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Prólogo
Hasta la llegada del transistor, todos los amplificadores, emisoras y receptores de radio se hacían con válvulas. Hoy, para muchas personas, no son más que unos «cacharros» fácilmente rompibles, misteriosos y de vida muy corta. Antes de las
válvulas ni siquiera había amplificadores y el transistor se inventó mucho más tarde, en el año
1948. Incluso en la actualidad es difícil encontrar emisoras transistorizadas que no contengan alguna válvula de vacío.
Con la invención del transistor, la válvula perdió su monopolio como elemento activo en electrónica. Sin embargo, no han llegado a desaparecer por completo y en muchas aplicaciones, especialmente cuando se manejan grandes potencias, siguen siendo indispensables. Incluso hay casos en que los transistores harían un buen papel, y siguen encontrándose válvulas. Muchos melómanos y técnicos prefieren las válvulas a los transistores.
Los técnicos eligen los tubos por su indestructividad y por su capacidad para manejar grandes potencias, los entusiastas del audio las prefieren por otras razones. Ellos consideran que suenan diferente (mejor) a los transistores. En cualquier caso es cierto que las válvulas están reviviendo, sólo tenemos que fijarnos en la proliferación de etapas de alta fidelidad que se ofrecen en el sector «high-end».
¿Qué es exactamente una válvula?
No faltará quien se refiera a ellas con expresiones como:«... un cacharro anticuado y frágil, de cristal, con un montón de piezas metálicas dentro». Desde luego, la definición no es del todo incorrecta, pero tampoco es exacta. Cierto que la válvula es de cristal, pero no es ni anticuada ni frágil. En algunos casos, por ejemplo, en emisoras de mucha potencia, no es posible construirla sin tubos de vacío, y en sectores como la alta fidelidad, su vigencia es evidente.
Una definición más técnica de lo que es una válvula, podría ser: «... componente electrónico en uno de cuyos extremos se inyectan electrones para obtener en el otro una parte de éstos. Entre ambos extremos o electrodos, se encuentra un tercero, el de control, con el cual se puede controlar el flujo de electrones de un terminal a otro».
La mayor diferencia con el transistor es que el electrodo de control no absorbe corriente. Es por esto por lo que se compara la válvula en la forma de funcionamiento a un transistor MOS-FET (Metal Oxide Semiconductor - Field Effect Transistor)
¿Hay más diferencias entre un transistor y una válvula? ¡Muchas más! Por ejemplo, para una válvula es completamente normal que en vacío se caliente relativamente pronto. Además, necesita un filamento de caldeo que se pondrá al rojo vivo para animar a los electrones que, en frío, son difícilmente movibles. La válvula de vacío es mecánicamente más frágil que el transistor, pero electrónicamente muchísimo más robusta, ¡es casi imposible romperla! Cuando en un circuito haya algo mal, la válvula se estropeará lentamente, al contrario que el transistor, que da de golpe toda su alma. Esto es una válvula.
¡Fuera lupas!
Lo mejor de las válvulas salta a la vista: no es necesario un microscopio electrónico para ver cómo están construidas. Además, su forma de funcionamiento no es demasiado complicada. Lo importante en ellas es el movimiento de los portadores de carga (electrones) en un espacio prácticamente exento de aire.
La válvula está constituida por una cápsula de cristal con una serie de mallas metálicas superpuestas en su interior. Dentro de estas mallas existen siempre dos claramente definidas: el ánodo y el cátodo. Para construir el cátodo suele utilizarse un pequeño tubo de níquel, sobre el cual se gasifica una capa de óxido de bario-estroncio. Dentro del tubillo se encuentra un filamento que calienta el cátodo a una temperatura entre 700 y 800 °C. De esta forma se colorea la superficie de rojo oscuro. El filamento está aislado eléctricamente del cátodo por una ligera capa de óxido de aluminio que, además, es un buen conductor del calor. Al calentarse el cátodo, los electrones adquieren una velocidad tal que muchos de ellos sobrepasan la velocidad crítica de separación y abandonan la superficie (emisión térmica también llamada «efecto Edison»).
Se forma así una nube electrónica alrededor del cátodo, que está cargada negativamente respecto a él. Entre el cátodo y la nube electrónica se llega a un equilibrio de cargas eléctricas que depende entre otros factores de la temperatura del electrodo y del material utilizado. Si colocamos a una cierta distancia del cátodo, otra placa metálica (el ánodo), cargada positivamente respecto al cátodo, habrá una atracción de electrones hacia ella. Como el cátodo intenta mantener su posición de equilibrio, cederá más electrones a la nube electrónica que los había perdido para dárselos al ánodo.
