Válvulas Electronicas de Transmisión
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Transmisin de TelevisinVlvulas electrnicas de Transmisin
Constantino Prez Vega - 2004
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5VALVULASELECTRONICASDETRANSMISIONIntroduccinActualmenteparece abundar la opinin de que las vlvulas o tubos electrnicos son yapiezasde
museo
y
no
se
utilizan.
Efectivamente,
los
tipos
de
vlvulas
para
manejo
de
seales
a
potencias
pequeasqueseutilizaronextensamenteentodosloscircuitoselectrnicoshastaeladvenimientode
los transistoresyotrosdispositivosdeestadoslido,handejadodeusarseporcompletoy,aunque
vuelvenautilizarseenalgunoscasosaisladoscomociertosamplificadoresdesonido,puedeafirmarse
que efectivamente no encuentran aplicacin en casi ningn equipo profesional o de consumo. Sin
embargo, hay numerosas aplicaciones en la vida cotidiana que pasan desapercibidas y en que las
vlvulas electrnicas continan desempeando un papel muy importante. Baste mencionar
nicamentedosaplicaciones:lostubosderayoscatdicosqueconstituyenlapantalladetelevisoresy
monitoresdecomputadorayloshornosdemicroondas.
Ensistemasdecomunicaciones,ciertotipodevlvulascontinanemplendoseampliamente,sinque
se
vislumbre
un
futuro
cercano
en
que
puedan
ser
substituidas
por
componentes
de
estado
slido.
Entreellas, los tubosdeondaprogresiva (TWT)en losamplificadoresde los transpondedoresde la
mayorade lossatlites, losmagnetronesutilizadosextensamenteenradaresy losdiversostiposde
tubosamplificadoresdepotenciaenlostransmisoresderadioytelevisin.Enlosterrenoscientfico,
industrialymdico lasvlvulaselectrnicasseemplean,porejemplo,enaceleradoresdepartculas,
radares,sistemasdecalentamientoindustrialyaparatosderayosX.
El estudio de los dispositivos electrnicos al vaco, salvo casos aislados, ha sido prcticamente
eliminado de la mayora de los planes de estudio actuales y la mayor parte de los estudiantes
desconocen por completo tanto los principios fsicos como las aplicaciones actuales de estos
dispositivos.Porello,esconvenientededicar,aunquesloseade formadescriptivayrelativamente
superficial,
un
breve
tiempo
al
estudio
de
las
vlvulas
amplificadoras
de
potencia
en
uso
en
transmisoresderadioytelevisin.
Los retos tcnicosque aque se enfrenta eldiseode transmisores,desdeque se inici el servicio
regular de televisin hasta nuestros das no han cambiado significativamente. Tales retos, no
pequeos, han tenido como objetivos principales la obtencin de elevadas potencias, mayores
frecuenciasdeoperacin,reduccindedefectosen lasealtransmitidaymayoreficienciaglobal.El
logrodeestosobjetivosnoes sencillo,yaquecon frecuencia,algunosdeellos se contraponen.Por
ejemplo,elfuncionamientoafrecuenciasmsaltassepuedeobtener,generalmente,aexpensasdela
potenciay,paraundispositivoactivoespecfico,lamejoradelarespuestaenfrecuenciaafindeque
seaplanaenlabandadepaso,sepuedeobteneraexpensasdelaeficiencia.Todoslosdesarrollosque
se
han
logrado,
hasta
hace
poco,
han
tenido
que
ver
bsicamente,
con
el
mismo
tipo
de
seal
analgica
de televisin.Sinembargo,en laactualidad seplantea lanecesidaddemantenerelequilibrioenel
umbral de un cambio tecnolgico, que alterar totalmente la forma en que la industria de
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radiodifusinrealizasuactividadcomercial.Setrata,porsupuesto,delatelevisindigital,incluyendo
ladealtadefinicin.
Las consecuencias de este cambio tendrn efectos similares en los pases desarrollados, e
impredeciblesenlospasesenvasdedesarrollo,enquelascondicionessocialesyeconmicashacenquelatelevisin,sibienextendidaaprcticamentetodoslosestratossociales,seatodavaunlujocuya
obtencin, en el estado actual de la tecnologa analgica, requiere de sacrificios econmicos
importantesdegranpartedelasociedaddeesospases.
Entantoqueenlospasesdesarrollados,enquelasociedadhaalcanzadounestadodebienestartal,
quepermitiraprcticamente todos loshabitantesaccedera la televisindigitalsinque lesresulte
onerosa la relativamente pequea inversin adicional que requerir la adquisicin de equipos
complementarios para la recepcin de seales digitales, las sociedades de los pases en vas de
desarrollotendrnmayoresdificultadesenaccederaestosnuevosservicios.Esto,sinconsiderarque,
en lospases en que los sistemas de televisin son financiadosparcial o totalmentepor el estado,
generalmenteconpresupuestosexiguos,habrdificultadeseconmicasparaasumirelelevadocostoquerepresentalatransicindelosactualessistemasanalgicosadigitales.EntantoqueenlosEstados
Unidos seha fijadounplazodediez aospara extinguirpor completo los sistemas analgicosde
televisin y, probablemente en Europa se fije un plazo de diez a quince aos, difcilmente podr
hacerselomismoenelrestodelmundo.
Esnecesarioentenderque los sistemasde transmisindigitalparael futuroacortoplazo incluirn
muchoms que la televisin de alta definicin. Las aplicaciones en la industria de la televisin
comprenden transmisin por satlite, cable, fibra ptica,microondas punto a punto ymicroondas
paradistribucin,enmuchoscasosconcapacidad interactiva.Lasventajasde los sistemasdigitales
sobre los analgicos estn ampliamente estudiadas y puede recurrirse a un variado nmero de
tcnicasparaalcanzarunobjetivoespecfico.
La lgicaconvencional indicaqueun sistemadigital es,pordefinicin,deestado slidoyhasta la
exclusin de las vlvulas de vaco. Con respecto a los circuitos lgicos, de control, generacin y
procesadodeseal,lalgicaconvencionalescorrecta.Conrelacinaloscircuitosdealtapotenciala
situacin esdiscutible.LosMOSFETspueden considerarse como [interruptores proporcionales], lo
mismoque los tetrodos,klystronsyotrasvlvulasdedesarrollo reciente como losdiacrodosy los
IOTs.No hay nada intrnsecamente digital en un dispositivo amplificador de estado slido. Los
MOSFET han sido utilizados en transmisores analgicos mucho antes de que fuera factible el
desarrollodeequiposdetransmisindigital,yesconvenienteenfatizaralgunasdelascaractersticas
ms importantesde lossemiconductores,que loshacenatractivosen losequiposde transmisinde
televisin.Entreellaspuedenmencionarse:
Funcionamientoavoltajesbajosque reduce el riesgodearcos elctricosyofrece
ciertasventajasdesdeelpuntodevistadediseodelasfuentesdealimentacin.
Degradacin suave de la potencia en caso de fallos, gracias a la aplicacin de
redundanciaeneldiseodeloscircuitos.
Sistemasderefrigeracinmssimples,basadossiempreenaireforzado,queevitan
lanecesidaddeutilizarcondensadoresdevaporuotrosdispositivosdediseoy
mantenimientorelativamentemscomplejo.
Configuracionesdecircuitomseficientes,apesardesumayorcomplejidad.
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5.1 Conceptosfsicosrelacionadosconlasvlvulaselectrnicas.Una vlvula o tubo electrnico es un dispositivo compuesto por un cierto nmero de electrodos
contenidos en un recipiente al vaco. Aunque tambin existen vlvulas electrnicas de atmsfera
gaseosa,comovapordemercurio,nen,etc.,aqutrataremosnicamentelasdevaco.Lautilidaddelasvlvulasdevacoradicaensucapacidadparaconducircorrienteelctrica,cuyamagnitudpuede
controlarse por los voltajes aplicados a sus electrodos. La operacin de todos los tipos de tubos
electrnicos, como su nombre lo indica, depende del movimiento de electrones en su interior.
Repasaremosacontinuacinalgunasdefinicionesporsiacasosehanolvidado.
Electrnvolt(eV).Eslaenergaganadaporunelectrnaceleradoatravsdeunpotencialde1voltyequivalea1.61019J.
Potencial de excitacin. Es la energa, expresada en eV, que debe proporcionarse a un tomo omolculaparaproducirunatransicindeunestadodadoaotrodemayorenergainterna.
Potencialdeionizacin.Eslamenorenerga,expresadaeneV,quedebeproporcionarseauntomoomolculabien sea en estado normal o excitado, para liberar un electrn.Como todos lo tomos,
exceptoeldehidrgeno,tienenmsdeunelectrn,untomoomolculapuedetener,engeneral,ms
de un potencial de ionizacin. El primer potencial de ionizacin se refiere a la liberacin de un
electrndeuntomoomolculaenestadonormal.Elsegundopotencialde ionizacinseaplicaal
casodeliberarunelectrndeuntomoomolculaqueyahaperdidounelectrn,etc.Laionizacin
puede tambinproducirsepor la liberacindedosoms electrones simultneamente.Cuando los
potencialesde ionizacino excitacin se expresan en electrnvolts, indican elvoltajemnimoque
debeaplicarseentredoselectrodosparacausarlaionizacincomoresultadodelaaceleracindelos
electronesuotraspartculascargadas,debidoalcampoproducidoentreloselectrodos.
Ionizacin.Engeneral,unionesunapartculaelemental,oungrupodepartculas,concargaelctrica
totalpositivaonegativa.Lostomosomolculasquehanperdidoocapturadounoomselectrones
adquierenunacarganetapositivaonegativa,segnelcasoyconstituyeniones.Elcasomssimplees
un ion negativo, formado por un electrn libre. El proceso de ionizacin puede ocurrir en gases,
slidosolquidosypuedeocurrirpordiversascausasentrelasqueseencuentran:
a) Colisin de tomos omolculas con electrones, tomos omolculas excitadas u otros
iones.
b) Colisindetomosomolculasconfotones(efectofotoelctrico).
c) Radiacincsmica.
d) Altastemperaturasengasesovapores.
e) Accinqumica.
Unadelascausasmsimportantesdeionizacinenlostuboselectrnicoseslacolisindeelectrones
rpidos con tomos omolculas. Para que un electrn pueda ionizar a un tomo omolcula, su
energacinticadebeserporlomenos,igualalprimerpotencialdeionizacindeltomoomolcula
con la que choca. En gases o vapores tambin se produce ionizacin cuando sebombardean con
electronescuyaenergacorrespondealprimerpotencialdeexcitacin.
Cargadeespacio.Ungrupode cargas libre en el espacio constituyeuna cargade espacioo cargaespacial.
Si
la
carga
es
nicamente
de
un
signo
(+
o
),osi
un
signo
predomina
sobre
el
otro,
la
carga
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produceuncampoelectrostticoylarelacinentrelacarganetacontenidaenunciertovolumenyla
intensidaddelcampoelctricoproducidoestdadaporlaleydeGauss.
Elmovimientodeuna carga espacialda lugar auna corriente espacial, cuyadensidad es igual al
productodeladensidadvolumtricadecargaporlavelocidadnormalalrea.Convencionalmentesetomacomodireccindelacorrienteelctricaladelascargaspositivas.
