Un tubo elettronico ( valvola termoionica in inglese o tubo a vuoto negli Stati Uniti ), chiamato anche tubo a vuoto o addirittura lampada , è un componente elettronico attivo, solitamente utilizzato come amplificatore di segnale . Il tubo a vuoto del raddrizzatore o dell'amplificatore è stato sostituito in molte applicazioni da diversi semiconduttori , ma non è stato sostituito in alcune aree come l'amplificazione ad alta potenza o le microonde .
I tubi elettronici designano componenti che utilizzano elettrodi , posti sotto vuoto o in un gas , isolati l'uno dall'altro da questo mezzo e comprendenti almeno una sorgente di elettroni . Un involucro resistente alla temperatura isola il tutto dall'esterno. Sebbene l'involucro sia solitamente in vetro , le valvole di potenza utilizzano spesso ceramica e metallo . Gli elettrodi sono collegati alle terminazioni che attraversano l'involucro mediante passaggi sigillati. Sulla maggior parte dei tubi, le terminazioni sono perni destinati ad essere installati in un supporto per tubi elettronici per una facile sostituzione.
I tubi a vuoto utilizzano l'effetto termoionico per creare elettroni liberi e quindi dirigerli e modularli. In origine, il tubo a vuoto somiglia a una lampada a incandescenza perché ha un filamento riscaldante all'interno di un involucro di vetro svuotato d'aria. Quando è caldo, il filamento rilascia elettroni nel vuoto: questo processo è chiamato emissione termoionica . Il risultato è una nuvola di elettroni , la cui carica è negativa, chiamata " carica spaziale ". I tubi di riscaldamento diretto non vengono più utilizzati se non in tubi ad alta potenza, sostituiti dal riscaldamento indiretto. In un tubo riscaldato indirettamente, il filamento riscalda un elettrodo che emette elettroni, il catodo .
Questo è il tubo più semplice, usato come piastra . In un diodo a vuoto, gli elettroni, emessi dal filamento in caso di riscaldamento diretto o dal catodo in caso di riscaldamento indiretto, saranno attratti da una piastra metallica ( piatta in inglese) chiamata anodo e situata all'interno del tubo. Questa piastra è caricata positivamente. Ciò si traduce in un flusso di elettroni, chiamato corrente , che va dal filamento o catodo alla piastra. La corrente non può fluire nell'altra direzione perché la piastra non è riscaldata e quindi non emette elettroni. Otteniamo quindi un diodo a vuoto. Questo componente conduce la corrente solo in una direzione.
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Lee De Forest , aggiungendo un elettrodo di controllo intermedio, ha permesso lo sviluppo del primo componente dell'amplificatore elettronico : il triodo. Il triodo è costituito da un catodo che emette elettroni , un anodo ricevente e una griglia , posta tra i due.
Modulando la tensione applicata alla griglia relativa al catodo, un numero maggiore o minore di elettroni emessi dal catodo raggiunge l'anodo, creando una corrente variabile tra l'anodo e il catodo. Un carico in serie nell'anodo converte la variazione di corrente in una variazione di tensione e potenza: viene eseguita l'amplificazione.
Il triodo presentava difetti, in particolare una tendenza all'oscillazione dovuta alla capacità formata dalla coppia gate-anodo. È stato rapidamente migliorato con l'aggiunta di una griglia intermedia con un potenziale prossimo a quello dell'anodo, riducendo questa capacità dannosa: è stato creato il tetrodo .
Infine, il pentodo ha permesso di eliminare l'effetto delle emissioni di elettroni secondari sulla griglia dello schermo del tetrodo grazie ad una terza griglia al potenziale del catodo. Altre combinazioni come l'esodo, provvisto di due griglie di controllo, consentono la miscelazione delle frequenze necessarie ai ricevitori.
L'evoluzione è continuata verso la miniaturizzazione, i tubi multifunzione, migliorando la durata e l'affidabilità, aumentando la potenza e la frequenza secondo le esigenze della radio e dell'elettronica.
