Las válvulas termoiónicas

La válvula electrónica, también llamada válvula termoiónica, válvula de vacío, tubo de vacío o bulbo, es un componente electrónico utilizado para amplificar, conmutar, o modificar una señal eléctrica mediante el control del movimiento de los electrones en un espacio "vacío" a muy baja presión, o en presencia de gases especialmente seleccionados. La válvula originaria fue el componente crítico que posibilitó el desarrollo de la electrónica durante la primera mitad del siglo XX, incluyendo la expansión y comercialización de la radiodifusión, televisión, radar, audio, redes telefónicas, computadoras analógicas y digitales, control industrial, etc. Algunas de estas aplicaciones son anteriores a la válvula, pero vivieron un crecimiento explosivo gracias a ella.

La válvula termoiónica más simple está constituida por una ampolla de vidrio, similar a la de las lámparas de incandescencia, a la que se le ha practicado el vacío y en la que se hallan encerrados dos electrodos, denominados cátodo y ánodo.

Físicamente, el cátodo, consiste en un filamento de wolframio, recubierto por una sustancia rica en electrones libres, que se calienta mediante el paso de una corriente. El ánodo está formado por una placa metálica que rodea al filamento a una cierta distancia y a la que se aplica un potencial positivo. Por constar de dos electrodos a la válvula antes descrita se le denomina diodo.

Si se agregan otros electrodos entre ánodo y cátodo (llamados rejillas) se puede controlar o modular el flujo de electrones que llegan al ánodo, de ahí la denominación de válvula.

Debido al hecho de que la corriente por el interior de la válvula solo puede circular en un sentido, una de las aplicaciones de las válvulas termoiónicas es su utilización como rectificador. Asimismo, y dado que con pequeñas diferencias de potencial aplicadas entre rejilla y cátodo se pueden producir variaciones considerables de la corriente circulante entre cátodo y ánodo, otra aplicación, posiblemente la más importante, es como amplificador.

El Diodo

Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido. 

De forma simplificada, la curva característica de un diodo consta de dos regiones: por debajo de cierta diferencia de potencial, se comporta como un circuito abierto (no conduce), y por encima de ella como un circuito cerrado con una resistencia eléctrica muy pequeña. 

Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de suprimir la parte negativa de cualquier señal, como paso inicial para convertir una corriente alterna en corriente continua. 

Los primeros diodos eran válvulas o tubos de vacío, constituidos por dos electrodos rodeados de vacío en un tubo de cristal, con un aspecto similar al de las lámparas incandescentes.

Al igual que las lámparas incandescentes, los tubos de vacío tienen un filamento (el cátodo) a través del cual circula la corriente. El filamento está tratado con óxido de bario, de modo que al calentarse emite electrones al vacío circundante los cuales son conducidos electrostáticamente hacia una placa, curvada por un muelle doble, cargada positivamente (el ánodo), produciéndose así la conducción. Evidentemente, si el cátodo no se calienta, no podrá ceder electrones. Por esa razón, los circuitos que utilizaban válvulas de vacío requerían un tiempo para que las válvulas se calentaran antes de poder funcionar y las válvulas se quemaban con mucha facilidad.

El Triodo

Se denomina triodo a la válvula termoiónica de tres electrodos, ánodo, cátodo y rejilla de control.

El primero es el cátodo, que al calentarse produce electrones. El segundo es el ánodo o placa, que está cargado positivamente y, por tanto, atrae a los electrones. El tercero es la rejilla que se sitúa entre el cátodo y el ánodo.

La tensión aplicada a la rejilla hace que el flujo de electrones desde el cátodo al ánodo sea mayor o menor. Esto es muy interesante pues aplicando una señal de muy débil intensidad entre cátodo y rejilla podemos conseguir que la variación del flujo de electrones entre éste y el ánodo sea muy grande. Es decir, con una pequeña tensión controlamos una gran corriente. A ese fenómeno se le llama amplificación. Por eso, el triodo es un amplificador.

También puede utilizarse para más funciones tales como rectificador o como puertas que dejan pasar la corriente o no (on-off) y que son la base de la electrónica digital, pero su función más importante es la de amplificar.

Al elemento que emite electrones se le llama cátodo, pero al hacerlo adquiere una polaridad positiva. En las válvulas más sencillas esta función la cumple el mismo filamento, que es el elemento calefactor.

El Tetrodo

Se denomina tetrodo a la válvula termoiónica constituida por cuatro electrodos: cátodo, dos rejillas y ánodo.

El tetrodo se desarrolló para evitar un efecto indeseable que se produce en la válvula triodo debido a que la rejilla y la placa de la misma se comportan como un condensador.

Esta capacidad parásita re-alimenta la señal de la placa a la rejilla, dificultando el buen funcionamiento de la válvula en frecuencias altas, por lo que se introdujo una segunda rejilla, denominada pantalla, entre la rejilla normal y la placa. Con ello el condensador rejilla-placa queda desdoblado en dos condensadores en serie, desacoplando la señal entre la placa y la rejilla de control, consiguiéndose con ello una mejora de la amplificación de las frecuencias altas.

A la pantalla se le aplica un potencial positivo con objeto de acelerar los electrones que van del filamento-cátodo a la placa. Este potencial positivo "oculta" el potencial del ánodo, que ejerce poca influencia sobre la rejilla de control. Esta insensibilidad a la tensión de ánodo permite mucha mayor ganancia a un tetrodo que a un triodo.

El Pentodo

Se denomina pentodo a la válvula termoiónica formada por cinco electrodos. Muy parecida funcionalmente al triodo, tiene tres rejillas en vez de una sola.

La razón para añadir una tercera rejilla a la válvula de cuatro electrodos o tetrodo es que aunque con la segunda rejilla se aumentaba la amplificación, había un inconveniente: se producía una emisión secundaria en la placa. Los electrones liberados en esta emisión secundaria son captados por la rejilla pantalla (positiva), introduciendo una gran distorsión en las señales amplificadas.

Es por ello que, para evitar esta emisión secundaria, se añadió una nueva rejilla, llamada supresora que, adecuadamente polarizada (más negativa que la placa), elimina este efecto indeseado, repeliendo los electrones secundarios nuevamente hacia el ánodo. En muchos pentodos la rejilla supresora va unida internamente al cátodo.

La segunda rejilla (pantalla) hace que funcione mejor en frecuencias más altas y la tercera (supresora) elimina la distorsión, por emisión secundaria.