Electroneslibresenmetales. Enlosmetales,loselectronesestn,porlogeneral,dbilmenteligadosalos tomos y, en slidos o lquidos,puedenpasar fcilmentedeun tomo aotro.Estos electrones
libresestnencontinuomovimientoen lamasametlicay,ancuandoenun instantedeterminado
puedanestarligadosdbilmenteauntomoparticular,enpromedionoexperimentanningunafuerza
en alguna direccin especfica. Son estos electrones libres quienes hacen posible la conduccin
elctricaenlosmetalesydesempeanunpapelfundamentalenlaemisintermoinica.
Cuando, como consecuencia de su movimiento aleatorio, un electrn se escapa de la superficie
metlica,induceenstaunacargaimagenpositivaquetiendeaatraerlodenuevoalinterior.Paraqueunelectrnpuedaefectivamenteescapardelmetaldebecederunapartedesuenergacinticapara
venceresafuerza.Estaenergacinticaquepierdeelelectrnparaalejarselosuficientedelosefectos
de la fuerza imagen sedesigna comofuncin de trabajoy esdistintaparadiferentesmateriales.Dehecholafuncindetrabajosedefinecomolaenergamnimanecesariaparaliberaraunelectrndel
niveldeFermi1delasuperficiedeunmetalhastaelinfinitoyseexpresaenelectrnvolts.EnlatablaI
sedanalgunosvaloresrepresentativosdelafuncindetrabajoeneVparavariosmetales.
TablaI.Funcindetrabajoenelectrnvoltsparadiversosmetales
Tungsteno 4.52
Platino 5.0Tantalio 4.1
Molibdeno 4.3
Plata 4.1
Bismuto 3.7
Hierro 3.7
Zinc 3.4
Aluminio 3.0
Calcio 3.4
Litio 2.35
Titanio 2.4
Carbn 4.5Cobre 4.0
Torio 3.0
Magnesio 2.7
Nquel 2.8
Sodio 1.82
Mercurio 4.4
Calcio 2.5
Bario 2.0
Tungstenotoriado 2.63
Oxidodenquel 0.5a1.5
1 El nivel de Fermi es el nivel de energa al que la funcin de distribucin estadstica de Fermi-Dirac, para un conjunto de
partculas es igual a . Tambin se designa como energa de Fermi.
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Potencial de contacto. Es la diferencia de potencial que se produce entre las superficies de dosmetales,bien seaen contactooconectadosa travsdeuncircuitoexternoyesconsecuenciade las
diferentes funciones de trabajode losmetales.Es aproximadamente igual a la diferencia entre lasfunciones de trabajo dividida por la carga electrnica. Como puede apreciarse de la tabla I, los
potencialesdecontactopuedenserdelordende1a4voltsyesnecesariotenerlasencuentacuando
los voltajes aplicados son pequeos o cuando se requiere gran precisin en el anlisis del
comportamientodeundispositivo.
Emisindeelectronesuotros ionesenslidos.Losslidos,y tambin los lquidos,puedenemitirelectronesoionesenalgunadelasformassiguientes:
a) Emisintermoinica.
b) Emisinfotoelctrica.
c) Emisinsecundaria.
d) Emisinporcampo.
e) Desintegracinradioactiva.
Emisintermoinica.EselprocesofundamentalenlasvlvulaselectrnicasylateoradelaemisindeelectronesporcuerposcalientessedebeenbuenaparteaRichardsonen1901ysebasa,enmuchos
aspectos,enlatermodinmicaylateoracinticadelosgases.Elcalorqueposeeunmetal,sesupone
consecuencia delmovimiento aleatorio demolculas, tomos y electrones.Como resultado de las
colisiones entre electrones, y entre stos y tomos o molculas, la velocidad y direccin de los
electronescambiacontinuamenteyhacequealgunosdeellos incidansobrelasuperficieinteriordel
metal.Si
la
magnitud
ydireccin
de
la
velocidad
de
algunos
electrones
es
tal
que
su
energa
cintica
sea igual omayor que la funcin de trabajo, estos electrones escaparn delmetal. El nmero de
electronesquealcanzanlasuperficieporunidaddetiempo,conunacomponentedevelocidadnormal
aaqullayconenergaigualomayoralafuncindetrabajo,esproporcionalalaporcindetodoslos
electrones libresenelmetalcon talesvelocidades.Atemperaturaambienteelnmerodeelectrones
queescapandeunmetalessumamentebajoynoesposibledetectarningunaemisinsignificativa.
Siaumenta la temperaturadelmetal,aumentatambinelnmerodeelectrones libres,suvelocidad
mediayportanto,suenergacintica.Laposibilidaddeescapardelasuperficiemetlicaaumentaen
consecuenciayesposibleobservar fenmenosdeemisin termoinicaa temperaturasdelordende
1000K.Sienunaampollaalvacosecolocaunsegundoelectrodoqueactecomocolectoronodo a
temperaturaambiente
y,
entre
ste
yel
emisor
octodo
se
conecta
externamente
un
galvanmetro,
en
laformaquesemuestraenlafigura1,sepuedemedirunapequeacorrienteentrelosdoselectrodos,
comoconsecuenciadeladifusindeelectronestrmicosenelinteriordelaampolla.Enelcircuitode
la figura 5.1 el ctodo es calentadoporun filamentoalimentadoporuna fuente externay entre el
nodoyelctodonoseaplicaningnvoltaje.
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Emisortermoinico(ctodo)
Colector(nodo)
Galvanmetro
Calefactor
Ampolla alvaco
Fig.5.1.Deteccindelaemisintermoinicasinaplicacin
devoltajealnodo(colector).
Loselectronesque lleganalnodovuelvenalctodoporelcircuitoexternoyevitanquesecargue
positivamente.Estoselectronessonsolamenteunapequeafraccindelosemitidosporelctodo,que
se mantienen en su cercana formando una nube electrnica. Este fenmeno fue observado
inicialmenteporEdisonyseledesignacomoefectoEdison.Siseaplicaunvoltajepositivoalnodo insertandouna fuenteenelcircuitoexternoenserieconel
galvanmetro,seproducirenelinteriordeltubouncampoelctricoqueatraermselectronesdela
cercanadelctodoy,porconsecuencia,lacorrientequeregistrarelgalvanmetrosermayor.Tales
elprincipiodeldiodo en elque se tienen solamentedos electrodos.Si se aumentagradualmente el
voltaje positivodel nodo, la corriente aumentarhasta un punto en queprcticamente todos loselectronesemitidosporelctodoemigrandestey soncapturadosporelnodo.Estacorriente se
designacomo corrientede saturacinyelvoltajedenodonecesarioparaalcanzarla,comovoltajedesaturacin.Lacorrientedesaturacindependedelatemperaturadelctodoydesufuncindetrabajo.
Solamente loselectronesconsuficienteenergacinticapuedenescapardelmetaldelctodo,por lo
quelaemisintermoinicadalugaraquesereduzcalaenergacinticadelosrestantestomosenel
metal y, por consecuencia, disminuye su temperatura. Por ello, el calentamiento del ctodo debe
mantenerse de forma continua para evitar que se reduzca la temperatura como resultado de la
emisin.
Unctodo,utilizadocomoemisortermoinicodebesatisfacerdosrequisitos:altaeficienciadeemisinyvidatillarga.Laeficienciaaltadeemisinseconsigueconmetalesdebajafuncindetrabajoyla
vidatil,manteniendo la temperaturadel ctodo suficientementealejadadelpuntode fusinode
evaporacindelmetal.
Efectos de la carga de espacio. La teora desarrollada por Richardson yDusham proporciona ladensidaddecorrienteelectrnicadebidaalaemisintermoinicacomo
Tk
W
s eTAJ
= 2 (5.1)
donde:Js =CorrientedeemisinenA/cm2.A =Constantequedependedelmaterialemisor,cuyovaloresdelordende2.
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T =Temperaturaenkelvins.
k = ConstantedeBoltzmann(1.381023J/K).
W = Funcindetrabajo.
b1 =Constantequedependedelanaturalezadelasuperficieemisorayquedauna
medidadeltrabajoquedeberealizarunelectrnparaescapardelasuperficieemisora.
Laecuacinanteriorasumequelaintensidaddecampoelctricoesceroenlasuperficiedelctodoy,
sisesuponeunmetalparaelqueA=2yW=1eV(1.61019J)setienelacurvamostradaenlafigura
3.2.
Fig.2.Densidaddecorrientedebidaalaemisintermoinica
enfuncindelatemperaturadelemisor
Convienenotarque la emisin termoinicano es significativapara temperaturas inferiores aunos1000K.Silafuncindetrabajodelmetalesmayora1eVlacurvasedesplazaaladerecha.
LaecuacindeRichardsonDushamasumeque la intensidaddecampoelctricoenlasuperficiedel
ctodoemisorescero.Siloselectronesseacumulanenelexteriordelctodoycercadesusuperficie,
forman una nube de carga negativa que puede desplazarse hacia un segundo electrodo positivo.
Comoconsecuenciade esedesplazamiento, las condicionesdelcampoelctricoen la superficiedel
ctodocambian.Langmuirencontrquesielvoltajeaplicadoalnodonoessuficientementealto,el
aumento indefinidode la temperaturadel ctodonoproduceunaumento indefinidode corriente,
sinoqueparacadavoltajeparticulardelnodosealcanzaunaregindesaturacin,comoseilustraen
lafigura5.3.
Richardson-Dusham
V2 > V1
Voltaje de nodo, V1
Temperatura
Corriente de nodo
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Fig.5.3.Saturacindelacorrientedenododebidaalefectodelacargadeespacio.
Seobtienencurvassimilaresparalacorrientedenodoenfuncindelvoltajedenodoatemperatura
constante
Tiposdectodos. Laemisintermoinicapuedeconseguirseyaseadirectamenteporun filamentocalentadopor laaccindeuna fuente externao, como se indica en la figura5.1, conun filamento
separadodel ctodoqueacta como fuentede calorpara ste.En elprimer caso enque elpropio
filamentoactacomoctodosedicequeeltuboesdecaldeodirecto.Enelsegundo,dondeelfilamentoyelctodosondoselementosdiferentes,lavlvulasedesignacomodecaldeoindirecto.lamayorpartedelasvlvulasutilizadasentransmisin,exceptoabajaspotencias,sondecaldeodirecto.
Losmetalespurosconbajafuncindetrabajo,talescomolosmetalesalcalinosoelcalcionopueden
utilizarsecomoemisoresyaqueseevaporana temperaturasa lasqueempiezaaobtenerseemisin
apreciable. Solamente dosmetales en estado puro, el tungsteno y el tantalio son adecuados para
utilizarsecomoemisores,sibieneltantalionoseutilizayaqueesmssensiblealaaccindelosgasesresidualesqueseproducenenelinteriordeltuboaconsecuenciadelaelevadatemperaturaytambin
sutemperaturadeevaporacinesinferioraladeltungsteno.
Segnsemencion,lasvlvulaselectrnicasparapotenciaspequeassuelenserdecaldeoindirecto,
enqueelctodoconsistedeuncilindroomanguitometlico,generalmentedenqueloaleacionesde
estemetalconotrosyunrevestimientodeunaovariascapasdeunamezcladecarbonatosdebarioy
estroncio.Estopermitealcanzarfuncionesdetrabajomuybajas,delordende0.5a1.5eVconloquese
consiguen elevadas eficiencias de emisin a temperaturas del orden de 1000K. En el interior del
ctodo,ysincontactoconl,seencuentraunfilamentocalefactorqueleproporcionalatemperatura
necesariadeemisin.Lastemperaturasdefuncionamientodelosctodosvandesdealrededorde1000
K para ctodos de xido cuya funcin de trabajo es del orden de 1 eV, hasta 2500 para los detungstenopuro,decaldeodirecto,confuncindetrabajode4.5eV.