Nella maggior parte degli usi, il tubo a vuoto è stato sostituito da un componente più piccolo ed economico: il transistor e suoi derivati. Quest'ultimo è un semiconduttore e consente la produzione di circuiti integrati . Il transistor consente una densità e un'affidabilità molto più elevate rispetto al tubo per l'amplificazione e l'elaborazione del segnale. I tubi sono tuttavia ancora utilizzati per applicazioni specifiche come amplificatori audio e per applicazioni "molto" ad alta potenza o alta frequenza (HF) come forni a microonde , riscaldamento industriale a radiofrequenza e amplificazione di potenza per trasmettitori televisivi e televisivi , ad esempio in trasmettitori broadcast ad onde corte (bande di frequenza da 3,2 a 26,1 MHz da 250 a 500 kW , dove lo stadio finale dell'amplificatore è costituito da un unico tubo, come per i trasmettitori ALLISS di Issoudun .
Il transistor bipolare, infatti, è limitato in potenza e in frequenza da due fenomeni: la dissipazione di volume e il tempo di transito, che rendono difficile aumentare contemporaneamente la potenza e la frequenza di lavoro. Per superare questa limitazione in applicazioni ad altissima potenza nel dominio delle alte frequenze, sono possibili combinazioni di amplificatori in parallelo, ma richiedono più accoppiatori in ingresso e in uscita e un costo maggiore rispetto a un singolo amplificatore valvolare della stessa potenza. I tubi a vuoto, invece, non dissipano alcuna energia nel transito degli elettroni, ma solo all'urto sull'anodo, che può essere raffreddato.
Nella trasmissione del suono, alcuni audiofili scoprono che i tubi elettronici forniscono una qualità del suono superiore rispetto ai sistemi con transistor bipolari o amplificatori operazionali . Altri dicono, invece, che i tubi elettronici non fanno nulla e che non rappresentano più che un argomento commerciale. Tuttavia, è improbabile che scompaiano, dato il grande interesse mostrato per loro da alcuni amatori, musicisti e tecnici, ad esempio negli amplificatori per chitarra elettrica così come nei preamplificatori microfonici e da studio di registrazione, dove, secondo Test comparativi negli anni '70, le valvole i preamplificatori, utilizzati in condizioni di sovraccarico e distorsione oltre la loro gamma utile, riprodurrebbero le armoniche meglio delle loro controparti a transistor o amplificatori operazionali.
Nonostante il progresso tecnologico dei semiconduttori di potenza, i tubi a vuoto hanno così mantenuto il vantaggio in termini di affidabilità e costo quando vengono utilizzati come amplificatori ad alta potenza in determinati campi. Il triodo common gate, o pentodo catodo comune sono gli schemi più comunemente usati a circa 100 MHz .
Le potenze variano da 500 W per un amplificatore per radioamatori con triodo 3-500Z raffreddato per convezione naturale, a 1,5 MW per un tubo trasmettitore di radiodiffusione e circa 30 MW in commutazione, in raffreddamento per circolazione d'acqua.
Le classi di amplificazione sono definite allo stesso modo dei transistor, con i seguenti principi:
Gli amplificatori a valvole utilizzano i tre schemi usuali applicati anche ai transistor:
In un tubo elettronico di piccoli segnali, la principale fonte di calore è il filamento, la cui dissipazione avviene per irraggiamento. In un tubo di potenza, il raffreddamento dell'anodo è la principale limitazione di potenza. Viene risolto per irraggiamento per potenze inferiori al kilowatt, consentendo all'anodo di salire alla massima temperatura compatibile con il materiale utilizzato ( metallo fino a 100-200 W , grafite da 200 a 2.000 W e grafite pirolitica a 1.000 kW ), lo speciale involucro di vetro che garantisce la radiazione. Il raffreddamento ad aria forzata viene utilizzato fino a poche decine di kilowatt, l'anodo è esterno e dotato di alette di convezione. Infine, la circolazione dell'acqua, o anche l'ebollizione dell'acqua sui vapotroni, permette di dissipare centinaia di kilowatt. È anche possibile raffreddare l'anodo facendo circolare l'acqua.