Se crea entonces un flujo de electrones desde el cátodo al ánodo, a través de la nube electrónica, es la llamada «corriente de ánodo». Incluso en el caso de que el ánodo no esté cargado positivamente respecto al cátodo, habrá una pequeña corriente o intensidad de circulación en dirección al ánodo, ya que la nube electrónica siempre estará cargada negativamente frente a él. Este tipo de tubo se llama «diodo». Como el ánodo no se calienta, no es posible la circulación de corriente a través del vacío, desde el ánodo al cátodo, por muy negativo que sea el primero frente al segundo. La corriente sólo puede ir en el sentido cátodo-ánodo, asimilándose así a un rectificador. Este tipo de válvula no tiene tensión umbral.
Triodo, Tetrodo y Pentodo
Si entre ánodo y cátodo disponemos un tercer electrodo, habremos fabricado un triodo (tres electrodos). El tercer electrodo tiene normalmente una forma espiral con mucha pendiente y se denomina rejilla o rejilla de control.
Si le aplicamos una tensión más negativa que la del cátodo, se crea un campo eléctrico (electrostático) entre éste y la rejilla, que se opone al campo creado entre el cátodo y el ánodo. Bajo ciertas circunstancias, se compensan los dos efectos. La tensión de rejilla ejerce, como se ve, una función de control sobre la corriente de ánodo. Haciendo más negativa la tensión de rejilla, podemos incluso llegar a anular completamente la corriente de ánodo.
Si la excitamos con una tensión alterna, variará la corriente de ánodo al ritmo de la corriente alterna. Dado que la rejilla de control se encuentra a mucha menos distancia del cátodo que del ánodo, variará la tensión del ánodo, debido a la fuerza de atracción, mucho más que la tensión de rejilla afectada por la fuerza de repulsión. Con ello se compensa cualquier ligera variación de la tensión de rejilla para mantener la corriente de ánodo constante.
La relación entre estas variaciones se denomina factor de amplificación y se representa con la letra griega "mu".
Relacionando los incrementos de la tensión de la rejilla y el cambio resultante en la corriente de ánodo, para una misma tensión de ánodo, se obtiene la transconductancia, más conocida como S.
Esta válvula puede utilizarse como amplificador, si se conecta al ánodo una resistencia de continua o de alterna. En el triodo se forma un condensador entre la rejilla y el ánodo. Los circuitos de ambos electrodos están en consecuencia acoplados capacitativamente, disminuyendo este efecto a medida que aumenta la frecuencia. De esta forma pueden aparecer realimentaciones fuertes en altas frecuencias, adquiriendo la válvula una resistencia negativa que puede hacer oscilar al circuito. Para evitarlo se puede añadir un cuarto electrodo entre rejilla y ánodo, cuya tensión respecto al cátodo se mantenga constante. De esta forma se reduce considerablemente la realimentación y por consiguiente se elimina el efecto de oscilación. El cuarto electrodo se llama pantalla y la válvula así constituida «tetrodo». Como la pantalla no tiene un efecto importante sobre la corriente de ánodo, se conecta a una tensión positiva relativamente alta, normalmente mayor que la del ánodo.
Los electrones que consiguen atravesar la pantalla, se aceleran tanto por la fuerza de atracción del ánodo, que uno solo de ellos, al chocar contra este electrodo, puede provocar la emisión de varios electrones, los «electrones secundarios», que pueden volver al ánodo o a la pantalla. En este último caso aparece en la característica de la válvula un pico, marcando la zona de resistencia dinámica negativa de la válvula, y en consecuencia el peligro de oscilación. Para impedir que los electrones alcancen la pantalla, se añade un quinto electrodo llamado rejilla supresora, que se conecta al cátodo. Esta rejilla se ocupa de frenar los electrones secundarios que han sido rebotados del ánodo, de forma que no pueden llegar a la rejilla pantalla y vuelvan al ánodo. Esta válvula con cinco electrodos se denomina pentodo.
Existen aparte otras como el hexodo, de seis electrodos; el heptodo, de siete, y el octodo, con ocho electrodos, o lo que es lo mismo, seis rejillas. Además podemos realizar multitud de combinaciones dentro de un mismo encapsulado: un triodo-pentodo, diodo-hexodo... etc.
Características
"Ia-Va" de un
Diodo, Triodo, Tetrodo y Pentodo.