Ancuandoelrecipientedelavlvulaestalaltovaco,nuncaesposiblelograrunvacototaldeaire
uotrosgases,por loquealgunosresiduosgaseosossuelenquedarocluidosen losmaterialesde los
electrodos.Lapresenciade cantidades significativasdegas en el interiordeun tubo electrnico lo
haceintil.As,lapresenciadeoxgenoreduceoanulalaemisinelectrnicaenlosctodosdexido,
aldarlugaraoxidacindelmetalactivooproducirdepsitosdeionespositivossobrelasuperficiedel
ctodo.Eldesarrollode puntoscalientes enelctodo,debidoainhomogeneidadesdelmaterialoa
calentamientonouniformees,tambin,unacausadedeteriorodelctodo.Enestospuntoscalientesla
temperatura aumenta y tambin la emisin, pudiendo dar lugar a efectos acumulativos que traen
comoconsecuencialadestruccindelctodo.
En lasvlvulasde caldeodirecto,parapotencias superioresaunos100w, seprefieren losctodos
(filamentos) de tungsteno o de una aleacin de tungsteno con pequeas cantidades de torio,
designadacomotungstenotoriado,conmenorfuncindetrabajoqueeltungstenooeltoriopuros.Emisinsecundaria.Ademsdelaemisintermoinicahaydostiposdeemisinqueintervienendemanera importante en el funcionamiento de los tubos electrnicos, con frecuencia con efectos
indeseables: la emisin secundaria y la emisin por campo. En algunos tubos, como los
multiplicadoreselectrnicos seaprovecha laemisin secundaria,peroenelcasode lasvlvulasde
transmisin,esgeneralmenteindeseable.
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Laemisinsecundariaseproducecuandounionountomoexcitadochocancontralasuperficiede
unslidoycausanlaexpulsindealgunoselectronessecundarios.Elnmerodeelectronessecundariosemitidosporcadaelectrnprimarioesfuncinnoslodelaenergacinticadelelectrnincidentey
delafuncindetrabajodelemisorsecundario,sinotambindelaenergatrmicainternadeste.La
cantidaddeelectronessecundariosaumentaconlavelocidaddeloselectronesprimarios.Laemisinsecundariapuedetenerefectosapreciablesenelfuncionamientodelostuboselectrnicosavoltajesde
aceleracininclusomuypequeos,delordende10volts.Avoltajesmsaltoslaemisinsecundaria
tiende a disminuir, posiblemente porque los electrones incidentes penetran ms en el slido y
transfierenlamayorpartedesuenergaaelectronesalejadosdelasuperficie.Loselectronesprimarios
pueden ser absorbidos, reflejados o dispersados por la superficie y el nmero de electrones
secundariosemitidosesmenorsielbombardeoesconionespositivosenlugardeelectrones.
Unodelosmejoresemisoressecundarioseselxidodecesio,parcialmentereducidosobreunabase
deplata.Paraenergasdeelectronesprimarioscomprendidasentreunos400y700eV,lasuperficiede
estematerialtieneunarelacindeemisinsecundariade10,esdecir,emitediezelectronesporcada
electrnprimario.
Elbombardeo con iones positivos tambin puede producir emisin secundaria, pero conmucho
menoreficienciaquesielbombardeoesconelectrones.Estosedebeaqueenelprocesodecolisin
entre un ion pesado y un electrn, slo puede impartirse al electrn una pequea fraccin de la
energadelion,anenunchoquefrontal.Finalmentehayquemencionarquetambinlosaisladores
puedenemitirelectronessecundarios.
Emisinporcampo.Loscamposelctricossobrelassuperficiesemisorasdeelectronestambintieneninfluenciaenlaemisin.Enestecasoelcampoelctrico,siesdelsignoadecuado,ejerceunainfluencia
extractora sobre los electrones cercanos a la superficie que tiende a arrancarlos de ella,
independientementedelatemperaturaalaqueseencuentredichasuperficie.Enelcasodelaemisintermoinica,loscampossobrelasuperficiedelctodotiendenaaumentarlaemisindeelectronespor
ste,mediantedosmecanismosprincipales.Sielcampoaplicadoesdbilomoderado,sereduce la
barrerade potencial en la superficiedel ctodo, lo que resulta en una reduccin de la funcinde
trabajoefectiva.EstefenmenoseconocecomoefectoSchottky.Silaintensidaddelcampoaplicadoalemisoreselevada,labarreradepotencialsereducelosuficiente
como para producir un efecto de tnel. Este fenmeno es muy importante en las vlvulas de
transmisinquefuncionanconpotencialeselevadosyrecibeelnombredeemisinporcampoytambinemisindectodofro. Enestetipodeemisinporcampointenso,loselectronesnonecesariamente
deben tener laenerganecesariaparacruzar labarreradepotencialdeterminadapor la funcinde
trabajo.Cualquierelectrnpuedeparticiparenelmecanismodetnelrelacionadoconlaemisindecampo intensoy,puestoqueenunmetalhayunagrancantidaddeelectronesdisponiblesparaeste
proceso,ancuando laprobabilidaddeescapeseamuypequea,puedenalcanzarsedensidadesde
corrientedeemisinelevadas.
An cuando en algunos dispositivos como elmicroscopio electrnico de emisin por campo este
efectoconstituyeunafuentetildeproduccindeelectrones,engeneralesunefectoindeseableque
resultadestructivoenelcasodelasvlvulaselectrnicas,yaquealarrancarliteralmenteloselectrones
delctodo,inclusoabajastemperaturas,provocasudestruccincomofuentedeemisintermoinica.
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5.2 DiodosLos diodos al vaco, empleados principalmente como rectificadores en fuentes de alimentacin,
prcticamente han dejado de utilizarse en los transmisores de radio y televisin y han sido
reemplazados completamente por diodos de estado slido, rectificadores controlados de silicio otiristores y triacs. Los principios de funcionamiento de los diodos al vaco se han descrito en las
secciones anteriores y su inters aqu, es nicamente esbozar los principios fundamentales de las
vlvulasdevaco.An cuandodesdeelpuntodevista tericoelestudiode losdiodosalvacoes
interesante,omitiremosaquuntratamientomsamplio.
5.3 TriodosLostriodossiguenutilizndoseextensamente,sobretodoenlasbandasdeLF(30a300KHz),MF(300
KHz a 3MHz) yHF u onda corta (3 a 30MHz). En radiodifusin sonora en FM y televisin se
prefierenlostetrodosuotrostiposdetuboscomoelklystronyelIOTquesetratarnmsadelante.
Sin embargo, el estudiode los triodos es importante para comprender el funcionamientode otrostiposdevlvulasmscomplejasyporello,seresumirnacontinuacinalgunasdesuspropiedadesy
caractersticasms importantes.Eltriodoesunavlvuladevacodetreselectrodosyfue inventada
porLeedeForestenlosEstadosUnidosenlasegundadcadadelsigloXX.
Enel triodo,ademsdelctodoy laplacase tieneun tercerelectrodoconstituidoporunarejillade
alambremuyfino,intercaladaentrelaplacayelctodoyfsicamentecercanaaste.Estarejadecontrolpuede tener diversas configuraciones;puede ser una hlice de alambre o un cilindro demalla de
alambreyanuncilindroslidoconunaperforacinparapermitirelpasodeloselectroneshaciala
placa.Elsmbolohabitualparaeltriodoeselqueseindicaenlafigura5.4.
Placa
Filamento
Ctodo
Reja decontrol
Figura5.4.Triodo
Sialarejadecontrolnoseleaplicaningnvoltajeosiselaconectadirectamentealctodo,lavlvula
secomportaigualqueundiodo.Sinembargosiseleaplicaunvoltajenegativorespectoalctodo,se
produciruncampoelctricoentrerejayctododesignoopuestoalcampoentreplacayctodo,que
seopondralpasodeloselectronesporlaregincercanaalarejayreducirlacorrientetotaldeplaca
respectoa laquese tendrasi larejanoestuvierapolarizada.Si,porelcontrario, larejasepolariza
positivamenterespectoalctodo,atraermselectronesde laregindecargadeespaciocercanaal
ctodoy aumentar la corrientedeplaca.Adems, al ser la rejapositiva, atraerunapartede los
electronesqueviajanhacialaplacayseestablecerunacorrienteelctricaenelcircuitoexternoentre
rejayctodo.Enlaprctica,conexcepcindelosamplificadoresquefuncionanenclaseC,elvoltaje
derejanoalcanzavalorespositivosylacorrientederejaescero.Enestascondicioneslaimpedancia
entrereja
yctodo
es
prcticamente
infinita.
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Curvasdeplaca. Sielvoltajederejasemantieneconstante,lacorrientedeplaca,alvariarelvoltajedeplaca, sigueunavariacin similara laque se tiene enundiodo.Ladiferencia en el triodo esque,
dependiendodelamagnituddelvoltajedereja,sernecesariomayorvoltajedeplacaparaconseguir
lamismacorrientedeplacacuandoelvoltajederejasehacemsnegativo.Enlafigura5.5semuestra
uncircuitoconelquepuedeobtenerselafamiliadecurvasdeplacaparauntriodo.Enestascurvassetrazan losvaloresdecorrientedeplacaparadiferentesvoltajesdeplaca,manteniendoconstanteel
voltajedereja.
A
V
VG
VBB
VG
Fig.5.5Circuitoparadeterminarlascurvascaractersticasdeuntriodo.
Sisemantieneelvoltajederejillaconstanteysevaraelvoltajedeplaca,seobtienencurvascomolas
mostradasen la figura5.6.Estascurvascorrespondenaun trodode losutilizadosactualmente en
amplificadoresdeaudioysedesignancomocurvasdevoltajederejaconstante..
Fig.5.6.Curvascaractersticasdeuntriodo6N1P
En el diseo de amplificadores de potencia esms comn utilizar las curvas de corriente deplacaconstantecomolasdelafigura5.7yquesonfuncindelosvoltajesderejayplaca.Seobserva,adems
delascurvasdecorrientedeplacatrazadasconlneascontinuas,selasdecorrientederejaconlneas
punteadas.La corrientede reja circulacuando suvoltaje espositivo con respectoalctodo, loque
ocurreenamplificadoresclaseCdurantecortosintervalosdelciclodelaseal.
Eltrododelafiguraesun3CX400A7,capazdefuncionarenlabandade30a500MHzaunapotencia
de salida dehasta 500W. El voltaje tpico de funcionamiento de placa es de 2KV. y la potencia
requeridaalaentradaesdeunos20W,porloquesugananciaesde25(14dB).