I tubi convenzionali (triodi e pentodi) consentono di progettare amplificatori fino a circa 1 GHz . Inoltre, i tubi sono stati sviluppati appositamente, come il magnetron , il tubo d'onda ( tubo a onde viaggianti ) e il klystron combinando effetti magnetici ed elettrostatici. I loro nomi sono molteplici, ma a volte con poca differenza tranne un miglioramento una tantum. Tra i più famosi:
Il mercato industriale di questi tubi va a due estremi:
Il magnetron è un tubo a vuoto senza griglia di arresto, con un catodo centrale, riscaldato da un filamento, e un anodo solido e concentrico in cui sono scavate diverse cavità risonanti . Un campo magnetico assiale viene solitamente creato da due magneti permanenti a ciascuna estremità del tubo. Il percorso a spirale (dovuto al campo magnetico) degli elettroni avviene ad una frequenza sintonizzata sulle cavità risonanti.
Il magnetron essendo auto oscillante, permette un montaggio semplice, come nei forni a microonde .
Le potenze disponibili sono dell'ordine di pochi kW continui (picco MW) a 3 GHz e centinaia di watt (centinaia di picco kW) a 10 GHz . I magnetron sono disponibili fino a 35 GHz ( banda Ka ).
Per ottenere queste potenze, è necessaria una tensione di diverse migliaia di volt.
Al giorno d'oggi, il magnetron ha due usi principali:
Il klystron è un tubo a vuoto che consente di produrre amplificatori a microonde a banda stretta di media e alta potenza. I loro poteri possono raggiungere i 60 k W .
I Klystron sono utilizzati in particolare nei radar , negli acceleratori di particelle lineari, nelle stazioni televisive UHF e nelle stazioni di trasmissione satellitari.
Il tubo a onde viaggianti (TOP, tubo a onde mobili ) viene utilizzato nel microonde per realizzare amplificatori di bassa, media o alta potenza . Consente la produzione di amplificatori a banda larga con un rumore di fondo molto basso . È particolarmente adatto per amplificatori di satelliti per telecomunicazioni .
Il tubo dell'onda viaggiante è composto da quattro parti principali:
Un gran numero di componenti sono stati sviluppati tra il 1920 e il 1960 utilizzando la tecnica del tubo a vuoto:
All'inizio del XXI ° secolo, l'interesse che si porta i tubetti vuoti restituiti, questa volta con il campo emettitore tubo a vuoto . Questo tipo di tubo ha la forma di un circuito integrato . Il design più comune utilizza un catodo freddo , in cui gli elettroni vengono emessi dalle estremità degli angoli, su scala nanometrica e generati sulla superficie del catodo metallico.
Presenta i vantaggi di una grande robustezza unita alla capacità di fornire elevate potenze di uscita con una buona efficienza. Operando sullo stesso principio dei tubi convenzionali, questi prototipi sono stati costruiti con un emettitore di elettroni formato da piccoli picchi utilizzando nanotubi , e incidendo gli elettrodi come piccole piastre pieghevoli (con una tecnica simile a quella utilizzata per creare gli specchi microscopici utilizzati da la tecnica Digital Light Processing ) che sono tenuti in posizione verticale da un campo magnetico .
Questi microtubi integrati dovrebbero trovare applicazioni in dispositivi che utilizzano microonde come telefoni cellulari , ricetrasmettitori Bluetooth e Wi-Fi , radar e satelliti . Sono inoltre studiati per una possibile applicazione nella produzione di schermi piatti.
Le tecnologie di simulazione al computer vengono utilizzate anche con i tubi su SPICE , ad esempio. Molti produttori forniscono direttamente i modelli dei loro componenti, che verranno utilizzati dal software di simulazione. I modelli di questi produttori forniscono dati affidabili che portano a risultati corretti. Sono tuttavia nella maggior parte dei casi una semplificazione del comportamento reale del tubo modellato. In generale, più aumenta il numero di elettrodi nel tubo, più il modello si discosta dal componente reale. Il loro principale svantaggio è che modellano correttamente solo la corrente anodica e, nel caso di tubi multigrid, solo per una tensione fissa G2.
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