió a la resistència del càtode, augmentant la tensió del càtode respecte a terra. La xarxa és negativa respecte al càtode, perquè el càtode té un potencial més alt que el sòl al qual està connectada la xarxa.

Els triodes i altres tubs normals es poden utilitzar com a interruptors, amplificadors, mescladors i hi ha molts altres usos per triar. Pot amplificar els senyals aplicant el senyal a la xarxa i deixant-lo dirigir el corrent de l’ànode, si s’afegeix una resistència entre l’ànode i la font d’alimentació, el senyal amplificat es pot treure de la tensió de l’ànode, perquè la resistència de l’ànode i el tub actuen similar a un divisor de tensió, amb la part del triode que varia la seva resistència d’acord amb la tensió del senyal d’entrada.

Tetrodes al rescat!

Els primers triodes van patir baixos guanys i altes capacitats paràsites. A la dècada de 1920 es va trobar que posant una segona quadrícula (pantalla) entre la primera i l’ànode, augmentava el guany i baixava les capacitats paràsites, el nou tub es deia tetrode, que significa en grec quatre (tetra) manera (oda, sufix). El nou tetrode no era perfecte, patia una resistència negativa causada per una emissió secundària que podia causar oscil·lacions parasitàries. L’emissió secundària es va produir quan la segona tensió de la xarxa era superior a la tensió de l’ànode, provocant una disminució del corrent de l’ànode amb els electrons colpejant l’ànode i provocant la caiguda d’altres electrons i els electrons que s’atrauen a la xarxa de pantalla positiva, provocant un augment corrent de la xarxa.

Pentodes: la frontera final?

La investigació de maneres de reduir les emissions secundàries va donar lloc a la invenció del pentode el 1926 per part dels enginyers holandesos Bernhard DH Tellegen i Gilles Holst. Es va comprovar que l’addició d’una tercera xarxa, anomenada xarxa supressora, entre la xarxa de la pantalla i l’ànode, elimina els efectes de l’emissió secundària repel·lint els electrons eliminats de l’ànode cap a l’ànode ja que està connectat a terra o al càtode. Avui en dia els pentodes s’utilitzen en transmissors inferiors a 50 MHz, ja que els tetrodes dels transmissors funcionen bé fins als 500 MHz i els triodes fins al rang de gigahertzs, per no parlar de l’ús d’audiòfils.

Diferents tipus de tubs de buit

A part d’aquests tubs “normals”, hi ha molts tubs industrials i comercials especialitzats dissenyats per a diferents usos.

Magnetron

El magnetró és similar al díode, però amb cavitats ressonants conformades en l’ànode del tub i tot el tub situat entre dos imants potents. Quan s’aplica tensió, el tub comença a oscil·lar, els electrons passen per les cavitats de l’ànode, provocant la generació de senyals de radiofreqüència, en un procés similar al xiulet.

Tubs de raigs X

Els tubs de raigs X s’utilitzen per generar raigs X amb finalitats mèdiques o de recerca. Quan s’aplica una tensió prou elevada al díode del tub de buit s’emeten rajos X, com més alta sigui la tensió, menor serà la longitud d’ona. Per fer front a l’escalfament de l’ànode, causat pels cops d’electrons, l’ànode en forma de disc gira, de manera que els electrons colpegen diferents parts de l’ànode durant la seva rotació, millorant la refrigeració.

CRT o tub de raigs catòdics

El CRT o el "tub de raigs catòdics" va ser la tecnologia principal de visualització de l'època. En un CRT monocromàtic un càtode calent o un filament que actua com a càtode emet electrons. En el seu camí cap als ànodes, passen per un petit forat del cilindre de Wehnelt, el cilindre actua com una xarxa de control del tub i ajuda a enfocar els electrons en un feix estret. Més tard, són atrets i enfocats per diversos ànodes d’alta tensió. Aquesta part del tub (càtode, cilindre de Wehnelt i ànodes) s’anomena pistola d’electrons. Després de passar els ànodes, passen per les plaques de deflexió i impacten a la part frontal fluorescent del tub, fent que aparegui un punt brillant on colpeja el feix. Les plaques de deflexió s’utilitzen per escanejar el feix a través de la pantalla atraient i repel·lint electrons en la seva direcció, hi ha dos parells, un per a l’eix X i un per a l’eix Y.

Un petit CRT fet per a oscil·loscopis, es pot veure clarament (des de l’esquerra) el cilindre de Wehnelt, els ànodes circulars i les plaques de deflexió en forma de la lletra Y.

Tub d'ona viatgera

Els tubs d’ones viatgeres s’utilitzen com a amplificadors de potència de RF a bord de satèl·lits de comunicació i altres naus espacials a causa de la seva petita mida, baix pes i eficiència a altes freqüències. Igual que el CRT, té una pistola electrònica a la part posterior. Una bobina anomenada "hèlix" s'enrotlla al voltant del feix d'electrons, l'entrada del tub es connecta a l'extrem de l'hèlix més a prop de la pistola d'electrons i la sortida es pren de l'altre extrem. L'ona de ràdio que flueix a través de l'hèlix interactua amb el feix d'electrons, ralentint-la i accelerant-la en diferents punts, provocant l'amplificació. L'hèlix està envoltada per imants d'enfocament de feixos i un atenuador al centre, el seu propòsit és evitar que el senyal amplificat torni a l'entrada i provoqui oscil·lacions parasitàries. Al final del tub es troba un col·lector,sent comparable a l’ànode d’un triode o pentode però no se’n treu cap sortida, es troba. El feix d’electrons impacta sobre el col·lector i finalitza la història a l’interior del tub.

Tubs de Geiger – Müller

Els tubs Geiger – Müller s’utilitzen en mesuradors de radiació, consisteixen en un cilindre metàl·lic (càtode) amb un forat a un extrem i un fil de coure al mig (ànode) dins d’un embolcall de vidre ple d’un gas especial. Sempre que una partícula travessa el forat i impacta la paret del càtode durant un breu moment, el gas del tub s’ionitza i permet que flueixi corrent. Aquest impuls es pot escoltar a l’altaveu del comptador com un clic característic.