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Figura5.7.Caractersticasdeuntrododepotencia3CX400A7
Acausadelacercanadelarejaconelctodo,cualquiervariacinenelvoltajederejatieneunefecto
considerablementemayorsobrelacorrientedeplacaqueunavariacinigualenelvoltajedeplaca,lo
quehaceposiblelaamplificacindelvoltajedelassealesaplicadasenlareja.Sedefineunfactordeamplificacindeuntriodoy,engeneraldeotrostubosdevaco,comolarelacindecambiodelvoltaje
deplaca,vp,respectoalvoltajedereja,vg.
p
g
v
v
=
(5.2)
Otrosparmetrosdelostriodossonlaresistenciadeplaca(rp)ylatransconductancia(gm).Laresistenciadeplacarepresenta lavariacindelvoltajedeplacarespectoa lacorrientedeplaca, ip,manteniendo
constanteslosrestantesvoltajesdetuboysedefinecomo:
p
p
p
vr
i
=
(5.3)
Latransconductancia,oconductanciamutua,expresalavariacindelacorrientedeplacarespectoal
voltajedereja,manteniendoconstanteslosdemsvoltajes.Seexpresacomo:
p
m
g
ig
v
=
(5.4)
Delasexpresionesanteriorespuedeobtenerselarelacinsiguiente:
pm rg= (5.5)
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Neutralizacin. En los tubos de vaco estn presentes capacidades interelectrdicas e inductancias determinalqueconstituyenelementosdesignadoscomoparsitosyqueactan,entreotrascosas,como
elementosderealimentacinquedanlugaraoscilacionesparsitas.Enlostriodosesparticularmente
importante lacapacidad internaentre rejayplaca,yaqueconstituyeunelementodeacoplamiento
entre la salida y la entrada que, en las condiciones adecuadas de fase, es capaz de hacer que elamplificador entre en oscilacin. Este efecto es indeseable en un amplificador y es necesario
eliminarlo.Paraello,unatcnicahabitualesutilizarunareddedesacoplamientoentrelaentradayla
salidaque,confrecuencia,sereduceauncondensadorexternoconectadoentreplacayreja.
Aplicaciones de los triodos. En la actualidad los triodos se emplean casi nicamente enamplificadores de alta potenciadeRF, entendindose aqu, un tanto ambiguamente el trminode
altapotencia,comoaqullaspotenciassuperioresaunos500w.En losltimosaoshanvueltoa
encontraraplicacinenamplificadoresdeaudio,yaque losaudifilosencuentranmsagradableel
sonido obtenido con amplificadores a vlvulas que con los de estado slido. En la figura 5.8 se
muestranalgunosde los triodosdealtapotenciadediseoymanufacturareciente.Engeneraleste
tipodetubosseempleaenradiodifusinsonoraenlasbandasdefrecuenciasmedias(5401650KHz)yaltas(330MHz).EnlasbandasdeVHFyUHFporlogeneralseempleantetrodos.
Fig.5.8.Triodosdepotenciaparatransmisin(EnglishElectricValveCo.Ltd.)
5.4TetrodosUntetrodoesunavlvuladevacodecuatroelectrodosque,ademsdelctodo,larejadecontrolyla
placaincluyeunarejaadicionalentrelaplacaylarejadecontrol,alaquesedesignacomorejapantallayhabitualmenteseabreviacomoSG (screengrid).La formadeestarejaessimilara lade larejadecontrol,esdecir,unahliceounamallametlicafina.Elsmboloutilizadoparaeltetrodosemuestra
enlafigura5.9.
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Placa
Reja pantalla
Reja de control
Filamento
Ctodo
Fig.5.9.Smbolodeltetrodo
La reja pantalla o simplemente, pantalla, se introdujo originalmente para eliminar algunos de los
inconvenientes inherentes a los triodos, causados principalmente por la relativamente elevada
capacidadentrerejayplaca.Talesefectosson,primero,elefectoMiller,quehacequelacapacidadde
entrada de un triodo aumente con su ganancia y, segundo, la necesidad de neutralizar un triodo
sintonizadoparaevitarlarealimentacinatravsdelacapacidadrejaplaca,queproduceoscilaciones
indeseables.Puestoque larejapantalla formaunblindajeelectrostticoentre larejadecontroly la
placa,lacapacidadentreestosdoselectrodossereduceconsiderablemente,minimizandoaselefecto
Milleryeliminandolanecesidaddeneutralizacindelosamplificadorescontetrodossintonizadosa
frecuenciasbajasomoderadas.
Puestoque lapantalla constituyeunblindaje electrosttico entre el ctodoy laplaca, elvoltajede
placa tiene muy poco efecto sobre el gradiente de potencial en la superficie del ctodo y, por
consecuencia,muypocoefectosobrelacorrienteenlavlvula.Lapantallaporlogeneralfuncionacon
voltajespositivosquesesitanentre0.25y1.0delvoltajedeplaca.
Curvascaractersticasdelostetrodos. Lascurvascaractersticasde lacorrientedeplacarespectoalvoltajedeplacasemuestranenlafigura5.10.Segnaumentaelvoltajedeplacadesde0V,lacorriente
deplacaaumentainicialmente,peroluegoempiezaadisminuirenlazonaenqueelvoltajedeplacaes
ligeramente inferior aldepantalla. Esta caractersticade resistencia negativa esdebida a la emisinsecundariaenlaplaca.Esdecir,loselectronesquechocanconlaplacaprovocandesprendimientode
electronessecundariosdesta,que sonatradospor lapantallacuandosuvoltajeessuperioralde
placa.Avoltajesdeplacasuperioresaunos25Vlavelocidadadquiridaporloselectronesessuficiente
paraproduciremisinsecundariaen laplaca.As,paraunvoltajeconstantede larejadecontrol, la
corrientedeplacadisminuyealaumentarelvoltajedeplacay laresistenciadinmicade laplacaes
negativa,hastaqueelvoltajedeplacaesmayorqueeldepantalla.Estoseilustraenlagrficade la
figura5.11,enquesemuestralacorrientedepantallarespectoalvoltajedepantalla,paraunvoltaje
depantallaconstante,de65Vyconlarejadecontrola3V.
Tanprontoelvoltajedeplacaaumentasobreeldepantalla,loselectronessecundariosemitidosporla
placaqueregresanaellaaumentanconsiderablementey,avoltajesdeplacaligeramentesuperioresal
de pantalla, la corriente de pantalla disminuye considerablemente, como se puede apreciar en la
figura5.11.
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Fig.5.10.Curvascaractersticasdeuntetrodo
Fig.5.11.Caractersticadelacorrientedepantallarespectoalvoltajedeplaca.
Asuvez,larejapantallatambinemiteelectronessecundarios,comoconsecuenciadeloselectrones
quelleganaelladelaregindelctodoylarejadecontrol.Sinembargo,estoselectronessecundarios
contribuyenmuypocoalacorrientetotaldeplacayaquesunmeroesproporcionalmentemenory,
adems,porqueengeneralseemitendelladodelarejadecontrolynodeldelaplaca,demodoque
nosevenafectadosdirectamenteporelvoltajedeplaca.Delasfiguras5.10y5.11puedeinferirseque
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entregarencondicionestpicas, 220Wa15MHzavoltajesdefuncionamiento,UA=2KV,USG=400V,
UG1= 35V,conunacorrientedeplacadelordende50mA.
Fig.5.13.Curvascaractersticasdeplacadeuntetrodo
dehazdepotenciatipoGU13
Enlaregindevoltajedeplacabajoydecorrienteinyectadaconstanteydealtadensidad,lacargade
espacioentrelapantallaylaplacaessuficientementegrandecomoparareducirelpotencialaceroen
unplanoentrelapantallaylaplaca,formandounctodovirtualendichoplano.Enesascondiciones,elgradientedepotencialenelplanodelapantallaestalquesololoselectronesinyectadosconsuficiente
velocidadparavencerlafuerzadelcamponegativo,llegarnalaplacaytodoslosdemselectrones
regresarnhacia lapantallay sern,obien capturadospor ella,opasarna la reginde cargade
espacioentrelapantallayelctodo.Unaumentorelativamentepequeodelvoltajedeplacaproduce,
enlaregindelaizquierdadelascurvasdelafigura14,unaumentoconsiderabledelacorrientede
placa,yaqueelctodovirtualsedesplazahacialaplacasegnaumentaelvoltajedeplaca.
Cuandoelvoltajedeplacaaumentahastaunvalorenquelacorrientedeplacaesigualalacorriente
inyectada, la corrientedeplacayano aumenta,puestoque toda la corriente inyectada a la regin
pantallaplacavaapararaestaltima.Enestascondiciones,elaumentoenelvoltajedeplacayano
produceaumentode lacorrientedeplacayaque laaccindeblindajede lapantalla impidequeel
potencialdelaplacaalterelacorrientedectodoyelctodovirtualprcticamentehadesaparecido.
Debidoaquelapantallaestbienaisladadelctodoacausadesualineamientoconlarejadecontrol,
elnmerodeelectrones interceptadospor lapantalla esbajoy lacorrientedepantalla espequea
respecto a la corriente de placa, demodo que la linealidad de las curvas de la figura 14 permite
excursionesgrandesdesealconpocadistorsinyesto,aunadoalabajarelacinentrelascorrientes
depantallayplaca,permiteobteneraltaseficienciasenlostetrodosdehaz.
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Fig.5.14.Tetrododehaztipo465A
Enlafigura5.15semuestrauntetrododehazdeltipo4X250,capazdeentregarunapotenciadesalida
delordende350W.Estetipodevlvulasehausado,yanseempleaampliamenteenaplicacionesde
RF. La placa en la parte superior contiene numerosas aletas entre las que circula aire forzado,
suministradogeneralmenteporlaparteinferioratravsdeconductosadecuados.Lafinalidaddelas
aletasesaumentarlasuperficiederadiacindecalor.Laausenciadeventilacinforzadaenestetipo
detubos,dalugaralafusindelaplacaylaconsiguientedestruccindeltuboenpocosminutos.
Fig.5.15.Tetrododepotencia
Durante dcadas, lo tetrodos fueron mejorndose y se consiguieron tubos capaces de entregar
potenciassuperioresa20KWenUHFyaunquesugananciaesrelativamentebajaysuvidamediatil
delordende15000a20000horas,continanutilizndose,yaquesueficienciaesbuena
En la figura 5.14 se muestra un tetrodo de haz de potencia, tipo 4-
65A, en ampolla de vidrio al vaco. Este tipo de vlvula es capaz de
entregar 120 W a una frecuencia de 150 MHz, con una potencia de
entrada de 3 W.
El nodo o placa se conecta en la parte superior y puede apreciarse
la forma de la placa, similar a la mostrada en la figura 13. Los
electrodos restantes, ctodo, rejas de control y pantalla y electrodos
formadores del haz, se sitan en el espacio al interior de la placa y
se conectan a las patas en la parte inferior del tubo.
Este tipo de tubos es, en la actualidad, relativamente poco usado y,
principalmente para comunicaciones en HF y VHF, en las bandas
de radioaficionados. Los niveles de potencia de tubos como este
pueden alcanzarse fcilmente en la actualidad con dispositivos de
estado slido como los transistores VMOS, LDMOS y an
transistores bipolares.
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5.5 DiacrodosEldiacrodoesuntubodesarrolladoenlosltimosaos,quecomenzautilizarseentransmisoresde
televisinenlabandadeUHF,enradaresyaceleradoresdepartculasalrededorde1994.Suprincipio
de funcionamiento es,bsicamente, elmismo que el de un tetrodo de haz de potencia en que lacorrientedenodoesmoduladaporunvoltajedeRFaplicadoentreelctodoylarejadecontrol.En
lafigura5.16semuestraundiacrodousadoenamplificadorespotenciadetransmisoresdetelevisin
enUHF.Enlafigura17(a)setratadeuntuboenfriadoporaireyenla17(b)deunoenfriadoporagua
ovapor.
(a) (b)
Fig.5.16.Diacrodos.(a)Enfriadoporaire. (b)Enfriadoporvapor.