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En un Diodo la tensión de ánodo tiene que ser ligeramente negativa para poder anular por completo la intensidad del ánodo. A cero voltios ya existe una pequeña intensidad. Estos diodos son adecuados para aplicaciones de voltímetros. | ||||
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En un Triodo la característica muestra claramente que, para una pequeña variación de la tensión de rejilla (por ejemplo, de 2 V) se necesita una variación de la tensión de ánodo mucho mayor para mantener la intensidad de ánodo constantes (unos 50 V). | ||||
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Esta característica de un Tetrodo muestra una «joroba» en la zona en la cual la tensión de ánodo es inferior a la de pantalla. Esta «joroba» es debida a los electrones secundarios que fluyen desde el ánodo a la pantalla. | ||||
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La característica del Pentodo es notablemente más plana que las válvulas anteriores. Se parece bastante a la característica Ic-Uc de un transistor. |
Forma interna de un Pentodo.
Cada uno de los electrodos se ha dibujado separadamente a la izquierda. En la parte derecha se ve que el símbolo eléctrico del pentodo da una información detallada de su construcción interna.
Símbolos de las válvulas más comunes.
Ventajas e inconvenientes
Las válvulas de vacío tenían, como es lógico, otro inconveniente en comparación con los transistores. Ellos, por ejemplo, no necesitan filamento para calentarse, en cambio aguantan tensiones y temperaturas mucho mayores. Las válvulas son muy frágiles mecánicamente pero tampoco es conveniente maltratar a los transistores.
Al igual que las bombillas normales de filamento, las válvulas envejecen y mueren con el tiempo, pero se han desarrollando tubos especiales como los de telefonía, los tubos «SQ» (Special Quality) y los «LL» (Long-Life), que aguantan unas 10.000 horas de funcionamiento.
El segundo punto que diferencia de forma sustancial las válvulas de los transistores es que necesitan mucho más espacio, incluso por la refrigeración que resulta, desde luego, mucho más laboriosa.
El tamaño y las características técnicas han hecho que estos entrañables componentes se vean desplazados por el transistor. Sin embargo, en la actualidad, se utilizan todavía en emisoras de mucha potencia (más de un kW) y como calefactores de alta frecuencia en la industria. Y no es difícil encontrarlas en emisoras de radar, en los «magnetrones», en transmisores y receptores de TV o en cualquier sofisticado horno de microondas.
Consejos prácticos
En comparación con los transistores es relativamente sencillo, tanto para el técnico como para el principiante, trabajar con válvulas, sobre todo a la hora de localizar averías. Su forma de indicar el buen o mal funcionamiento es inconfundible: al aplicarles tensión, el cátodo se ilumina. Si no es así, el diagnóstico será igualmente irreversible: filamento quemado.
En un tetrodo o un pentodo, no debe iluminarse la rejilla-pantalla (segunda rejilla vista desde dentro). Si la vemos al rojo, debemos desconectarla inmediatamente, pues está sobrecargada. Normalmente esto es debido a una ausencia de tensión en el ánodo. También en caso de iluminarse este electrodo debe desconectarse la válvula inmediatamente, pues el rendimiento es muy bajo y está provocando una acumulación peligrosa de energía en el ánodo. Las razones:
• Un mal diseño provocando la sobrecarga de la válvula.
• Montaje incorrecto del ánodo de la válvula, con disipación insuficiente de energía.
• Tensión de rejilla poco negativa o incluso positiva, que hace aumentar exageradamente la corriente de ánodo.
La causa puede ser un cortocircuito en el condensador de desacoplo de la etapa anterior; una resistencia de rejilla demasiado grande; un cortocircuito entre rejilla, control y cátodo...
Una iluminación violenta del ánodo es síntoma de que la válvula contiene gas, o lo que es lo mismo, que no está herméticamente sellada y va a morir muy pronto. En válvulas de alta tensión, en cambio, esta incandescencia es muy normal. Una iluminación violeta no suele ser peligrosa si no se produce en el ánodo.
Lo que se ha de tener muy en cuenta en el manejo de válvulas es la necesidad de un buen zócalo para montarlas. No deben soldarse directamente en la placa de circuito impreso y siempre habrá de cuidarse la refrigeración de los tubos, pues aunque aguantan temperaturas muy altas, un calentamiento excesivo de forma continuada, no lo resiste ni la mejor de las válvulas.
Resumen del funcionamiento de una válvula
(continuará)
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