Laprincipaldiferenciaentreeldiacrodoyeltetrodoeslaposicindelaszonasactivaseneltubo,es
decir,suselectrodos:ctodo,rejadecontrol,rejapantallayplacaenloscircuitoscoaxialesresonantes,
loquedacomoresultadounamejoraenladistribucinde lacorrientereactivaenloselectrodosdel
tubo.Elcircuitodeltetrodoserealizademodoquequedeunnododecorrientealfinaldeuncircuito
deuncuartodelongituddeonda(/4).Eltetrodo,enunamplificador,espartedelcircuitoresonante
deuncuartootrescuartosde longituddeonda.Asimismo,susdimensionesgeomtricasjueganun
papelimportanteycondicionanlosvoltajesycorrientesdeRF.Lapotenciaqueentregauntetrodoes
elproductodelvoltajedeRFdeplacaylacorrientedenodoalafrecuenciafundamental.Elvoltaje
de nodo se limita a un mximo del orden de 30 KV y, por consecuencia, para conseguir un
rendimientoelevadoesnecesarioqueelctodotengaunreagrande3.
Elaumentodelreadelctodopuedeconseguirsededosformas:aumentandoeldimetrodelctodo
osualtura.Elaumentodeldimetrodelctodotienedosefectossobresusparmetroselctricos:
a) Disminucinde la frecuenciaderesonanciaenelmodoTE11.Siesta frecuenciaesmuy
cercanaa la frecuencianominaloa suprimerarmnico,esmuydifcil, sino imposible,
amortiguarlasoscilacionesparsitas.
3 G. Clerc, J.P. Ichac and C. Robert. A New Generation of Grided Tubes for Higher Power and Higher Frequencies. IEEE,
1998.
Fotografa cortesa de Thomson Tubes Electroniques
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b) Aumentodelascapacidadesparsitasdeltubo.
Alturadelctodo. Lareglaque,deacuerdoalaexperiencia,hasidoadoptadaporlosfabricantesdetubos,esnoexcedernunca1/16paralaalturadelctodoalamximafrecuenciadefuncionamientocuandoel tubooperaconunelevadociclode trabajo.Porejemplo,a80MHz, lamximaalturadel
ctodoserade234mm.Estaregladebeinterpretarse,yesdictada,porlasprdidasaRFgeneradasen
loselectrodosdeltubo,enparticular,larejapantalla.
Enelcircuitodesalida,enelespacioentrelarejapantallayelctodo,losvoltajesycorrientesdeRF
puedenexpresarsemediantelassiguientesecuaciones:
xRPxVxV Lsal == coscos)( max (5.6)
xsenZ
VJxI
c
= max)( (5.7)
Donde,=2/
x=Distanciadesdeelextremosuperiordeltubo.
RL=Impedanciadecargaalaqueestconectadoeltubo.
Vmax=Voltajesobreelejedeltuboenx=0.
ZC=Impedanciacaractersitcadelespacioentreelnodoylarejapantalla.
J =Constantequedependedelageometradeltuboydeltipodectodo.
Lasecuacionesanterioresmuestranquelasdistribucionesdecorrienteyvoltajeenelespacioentreelnodoylarejapantallanosonuniformesy,porconsecuencia,ladistribucindepotenciatampocoes
uniforme, tenindose la potenciamxima en la parte superior.De hecho, el diseo del diacrodo
combina en un tetrodo las capacidades y ventajas de una tecnologa avanzada con el concepto
desarrolladoporlaempresaRCAhacemuchosaos,ensustriodosdedobleterminacinymuyalta
potencia.
Eldiacrodoes,enrealidad,untetrododedobleterminacin,enelquelasvariacionesenlasprdidas
sonproporcionalesalcuadradode laalturadelctodo.Portanto,laideaesobtener lamismaaltura
equivalente del ctodo, poniendo en paralelo dos medios tetrodos. En tales condiciones, las
conexionesseduplicany,conuncircuitoadecuadodesalida,eldispositivopuedesintonizarseenun
circuitode/2conelmximovoltajedenodosituadoalamitaddelaparteactiva,demodoquelasprdidassonmnimas.Enlafigura5.17semuestralaestructurainternadeundiacrodoy,enla5.18,
lasdistribucionesdecorrienteyvoltajeenuntetrodoyundiacrodo.
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Fig.5.17.Estructurainternadeundiacrodo
Comoconsecuenciadeloanterior,conestetipodetubo,lalongitudmximaaceptableparaelctodo
no es de 1/16, sino de 1/8 y la potencia puede duplicarse, asumiendo que el punto de
funcionamientoseeligecuidadosamente.
Fig.5.18.Distribucindecorrienteyvoltajeenuntetrodoyundiacrodo
Porejemplo,entransmisindetelevisin,eltetrodoconmayorcapacidaddepotencia,fueelTH563
fabricado por Thomson, que poda entregar 30KW en amplificacin comn de vdeo y audio. El
diacrodoTH680,conunctododedoblealtura,escapazdeentregar60KWenamplificacincomn.
En otras aplicaciones en operacin pulsada, tal como se requiere en radares y aceleradores de
partculas,eldiacrodoTH526puedeentregarunapotenciapicode1600KWyelTH628,hasta3000
KW,conpotenciasefectivasde240y600KWrespectivamente.Lacorrientedeplacaenestostubos,
alcanzalos124AenelTH526y164AenelTH628.Lagananciatpicadeestostubosesdelordende
14dB.
5.5PentodosLas desventajas de los tetrodos convencionales se superan con los tetrodos de haz y, tambin,
agregandounatercerarejaentrelapantallaylaplaca,quesedesignacomorejasupresora.Lavlvulacontiene ahora cinco electrodos y de ah su nombre:pentodo. La reja supresora va generalmenteconectadaalctodooa tierray su funcin es ladeproduciruna regindebajopotencial entre la
Imagen cortesa de Thomson Tubes Electroniques
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pantalla,demaneraanlogaalaqueseconsigueconlasplacasformadorasdelhazenlostetrodos.En
otras palabras, la reja supresora da lugar a un ctodo virtual retornando a la placa los electrones
secundarios emitidos por ella y eliminando la regin de resistencia negativa. Adems, la reja
supresoraacta comounblindaje electrostticoadicionalentre laplacayel ctodo, reduciendo el
efectodelvoltajedeplacasobre lacorrientedectodo.Lascurvascaractersticasdeunpentodosonmuy similares a las de un tetrodo de haz en que, en la regin lineal, la corriente de placa es
prcticamenteindependientedelvoltajedesta.Enlaactualidadlospentodosyaprcticamentenose
utilizanenaplicacionesdeRF.Sinembargo,vuelvenaemplearseenamplificadoresdeaudio.En la
figura20semuestraunavlvuladeeste tipo,enque laconexinde laplacaserealizamedianteel
capuchnenlapartesuperiorylasrejasyctodoseconectanatravsdelaspatasenlaparteinferior.
Fig.5.19.Pentodo
5.6 KlystronsLos triodosytetrodosconvencionales,utilizadosextensamenteenamplificadoresdepotenciaen los
transmisoresde radioy televisin tienen limitacionesde funcionamientoa frecuencias superioresa
unos 500 MHz, a causa de los efectos de las capacidades interelectrdicas y a las inductanciasparsitasintrnsecasdesusterminales,ascomodeltiempodetrnsitodeloselectronesentrectodoy
nodo.Estaslimitacionesdieronlugaraldesarrollodetubosplanosoplanares,enqueloselectrodosse
conectan al exteriormediantediscos a finde reducir los efectosde las inductanciasy capacidades
parsitas, con lo que fue posible su empleo hasta frecuencias cercanas a 1 GHz. An as, las
limitaciones inherentes a la geometra de este tipo de tubos hacen que sean poco adecuados a
frecuenciassuperiores.Estomotiveldesarrollodeotrosdispositivosdevacoparaamplificacina
frecuenciasdemicroondas, en losque esposible reducir el tiempode trnsitoy los efectosde los
elementosparsitos.Entreellosseencuentranelmagnetrn,elklystronyeltubodeondaprogresiva(TOPo TWT). Los dos ltimos se designan como de haz lineal y sebasan en la interaccin de un hazelectrnicoconcamposelctricos,entantoqueelmagnetrnempleaotroprincipio.Enparticular,los
klystrons han encontrado amplia aplicacin a frecuencias a partir de unos 500 MHz, comoamplificadores de potencia en transmisores de televisin, transmisores demicroondas, radares y
aceleradores de partculas. En la dcada de 1990 se desarrollaron dos tipos de vlvulas
considerablementemseficientesquelostetrodosyquelosklystrons.Eldiacrodo,queesunavariante
del tetrodo segn se mencion en la seccin 4 y el tubo de salida inductiva o IOT, que puedeconsiderarsecomounavariantedelklystron.Estostubosestnreemplazandoelempleodetetrodosy
klystrons en los transmisoresdealtapotenciadediseo reciente.Researemosaqualgunasde las
principalescaractersticasdelklystron.
Elklystronesuntuboovlvulaalvaco,utilizadoenlageneracinyamplificacindesealesdemuy
altas frecuencias, inventadoporR.H.Varian en 1937.El funcionamientodel klystron, tanto como
osciladoro comoamplificador sebasaen lamodulacindevelocidadde los electronesdeunhaz,sometidosaaceleracionesyfrenadoscomoconsecuenciadelaaplicacindeunasealvariableenel
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tiempo. En la aplicacin como amplificador, la versinms simple del klystron es la de un tubo
electrnicoconvariascavidades,comoseilustraenlafigura5.20yenelquesedefinentresregiones:
ctodo, nodo y regiones o tubos de arrastre, deriva4 o de interaccin de RF, a las porciones
intermediasentrelascavidades.
Laporcinprincipaldeltubolaconstituyeunciertonmerodecavidadesresonantes,tresenlafigura,
delasqueunaeslacavidaddeentradaalaqueseaplicalasealdeRFyotra,ladesalida,delaque
seextraelasealamplificada.Entrestaspuedenlocalizarseunaomscavidadesintermedias,todas
ellasinterconectadasporseccionesdetubometlicodesignadascomotubosdearrastre.Lascavidadesresonantes se disean de forma que no propaguen energa electromagntica a la frecuencia de
funcionamientodeltubo,conloqueseconsigueungranaislamientoentrelascavidadesdeentraday
salidasinrecurriralempleodeatenuadoresenelinteriordelklystron,caractersticamuyimportante
ydeseableenlosamplificadoresdealtapotencia.
Haz Electrnico Tubo de arrastre
Can electrnico
Cavidad de entrada
Cavidad
intermedia
Cavidadde
salida
Colector
Anodo
Sealde
entrada
Sealde
salida
Imanes de
confinamiento delhazelectrnico
+
Ctodo
Fig.5.20.Esquemadeunklystrondetrescavidades
Enelcanelectrnicoseoriginaunhazdeelectrones,queesaceleradoa travsdeunaltovoltaje
aplicadoalnodoyque luegopasa a travsde los tubosdearrastre, frentea las cavidades,hasta
impactarenelcolector.Elcuerpoprincipaldeltubo,incluyendoelcolector,semantienegeneralmente
apotencialdetierra,entantoquealctodoyelectrodosdeenfoquedelhazqueconstituyenelcan
electrnico,selesaplicaunpotencialnegativoelevado,delordende 20a 30KV.
En la cercana del ctodo, un sistemade enfoque electrosttico confina el haz y lo dirige hacia el
interiordelprimertubodearrastre.Paramantenerelconfinamientodelhazenelinteriordeltubode
arrastre y evitar que se disperse hacia las paredes, se aplica un campo magntico axial. En un
procedimientode colimacin,designado como enfoquedeBrillouin, el confinamientodelhaz se
consigue hacindolo pasar a travs de una placamagntica, que acta como pantalla deblindaje
contra el campo magntico externo y evita sus efectos en la regin del can electrnico. La
4 Drift
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componentedelcampomagntico transversalen laaberturade laplacadeBrillouinproporcionaal
hazelectrnicounmovimientoderotacinsobresueje,queal interactuarconelcampomagntico
longitudinal(axial)alolargodeltubodearrastre,produceunafuerzacentrpetasobreloselectrones
delhaz, endireccin al ejedel tuboque,mediante el ajuste adecuadode la intensidaddel campo
magnticoaxial,actaanulandoalafuerzacentrfugadebidaalarepulsinproducidaporlacargadeespacioenelhazelectrnico.Conestemtodo,empleado tambinenaceleradoresdepartculas,es
posible confinar elhaz electrnico a lo largode trayectos grandes conmnima intercepcinde los
electronesdelhazpor lasparedesdel tubo.En losklystronsprcticos esta intercepcin representa
menosdel1%delhazelectrnico.Elnodocolectortiene,porlogeneral,formaescalonadaodentada,
paraaumentarelreadedisipacin trmicay reducir,adems, laposibilidaddeque loselectrones
secundariosproducidosporelimpactodelhazelectrnicosobreelnodo,regresenalinteriordeltubo
de arrastre. La alimentacin y extraccin de las seales en las cavidades puede hacersemediante
lneascoaxialesterminadasenlazosacopladosobienconguasdeonda.Enlafigura18seilustra,con
algomsdedetallelaestructurainternadeunklystrondetrescavidades.
En los klystrons de cavidadesmltiples o multicavidad, el haz electrnico es largo y requiere serenfocadoo confinadopara quemantengauna seccin transversalpequea a lo largodel tubo.En
tubospequeos,oenlosqueesimportantelainfluenciadecamposmagnticosparsitosoenquese
requierebajopeso,seutilizanlenteselectrostticas,peroenlamayoradelosklystronsseempleaun
campomagnticouniforme,paraleloalhazelectrnico.Entubosdealtapotencia(>5KW),lostubos
seinsertanenelinteriordeelectroimanestoroidalesparaconfinarelhazelectrnicoenelcentrodel
tubo.En lafigura5.21(a)semuestraunklystrondecuatrocavidades.Lascavidadeseneste tipode
tubonosoninternas,sinoqueseacoplanexternamente,comopuedeapreciarseenlafigura5.21(b).
Laszonasdeacoplamientode lascavidadescorrespondenalasporcionesblancasdeltubo,entanto
quelasseccionesmetlicasentrelascavidadescorrespondenalostubosdearrastre.
(a) (b)
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Fig.5.21.(a)Klystrondecuatrocavidades.Laparteinferiorcorrespondealctodoylasuperioral
colector.
(b)Klystrondecuatrocavidades,montadoenelcarroparasuinstalacineneltransmisor.
Seaprecianlascavidadesexternasylasbobinasdeconfinamientodelhaz,localizadasentrelascavidades.
Enlapartesuperiorsetieneelcolectoryelboilerocalderaparaelenfriamientodeltubo.
(FotografascortesadeEnglishElectricValveCo.Ltd.)
Conelfindedarunaideadelasdimensionesdelosklystrons,enlafigura5.22semuestraunklystron
del tipoutilizadoenaceleradoresdepartculas,capazdeentregarpotenciaspulsantesdelordende
megawatts.Elcilindrometlicoenlapartesuperioreselcaldernparaenfriarelcolectorconvapor.
FotocortesadeMarconiAppliedTechnologiesFig.5.22.Klystronutilizadoenaceleradoresdepartculas
Elhazelectrnicoqueemergedelcan,alcanzaunagranvelocidadcomoconsecuenciadelaelevada
diferenciadepotencialentrectodoynodo.Enlaprimeraregindeltubodearrastre,entreelctodo
ylaprimeracavidad,sloactaelcampoelctricouniformedebidoaestadiferenciadepotencial,por
loqueloselectronesenesaregintienenlamismavelocidad.Enlaregindeltubodearrastrefrentea
lacavidaddeentrada,alaqueseaplicalasealdeRF,elcampoelctricoesvariablee interacciona
conelhazelectrnico,acelerandoofrenandoaloselectronesqueentranaesaregincondensidady
velocidaduniformes.Porconsecuencia, loselectronesqueemergendeesaregintendrndiferentes
velocidades
y
formarn
grupos.
Este
proceso,
que
se
repite
en
la
regin
de
la
cavidad
intermedia
de
la
figura5.20,sedesignacomomodulacindevelocidad.Lamodulacindevelocidadenlascavidadesda
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lugar, despus de un recorrido suficiente por las secciones del tubo de arrastre libres de campo
variable,amodulacindedensidaddelhaz.Unaspecto importantedeesteprocesoesque, sielvoltajedeexcitacines suficientementegrande
como para superar las fuerzas debidas a la carga de espacio, los electrones acelerados puedenadelantar a los retrasados a lo largo de las secciones del tubo de arrastre, a una distancia que se
designa como distancia de cruce. Cuando esto ocurre, la corriente comienza a tener un contenidoapreciable de armnicos y se ha encontrado5 que el valor ptimo de la componente fundamental
ocurrea1.84vecesladistanciadecruce.
Los armnicos de la corriente son sorprendentemente grandes y alcanzan valores mximos a
distancias ligeramente inferioresdelparmetrodeagrupamiento,quecorrespondenadistanciasde
arrastre ms cortas, o a valores de excitacin menores que los de la distancia ptima de la
fundamental.
Extraccin de la energa. La energa se extrae en el espacio (gap) de la ltima cavidad y puedeexplicarsepor elhechodeque en elklystron, el campo elctricoaxialde la cavidadde salida estsometidoalaaccindeunaseriedegruposdeelectronesquelleganconunafrecuenciaexactamente
igualquelafrecuenciaderesonanciadelacavidad.Adems,lafasedelvoltajevariabledesalidaestal
que se opone almovimiento de los electrones a travs delgap, lo que significa que el campo es
desacelerador, alcanzandounvalormximo cuandoungrupode electronespasa a travsdelgap.
Mediociclodespus,elcampoproporcionamximaaceleracina loselectrones,peropuestoqueel
hazestformadoporgruposperidicos,seaceleranmenoselectronesdelosquesonfrenadosy,por
consecuencia,hayunflujonetodepotenciadelhazhaciaelcampode lacavidad.Estaenerga,que
puedeextraersemedianteunlazooespiraacoplada,obienatravsdeunaabertura(iris)seguidade
unaguadeonda,constituye lapotenciatildesalidadeltubo.Lacorrienteefectiva inducidaen la
cavidaddesalidaescasiigualalacomponentedelafundamentaldelacorrientedelhaz.
Enklystronsdedos cavidades, enquea laprimera se aplica la sealde entraday se extrae en la
segunda,lagananciadepotenciaproducidaporlainteraccinentreelhazelectrnicoylascavidades
esdeaproximadamente10dB.Cadacavidad intermediaadicionalsintonizadaa la frecuenciade la
seal,aumenta lagananciadelklystrondelordende20dB6.Estascavidades intermediasno estn
acopladasexternamenteentresysonexcitadasporelhazdecorrientedeRFque,asuvez,remodula
la velocidaddel haz. En klystronsde cuatro cavidadespueden conseguirse ganancias depotencia
hastade60dB.Para lograranchosdebandagrandes,comoenelcasode televisin,algunasde las
cavidadesestndesintonizadasligeramenteenformaescalonada.Enestascondiciones,elaumentoen
lagananciaselograaexpensasdereducirlaganancia.
Para aumentar la eficienciade funcionamientodelklystrondedos cavidades, esnecesario agregar
mscavidadesy,adems,desintonizarlapenltimacavidad,demodoquesufrecuenciaderesonancia
seamayorque lade funcionamiento, esdecir, sintonizar lacavidaddel lado altode labanda..Estotienecomoconsecuenciaunamoderadareduccinen laganancia,peromejoraconsiderablemente la
eficiencia.
5 Davis, D.C. Vacuum Tubes. Cap. 9 de Electronics Designers Handbook. Ed. L. J. Giacoletto. McGraw Hill Book Co.
19776 Nelson, Richard, B. Klystrons. en Electronics Engineers Handbook. D. G. Fink y D. Christiansen, Editores. McGraw
Hill Book Co. 1982.
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5.7Klystrondecolectorescalonado7Unade lasdesventajasdel klystron convencional es que elhaz electrnico de alta velocidad, al
impactarenelcolectordisipaunagrancantidaddeenergaquesepierdeenformadecalor.Estoda
como resultadouna eficiencia relativamentebajay,porotraparte,obliga a extraer rpidamente elcalorgeneradoenelcolector.Conelfindereduciresteproblemayaumentarlaeficienciadeltubo,se
desarrollelklystrondecolectorescalonado,enqueelcolectorenlugardeformaruncuerponico,se
constituyeporvariasestructurasanulares,aisladasentres,a lasqueseaplicanvoltajesescalonados
crecientesnegativamente,comoseilustraenlafigura19.
Loselectronesmslentossoncapturadosporelanillocolectormscercanoalcuerpodeltubo,cuyo
potencialesmximorespectoalctodo,entantoqueloselectronesmsrpidossonfrenadosporlos
voltajes escalonadosde los anillos colectores siguientes e impactan en estos,demodoque losque
llegana laporcinfinaldelcolector lohacencon,relativamente,bajavelocidad.Comoresultadode
esta accin, la energa disipada en el colector esmenor que en un klystron convencional y, por
consecuencia, la eficiencia es mayor. Sin embargo una desventaja de los klystrons de colectorescalonado es la posibilidad de que ocurran arcos entre los anillos del colector, que deben estar
aislados entre s, a poca distancia entre ellos y con diferencias de potencial muy grandes. Esta
situacinpuededarsetambinenlareginentreelnodoyelctodonosloenestetipodeklystrons,
sino tambin en losklystrons convencionales.La consecuenciade estos arcospuededar lugar a la
destruccindeltubo,enelsentidodequequede intilparasufuncin.Ladestruccinnotieneque
sernecesariamentepor implosino fusinde losmaterialesdel tubo,yaquebastanicamenteque
ocurraunapequeaperforacinenelmetalolacermicadelcuerpodeltuboparaquestepierdael
vacoyquedeintil.
Fig.19.Klystrondecolectorescalonado.
(Fuente:M.Skolnik.RadarHandbook,2ndEd.McGrawHill,1990)7 El trmino en ingls es depressed collector klystron
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DadoqueelcostodelosklystronsyotrostubosdepotenciacomolosdiacrodosylosIOTseselevado,
los fabricantes suelen garantizarlas por un mnimo de horas de funcionamiento, generalmente
superiora 20,000, siempreque lamanipulacinde lavlvulay susparmetrosde funcionamientocumplan con las normas y valores especificados por el fabricante que en tales condiciones, suele
garantizar lareposicindel tubo.Ladestruccindeun tuboporperforacindelcuerpocermicoo
deteriorode los selloscermicametal,engeneralnosera imputableaunposiblemalajustede los
parmetrosdefuncionamiento(corrientesyvoltajesde loselectrodos),sinoquemuyprobablemente
seracausadapordeficienciasestructuralesenelpropio tubo,bienseaporpequeosdefectosenel
materialcermicooenlosselloscermicametalduranteelprocesodefabricacin.Encualquiercaso
laprobabilidaddeocurrenciadeestetipodeproblemasesmuybaja.
5.9 FiguradeMrito8
El concepto defigura de mrito se usa principalmente en las vlvulas de haz electrnico como elklystronyelIOTynodebeconfundirseconeleficiencia,aplicableconmayorfrecuenciaalasvlvulasde rejilla (triodos y tetrodos).La eficiencia deun amplificador sedefine como la relacin entre la
potencia til de RF a la salida del amplificador, entre la potencia suministrada por la fuente de
alimentacin.Definidaenestaforma,laeficienciasiempreesmenorque1,yaquenotodalaenerga
de c.c. suministradapor la fuente se convierte en energatilde seal. Siemprehayprdidaspor
calentamiento. Por potencia til de seal se puede entender lapotenciapico o lapotencia efectiva opotenciapromedio.Porlogeneral,sedefineentrminosdelapotenciapromedio.Enlostubosdehazelectrnico,comolosklystronsylosIOTs,seprefieredefinirunafigurademritocomo:
100%PK
AV
PFOM
P= (5.8)
DondePPKeslapotenciapicodelasealentregadaalasalidayPAVeslapotenciapromediodelhaz
electrnico.Deacuerdoaestadefinicinnoesextraoobtenerfigurasdemritosuperioresal100%,lo
quenosignificaqueelamplificadorestgenerandomspotenciaquelaquelesuministralafuentede
alimentacin.Podradecirseque la figurademritodaunamedidade labondaddelamplificador
paragenerarpotenciatilde seal, en tantoque la eficienciadaunamedidade la energaque se
pierdeenelamplificadorenformadecalor.
5.10 Tubosdesalidainductiva(IOT)Enel tubodesalida inductivasecombinancaractersticasde los tubosderejillacomoel trodooel
tetrodo y de los tubos de haz electrnicomodulado como el klystron. El IOT fue concebido por
AndrewHaeff9en1939paraaplicacionesenradar,pocodespusdelainvencindelklystron.LaRCA
fabricalgunoen1940peronotuvomayoraplicacinnidesarrollo.EnlapocadelaSegundaGuerra
Mundialyaosposteriores losesfuerzos encaminadosaldesarrollodedispositivoselectrnicosde
alta frecuenciasecentraroncasiexclusivamentehacia los tubosdehaceselectrnicosmoduladosen
8 El trmino correcto en espaol es cifra de mrito, sin embargo, el uso comn ha hecho que se traduzca el trmino en inglsfigure, que siginifica tanto cifra comofigura, aqu hemos preferido seguir el uso comn.9 Haeff, A. V. "A UHF power amplifier of novel design.Electronics. p. 30-32, February 1939
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velocidadcomoelklystronyeltubodeondaprogresiva10(TWT).LaideaconcebidaporHaeffqued
prcticamenteolvidadahastafinalesdeladcadade1980.
Hastamediados de la dcada de 1960 en los amplificadores de potencia de los transmisores de
televisin,prcticamentesloseempleabantetrodoscapacesdeentregarpotenciashastadealgomsde10KW.Lostetrodossoneficientesyfiables,aunquesuvidatilnosueleexcederlas20000horas.
Losklystrons,porotraparte,sevenanutilizandoenradares,aceleradoresdepartculasysistemasde
comunicacionestroposfricasenlabandadeUHF(0.3a3GHz)ySHF(3a30GHz).Afinalesdelos
sesentas, con el aumento de las transmisiones de televisin en labanda de UHF, comenzaron a
utilizarse klystrons como amplificadores de potencia, con resultados bastante satisfactorios. La
gananciadeunklystronessuperioraladeuntetrodoysuvidatil,mayor.Enesapocalaeficiencia,
aunque un factor importante, no lo era tanto como ahora, ya que el costo de la energa elctrica,
aunquenadadespreciable,erabastanteinferioralactual.
LaescaladadelosconflictosblicosenOrienteMedioalolargodeladcada197080diolugaraun
considerableaumentode lospreciosdelcombustibley,porconsecuencia,de laenergaelctrica,demodoqueelcostoporelconsumodestaenlostransmisoresdealtapotenciaaumenttambiny,en
buenamedida,fuelacausadeacelerarlabsquedademejorasenlosdispositivosamplificadoresde
potencia para aumentar su eficiencia y su vidamedia til. Los klystrons haban demostrado ser
dispositivosfiablesymuyestablesensufuncionamiento,perosueficienciaesrelativamentebaja,por
lo general inferior al 40%, de modo que se trabaj intensamente en desarrollar klystrons ms
eficientes,dandolugaradostendenciasprincipales:eldesarrollodelklystrondecolectorescalonado,
yamencionadoenlaseccin5.7yelfuncionamientopulsante.
Lacausaprincipaldela,relativamentebajaeficienciadelklystron,esqueelhazelectrnico,acelerado
agranvelocidada lo largode laregindearrastredel tubo,seestrella ntegramenteenelcolector,
perdiendoporcompletosuenergaenformadecalor.Sielhazelectrnicopuedereducirseduranteciertos intervalosde la seal, obien frenarse, demodo que se reduzca la energa cintica delhaz
electrnico, seperdermenosenergaenel impactoy,porconsecuencia seconseguiraumentar la
eficiencia.Durantebastantesaoslosklystronssehacanfuncionaralmximodelacorrientedelhaz,
esdecir,asaturacin.Enmodopulsante, lacorrientedelhazesmximaenelpicode lospulsosde
sincronismoysereducedurantelasealdevdeo,conloqueselleganaobtenercifrasdemritodel
ordende77%11.Estaformadefuncionamientopulsadoseconsigueagregandounelectrododecontrol
delhazenlaregindelcanelectrnico,demodoquelacorrientedelhazpuedepulsarseentredos
valores,unomximo en lospicosde sincronismo yotromenor,durante elperodode la lneade
vdeo. Este modo de funcionamiento introdujo complejidades adicionales en el diseo de los
transmisoresque, sibienms eficientes, resultaronms carosy, adems, requerande ajustesms
complicadosparalograrelmximorendimientoyunfuncionamientoestablealargoplazo.
Tambinenesapocacrecilafabricacindetransmisoresconamplificadoresdepotenciadeestado
slido.Sinembargo,entantoquelosamplificadoresdeestadoslidocumplenlasnecesidadesdelos
transmisoresparapotenciashastadeunos30KWenelmodoanalgicoyunos4KWpromedioen
digital,nopuedenutilizarseapotenciasmayoresyaquesueficienciaesmenorysucostomayorque
eldelosdispositivosdevaco12.
Otrotuboquesedesarrollenesapocafueelklystrodo,nombreregistradopor laempresaEimac
que,demanerasimilaralIOTcombinatecnoclogasdelklystronydeltetrodo,deahsunombre,por
10 Pierce, J.R. and Field, L.M. Traveling-wave tubes. Proc. IRE, vol. 35, p. 108. Feb. 1947.11Engineering Handbook. 8th Ed. National Association of Broadcasters. Washington, 1992.12 Bel, C. UHF TV transmission using IOT amplifiers. Broadcast Engineering, 18 January 2005.
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loquehablardeklystrodoode IOT tieneprcticamente elmismo significado.En la figura5.24 se
muestranunIOTfabricadoporEnglishElectricValveyunklystrododeEimacDivision,CPIInc.
(a) IOT (b)Klystrodo
Fig.5.24.IOTyKlystrodo.
5.11 PrincipiodefuncionamientodelIOT13.Comoyasemencion,elIOTcombinavariosaspectosdelatecnologadeltetrodoydelklystronpara
dar lugar aun amplificadorde alta eficiencia, compacto y conun rangode frecuenciasque cubre
prcticamenteensutotalidadlabandadeUHF.Laprincipaldiferenciaentreelfuncionamientodeun
klystronyunIOTeselmtodoutilizadoparaconseguirlosagrupamientosdeloselectronesdelhaz.
EnunklystronelhazelectrnicosemodulaenvelocidadapartirdelacavidaddeentradadeRFyse
tienedespusunespaciodearrastreenelque loselectronesmsrpidosalcanzana losms lentos
formandogrupos,conloqueelhazresultamoduladoendensidad.EnelIOTelprocesoesdiferente.
LasealdeentradadeRFseaplicaentreunarejacercanaalctodoyste,conloqueseproduceun
hazelectrnicomoduladodirectamenteendensidadenlaregindelpropiocanelectrnico,como
seveenelesquemadelafigura5.25.
13 Heppinstall, R. and Cayworth, G. T. "The Inductive Output Tube - a Modern UHF Amplifier for Terrestrial Television
Transmitter. GEC Review. Vol. 13, N 2. pp. 76-85, 1998.
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Filamento calefactor
Ctodo (-30 KV)
Reja de control(-30 KV)
Choke de RF
Entrada de RFdel excitador
Placa para ajustede sintona de lacavidad
Placa para ajustede sintona dela cavidad
Cavidad de entradaCavidad de entrada
Choke de RF Anodo(conectado a tierra)
Haz electrnicohacia el colector
Fig.5.25.EsquemadelaregindelcanelectrnicodeunIOT
Eltubodesalidainductivaestformadoporuncanelectrnicoquecontieneunctodoemisorde
electrones y una reja de control, ambos de forma semiesfrica. Esta geometra propicia la
conformacindeloselectronesemitidosenunhazincipientequesevemoduladoendensidadporel
voltajedeRFinducidoentre larejayelctodomedianteunacavidaddeentradaexternaaltubo.El
haz as producido se enfoca y confinamediante un campomagntico generado por bobinas de
enfoque,tambinexternasaltubo.ElhazmoduladoporlasealdeRFesaceleradohaciaelcolector
deltuboy,asupasoporlacavidadresonantedesalida,cedeastapartedesuenergaquepasadela
cavidadalcircuitodesalidadel transmisor.El IOTcombina laelevadaeficienciadel tetrodocon la
elevadacapacidaddepotencia,largavidatilyfiabilidaddelklystron.
Seaplicaunvoltajefijodelordende 80Valarejaconrespectoalctodo,demodoqueenausenciade
sealfluyeunacorrientehaciaelnododealrededorde500mA.Elctodo,demanerasemejanteal
klystron, semantiene a un potencial negativo del orden de 30KV, con lo que el haz electrnico
moduladoendensidadesaceleradoatravsdeunaaberturaenunnodosituadoenelpropiocan
electrnicoyconectadoapotencialde tierra,hacia laseccindesalidaenqueseextrae lapotencia
medianteunacavidadresonanteexterna,similara lausadaenelklystron,exceptoqueenelIOTse
utilizaunacavidaddedoble sintonapara conseguirelanchodebanda requeridoporuncanalde
televisin.Finalmente, laenergarestanteenelhazelectrnicosedisipaenuncolectordecobrede
diseotradicional,quepuedeserenfriadoporaireoagua,dependiendodelniveldepotenciadeque
setrate.LaestructurainternadelIOTseapreciamejorenlafigura5.26.
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Espacio al vacoen el interior delcolector
Anodo
Can electrnico
Circuito de
enfriamientodel colector
Circuito deenfriamientodel cuerpodel tubo
Tubo de arrastre
Colector
Fig.5.26.EstructurainternadelIOT.
Canelectrnico.
Estructuralmente, el can electrnico del IOT es similar al del klystron y continene un ctodo
cncavo, semiesfricode tungsteno como semuestra en la figura5.27.Este tipo ctodo sedesigna
comodispensadorodistribuidorenelsentidodeque,porsugeometra, laemisinelectrnicase
orientahaciaelcentrodeltubo,facilitandoaslaconformacindelhazelectrnico.
Fig.5.27.EstructuradelctododeunIOT.
Larejadecontrolesdegrafitopiroltico,una formadecarbn fabricadapordescomposicindeun
hidrocarburogaseosoamuyaltatemperaturaenunhornoalvacoloquedalugaraunproductomuy
puroconuncoeficientedeexpansintrmicaprcticamentenulo14,15deelevadaconductividadygran
14http://www.advceramics.com/geac/products/pyrolytic_graphite/. (31 enero 2005).15http://www-edd.tw.1-3com.com/edd/html/news/news_pyrolytyc.htm. (31 enero 2005).
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resistenciamecnica,loquelohaceidealparaestaaplicacin.Larejaesdelamismageometraqueel
ctodo, esdecir, semiesfricaymuy cercanaa ste, situada congranprecisin aunadistanciadel
ordendeunasmilsimasdepulgadaysoportadaporunaestructuracilndricametlica,aisladadel
ctodoporunaisladordecermicaquetambinformapartedelcuerpodeltubo.Laestructuradela
rejaseilustraenlafigura5.28.
Fig.5.28,EstructuradelarejadecontroldeunIOT.
EsatravsdelacermicaaislanteentrerejayctodopordondeseacoplaaltubolaenergadeRFdel
circuitode entradaparaaplicar elvoltajedeRFa la reja.Estevoltaje inducido entre rejay ctodo
modula la densidad del haz electrnico, cuya seccin transversal es de pequeo dimetro a
consecuenciadelcampomagnticodeconfinamientoproducidopor lasbobinasexternas.Elhazas
formado es relativamentehueco yaque los electrones se concentranms en laperiferia que en el
centro,comoresultadonaturaldeloscamposelectrostticosqueconformanelhaz.Estoseilustraenla
figura5.29.
Trayectoria helicoidalde los electrones
La fuerza sobre loselectrones se dirigeradialmente hacia el
centro
Lneas de flujo
Fig.5.29.Conformacindelhazelectrnico.
Unsegundoaisladordecermicasoportatodoelcanelectrnicoa ladistanciacorrectadelnodo
aterrizado.Ladiferenciadepotencialentreelnodoyelctodoesdelordende30KVosuperior.El
espacio entre reja y ctododel can electrnico forma la parte finaldeuna lnea de transmisin
complejadesdeelconectordeentradadeRFalsistemade lacavidaddeentrada.Laestructuradel
canelectrnicoseilustraesquemticamenteenlafigura5.30.
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CircuitodeentradadelIOT.
El circuitode entradadel IOT consistede la cavidadde entrada, externa al cuerpodel tuboydel
canelectrnico,enel interiordeltubo.LasealdeRFseaplicaa lacavidaddeentradamediante
una espira abierta, como se aprecia en la figura 5.25. En el interior de la cavidad de entrada seencuentraunapaletamvily,ensupartesuperiorunstubencortocircuitoparaajustarlaimpedancia
de entrada a resonancia a la frecuenciadeseada.El campogeneradopor la seal en la cavidadde
entradainduceunvoltajeentrelarejayelctododeltubo,quecausalamodulacinendensidaddel
hazelectrnico.LaprincipaldiferenciaentreelIOTyelklystronresideenqueenestetimonohay
rejadecontrol,demodoqueelcampogeneradoenlacavidaddeentradamodulaalhazenvelocidad,
noendensidad.LarejadecontroleslacaractersticacomnentreelIOTyeltetrodo.
Electrodos de enfoque
Ctodo
Anodo
Bobina magntica
Reja
Piezas polares
Lneas del campomagntico
Haz electrnicoTubo de arrastre
Fig. 5.30.EstructuraesquemticadelcanelectrnicodeunIOT.
En losklystronsgeneralmente seutilizan cavidades resonantes externasal cuerpodel tubo,por lo
general,partidasparapermitir su colocacinalrededordesteyatornillarse luegopara formarun
solocuerpo.Lacavidadmscercanaalctodoeslacavidaddeentrada.Cadaunadelasmitadesdela
cavidadtieneensuinteriorplacasopuertasdeslizantesafindeajustarlasparaconseguirlasintona
deseada.EnelIOTseempleaunaestructurasimilar,conunadiferencia,yaquelaparedinteriordela
cavidadtienequeconectarseentreelctodoylareja,doselectrodosquesemantienenaunpotencial
altamentenegativo, en tantoque lapared exteriorde la cavidaddebe conectarse a tierra.Por esta
raznenlacavidadesnecesarioincorporarchokesdeRFentresuspartesexternaeinterna,comose
ve
en
la
figura
5.25,
con
el
fin
de
por
una
parte,
proporcionar
el
aislamiento
necesario
entre
las
dos
partesy,porotraimpedirfugasdecorrientedeRFmanteniendoalmismotiempotodoelvoltajedel
haz electrnico. Esta condicin impone requisitosmuy severos para la eleccin de losmateriales
aislantesde los chokes,quedebenproporcionarunaislamiento totala la corriente continua en las
condicionesdehumedadytemperaturaqueprevalecenenelambientedeltransmisor.
Consideracionessobreelfuncionamientodelctodo.
A fin de conseguir la mxima emisin termoinica del ctodo, a una temperatura de
aproximadamente1100C,elctododelIOTestconstituidoporunabasedetungstenopuro,relleno
dexidosdebario,calcioyaluminio,reforzadoporunafinapelculadeunoscentenaresdeangstroms
(1010
m)
de
espesor,
que
contiene
osmio,
iridio
y
renio,
lo
que
da
como
resultado
una
funcin
de
trabajomuypequea.Laemisividadtrmicadelctodoes,porconsecuencia,muyelevada.
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Paracualquiertubotermoinico,lavidatildependeprincipalmentedelacapacidaddeemisindel
ctodo.Si latemperaturade funcionamientodelctodoesmuyelevada,seproduceevaporacinde
los materiales emisores de su superficie, con abundante produccin de iones que deterioran el
funcionamiento y reducen considerablemente su vida til. Si hay evaporacin, parte delmaterial
evaporadosepuededepositarenlareja,dandolugaraemisinsecundariayaemisinporcampoquepuede causar eldesbocamiento incontroladode la corriente delhaz. Los vapores tambinpueden
depositarseen lapared interiordecermicaqueaslaalcanelectrnicodelnodo,reduciendoel
voltajederuptura,conelriesgopotencialde la formacindearcos internosentre rejaynodoque
puedeninutilizareltubo.
En el aire, o en un vaco pobre, los electrones slo pueden viajar distanciasmuy cortas antes de
recombinarse o chocar con otraspartculas en elmedio. En los tubos de vaco y, en particular en
klystrons e IOTs, los electrones deben viajar distancias considerables sin que ocurran colisiones
significativasconotraspartculas,por loque se requiereunaltovaco enel interiordel tubo.Siel
vacoespobre,osiseproduceunarco,seproducentambinionesqueporlapolarizacindelctodo,
impactanenste,reduciendosucapacidaddeemidsinodandolodefinitivamente.Paraevitaroreduciralmximoestasituacin,seutilizancircuitosdeproteccinquecortanelfuncionamientodel
IOTparaevitardaosmayores.Unadelasrutinasimportantesenelmantenimientopreventivodelos
amplificadoresdepotenciaconIOTsyklystronseslacomprobacinycalibracinperidicadeestos
circuitosdeproteccin.
Manivela paraajuste de s intonade la cavidadde salida
Cavidad primariade salida
Acoplamientode banda ancha
Cavidad secundariade salida
Stub de ajuste parala seal de entrada
Carro desoporte
Excitador deestado slido
Cavidad de entrada
Parte de la cavidadde entrada de pequeodimetro
Circuito de enfriamientopara la cavidad de saliday el can electrnico
Bobina de enfoque
Lazo de acoplamientode salida
Fig.5.27.MontajecompletodelIOTencarrotransportable
parafacilitarsumontajeeneltransmisor.
Papeldelnodo.
EnlostubosdehazcomoelklystronyelIOTelnodonotienelamismafuncinquelaplacaenlos
tubosderejilla,enlaqueacabantodosloselectronesprocedentesdelctodo.Enestostubosdehaz,el
nodoactaslocomounaceleradordeloselectronesemitidosporelctodoyconfinadoenunhaz
de pequea seccin transversal, en parte por la geometra del ctodo o del can electrnico y
principalmenteporelcampomagnticoproducidoporlasbobinasdeenfoque.Elnodo,bienseade
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forma cilndricaocnica,huecoenel centro,aceleraa los electronesprcticamente sinatraerlosni
dispersarelhaz.
La corrientedelhazmodulado endensidad seacelera, en la regin entre el can electrnicoy el
nodo,desdeunaenergadeunospocoselectrnvoltshastaunaenergatotaldedecenasdemilesdeeV,alcanzandounavelocidaddealrededorde1/3delavelocidaddelaluzenelcortoespacioentre
reja y nodo. En estas condiciones la energa del haz es considerablementemayor que la energa
requeridaparamodularelhazenlarejadecontrol,delordende26dBoms.Laenergacinticayla
velocidadde cada electrn en el haz esbsicamente lamismamientras el haz est en la zona de
arrastredelnodo,peroladensidaddelhazvarasegnlamodulacinaquefuesometidoporlareja
decontrol.Elhaz,aceleradoagranvelocidadpasaatravsdelinteriorhuecodelnodohaciaeltubo
dearrastrea lasalida,endireccinalcolector.Laresistenciaefectivadelhaz,operveancia16cambia
conlamodulacinyduranteelciclodeRF,yaqueelhazsiempreestaceleradoalmismopotenciade
c.c.
Cavidaddesalida.
La energadelhaz se extrae en la aberturaoventana (gap)de salida,que esdonde los electrones
agrupadosdelhazsalendeltubodearrastrehaciaelcolector.Laventanadesalidaselocalizacercade
la parte superior central de la cavidad primaria de salida. El haz electrnico transfiera una parte
considerabledesuenergaaestacavidadresonante,enformadecampoelectromagntico.Eltrabajo
realizadoenestatransferenciadeenergareducelaenergacinticadelhazyelvoltajepresenteenel
espacio de la ventana de salida es funcin de la potencia almacenada en la cavidad y de la
resistenciarelativadelaventanaque,asuvezdependedelasintonadelavidadydelapotencia
delhaz.Apotenciaselevadas,laresistenciadelaventanaesmenorytambindisminuyeconelancho
debanda.
Unrequisitoimportanteenlostubosqueempleancavidadesresonantesesconseguirenellaselancho
debandanecesario,enestecasode8MHzparalasealanalgicaPALoladigitalDVBTobiende6
MHzparasealesNTSCoDTV.Enelklystron,lascavidadessesintonizandeformaescalonadacuyo
principioseilustraenlafigura5.28.
Respuesta individualde cada cavidad
Respuesta del conjuntode cavidades
Ancho de bandadel conjunto
f1 f2 f3Frecuencia
Fig.5.28.Principiodelasintonaescalonada
Cada cavidad sesintonizaauna frecuencia ligeramentedistintaa laotrascavidades,con loque se
consigueunarespuestaprcticamenteplanaenlabandadepaso.Enelklystronestoesrelativamente
16 La perveancia se define como la corriente de ctodo, limitada por la carga de espacio, dividida por el voltaje del nodo
elevado a la potencia 3/2.
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simple,yaque se tienen tresocuatro cavidades,perono lo esenel IOTenquenohay cavidades
intermedias entre lade entrada y la de salida. Para evitar esteproblema en el IOT se utilizauna
cavidaddesalidadoblementesintonizada.Estacavidadest formada,dehecho,pordoscavidades
convencionales,dispuestasortogonalmente,comosepuedeapreciarenlafigura5.27.Laprimerade
estas dos cavidades se designa como cavidad primaria y est fija alrededor del cuerpo del tubo.Contieneunaespiramediante laque sepuedeajustarelacoplamientodeRFa la segundacavid